地表水置换地下水条件下管网发生“黄水” 的风险和控制措施

刘铭，宋云，何康丽

（银川中铁水务集团有限公司，宁夏 银川 750021）

随着城市化、工业化进程的加快及人口的不断增加，近年来，西部某市当地水资源供需矛盾愈加尖锐，水安全问题日益突出。为解决西部某市水源地水质超标、城市超采区地下水漏斗、水资源总量不足、农村供水水源分散、规模小且水量不足等问题，利用深度净化处理的黄河水替换西部某市地下水源地。

根据查阅文献资料和其他城市在水源置换期内实践经验可知，在水源置换期内，有可能出现“黄水”事件。水源切换是导致水质化学成分变化的重要原因之一[1]。国内外曾多次进行报道，如美国南加利福尼亚地区就曾因地下水改为地表水而出现了严重的 “黄水”。美国Tucson 市于1992 年11 月将地下水源改为Colorado 河水，结果引起了服务区大量用户的抱怨与投诉，其中“黄水” 是招致用户抱怨最多的因素。国内由于水源地切换导致“黄水” 的事件也屡见不鲜，已有研究和案例表明，不同水源切换时由于水质化学组成的差异有可能打破原有管垢/水之间的平衡，引起管网铁腐蚀产物的释放量增加，导致用户端水质恶化。管网“黄水” 是供水企业面临的水源切换期需紧密关注的问题。不同水源因水质特征、水利条件、化学和生物稳定性的差异，即使各水厂的出厂水满足国家GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》的条件下，进入供水管网后仍存在发生“黄水” 的风险[2]。

针对供水工程所即将面临的问题，就如何尽可能避免与控制由水源更换而带来的水质安全风险，对西部某市地下水水质情况与地表水水质情况进行初步分析。长期以来，西部某市供水管网系统主要由铸铁管管材构成，而且以往西部某市输配水管网系统输送的水质（地下水源）相对单一、较为稳定，并在长时间输配过程中管壁形成了稳定的腐蚀层，输配水过程对水质的影响较小。本文主要针对西部某市水质情况，研究大规模水源切换条件下管网发生“黄水” 的风险和控制措施。

1 试验方法

1.1 研究对象

将西部某市A、B、C、D、E、F、G 这7 个水厂水质及地表水源作为研究对象。

1.2 研究方法

选取总碱度、硫酸根、氯离子作为关键水质参数，计算拉森指数。除了测定水质参数，还需考虑水样的保存和处理。在采样、储存和运输过程中，需要严格按照标准操作规程，确保水样原位保持原有状态，避免外界污染或化学反应对水质造成影响。在地表水置换地下管网的过程中，测定相关水质参数是保障水质安全的关键步骤。合理的监测与评估方法能够为地下管网水质的管理提供科学依据和决策支持。

1.3 实验材料

硫酸根测定选用离子色谱仪赛默飞世尔ⅠC6000型，氯离子测定选用离子色谱仪赛默飞世尔ⅠC6000 型，总碱度测定选用滴定管。

2 结果与分析

城市给水管网系统中铁释放是一个非常复杂的过程，它主要受管网腐蚀、管垢结构等相互作用。影响管网中铁释放的主要因素有水力运行条件和水质条件，在实际管网输送过程中，水力条件的变化是复杂、不可预见和不可避免的，但是水质条件则是易于监测的。由于收集的相关检测数据具有一定的局限性、不稳定性和盲区，其中，地下水水质较稳定，而地表水水质相对复杂、化学性质不稳定且受外界因素影响较大，因此，收集的检测数据仅代表该时间段内水质条件。根据给水管网中腐蚀判断的方法，计算出给水源水结垢性及腐蚀性，为水源切换条件下管网是否产生“黄水” 提供可能性评判。

2.1 水质关键参数

对各个水厂及地表水源水样的水质关键参数（总碱度、硫酸根、氯离子）进行逐月监测，并进行统计，水质关键参数具体结果如表1、表2 所示。

表1 水源切换条件下水源部分水质关键参数（地表水源）

表2 各水厂出厂水部分水质关键参数单位：mg/L

2.2 化学稳定性分析

目前，水质化学稳定性的判别指数主要包括两大类：一类是基于碳酸钙溶解平衡指数，常用的如朗格利尔饱和指数；另一类基于其他水质参数的指数，如拉森腐蚀指数（LR），表示水对铁质金属管道的腐蚀性，它能够反映出重碳酸根、氯离子和硫酸根离子之间的关系[3]。研究表明，从水质的稳定性和腐蚀性来看，具有腐蚀性的水（LR＞1）进入地下水管网时，易发生“黄水” 现象，且铁释放与水的拉森指数具有显著正相关性。水的拉森指数越高，表示该水对铁质管道的腐蚀性越强。以此来评判水源水及出厂水（运行中）对管网腐蚀程度，以评估管网水出现“黄水” 的可能性。

