地表水置換地下水條件下管網發生“黃水” 的風險和控制措施

劉銘，宋云，何康麗

（銀川中鐵水務集團有限公司，寧夏 銀川 750021）

隨著城市化、工業化進程的加快及人口的不斷增加，近年來，西部某市當地水資源供需矛盾愈加尖銳，水安全問題日益突出。為解決西部某市水源地水質超標、城市超采區地下水漏斗、水資源總量不足、農村供水水源分散、規模小且水量不足等問題，利用深度凈化處理的黃河水替換西部某市地下水源地。

根據查閱文獻資料和其他城市在水源置換期內實踐經驗可知，在水源置換期內，有可能出現“黃水”事件。水源切換是導致水質化學成分變化的重要原因之一[1]。國內外曾多次進行報道，如美國南加利福尼亞地區就曾因地下水改為地表水而出現了嚴重的 “黃水”。美國Tucson 市于1992 年11 月將地下水源改為Colorado 河水，結果引起了服務區大量用戶的抱怨與投訴，其中“黃水” 是招致用戶抱怨最多的因素。國內由于水源地切換導致“黃水” 的事件也屢見不鮮，已有研究和案例表明，不同水源切換時由于水質化學組成的差異有可能打破原有管垢/水之間的平衡，引起管網鐵腐蝕產物的釋放量增加，導致用戶端水質惡化。管網“黃水” 是供水企業面臨的水源切換期需緊密關注的問題。不同水源因水質特征、水利條件、化學和生物穩定性的差異，即使各水廠的出廠水滿足國家GB 5749—2022《生活飲用水衛生標準》的條件下，進入供水管網后仍存在發生“黃水” 的風險[2]。

針對供水工程所即將面臨的問題，就如何盡可能避免與控制由水源更換而帶來的水質安全風險，對西部某市地下水水質情況與地表水水質情況進行初步分析。長期以來，西部某市供水管網系統主要由鑄鐵管管材構成，而且以