该评估在现有数据的基础上计算水源水及出厂水（运行中）Larson 比率（LR），计算公式如下：

通过对部分水质指标进行监测，可以得出水源地与各水厂（运行中）拉森腐蚀指数，详情见表3。

表3 水源地与各水厂（运行中）水质（拉森腐蚀指数）评定结果

从表3 可以看出，目前出厂及水源水的拉森腐蚀指数均大于0.2，铸铁管网已造成一定的腐蚀，但是由于长期通水表面已形成致密层而处于稳定状态。但若切换水源，由于水质、水利条件的改变，有可能会破坏原有的管垢，经过一系列化学反应形成氢氧化铁胶体颗粒，产生“黄水” 问题。查找相关文献资料可知，高拉森腐蚀指数的水取代低拉森腐蚀指数的水源时较易发生 “黄水”。因此，由表3 可知，地表水源的拉森腐蚀指数比A 水厂、D 水厂的指数较高，同时是B水厂、C 水厂、E 水厂、F 水厂、G 水厂、H 水厂指数的3～8 倍。从水质的稳定性和腐蚀性来看，若进行水源切换，则B 水厂、C 水厂、E 水厂、F 水厂、G 水厂所涉及管网有可能出现“黄水” 问题；A 水厂、D 水厂所涉及管网可能出现 “黄水” 问题的可能性较其他水厂小；H 水厂所涉及管网由于前期是地表水水源，已经形成了较致密的保护层，切换成地下水源后由于拉森系数仅为0.327，不会破坏原有的管垢，再进行水源切换后（切换成地表水），出现“黄水” 的可能性较小。

3 水源切换条件下管网“黄水” 的控制方法

国内对于由水源切换导致的管网 “黄水” 的控制方法均有成功案例，形成了比较成熟的技术方案，管网“黄水” 的控制主要采用控制管网腐蚀速率的机理：稳定性低的管网切换为强腐蚀性水后，新水源腐蚀性较强的水（较高硫酸根质量浓度）诱发铁腐蚀产物释放速率增加，同时铁氧化菌为优势菌，加速腐蚀，腐蚀产物大量释放，产生 “黄水”，随着腐蚀进行，管垢趋于稳定，铁还原菌成优势菌，腐蚀作用被抑制，“黄水” 消失。基于该机理，通过研究及不断实践，提出了水源切换时防控管网“黄水” 的综合技术方案，详情见表4。

表4 水源切换时防控管网黄水的综合技术方案

由于水源切换工程未设置水源混合池（无法改变源水勾兑比例）、药剂（磷酸盐缓释剂、纯碱）投加及中间加氯装置，若水源切换工程通水后出现管网“黄水” 的情况时，应把“管网应急排放冲洗” 作为首选方案。

4 结论

目前，西部某市长期以地下水水源为主，供水管网系统为铸铁管材，经国内大量研究表明，地下水源管垢特征为表面薄腐蚀垢层几毫米或者不足1 mm，水源切换后管垢表面钝化层较易被腐蚀性较强的水破坏。由于影响管网中铁释放的主要因素有水力运行条件和水质条件，水力条件是不可预测的，水质条件易于监测。由于前期收集的数据存在一定的局限性及盲区，本评估仅对拉森腐蚀指数进行计算分析，并结合文献资料及国内水源切换条件下水质问题的实践经验，对水源切换管网出现“黄水” 进行可能性评估，结论如下。

根据统计，西部某市出厂及水源水的拉森腐蚀指数均大于0.2，铸铁管网已造成一定的腐蚀，但是由于长期通水表面已形成致密层而处于稳定状态。若切换水源，由于水质、水利条件的改变，有可能会破坏原有的管垢。

根据查找相关文献资料可知，高拉森腐蚀指数的水取代低拉森腐蚀指数的水源时较易发生 “黄水”。因此，从水质的稳定性和腐蚀性来看，若进行水源切换，则B 水厂、C 水厂、E 水厂、F 水厂、G 水厂所涉及管网有可能会出现“黄水” 问题，A 水厂、D 水厂所涉及管网出现“黄水” 问题的可能性较其他水厂小。

H 水厂所涉及管网由于前期是地表水水源，已经形成了较致密的保护层，切换成地下水源后由于拉森系数仅为0.327，将不会破坏原有的管垢，再进行水源切换后（切换成地表水），出现 “黄水” 的可能性较小。

结合文献资料可知，若出现管网 “黄水” 不进行干预处理，这一现象将持续到管壁表面形成新的稳定表面层，“黄水” 才会消失，则持续时间会长，且时间不定。当原有管垢平衡被破坏后，即使将水质恢复至原有水质，“黄水” 问题仍然会持续一段时间，建立新的平衡时间较长（数日甚至数月）。

水源切换工程未设置水源混合池、药剂（纯碱、磷酸盐缓冲剂）投加及中间加氯装置，通水后若出现管网“黄水” 的情况时，应把“管网应急排放冲洗”作为首选方案。如果仍不能解决 “黄水” 问题，应组织专业人员进行查明原因，以便提出最有效的解决方案。

根据管网“黄水” 产生机理， 影响管网中铁释放的主要因素为水力运行条件和水质条件，虽然水质条件易于监测，但是水力条件复杂多变、不可预测，且水质数据收集存在一定的局限性，因此本评估仅根据拉森腐蚀指数判断管网“黄水” 出现的可能性。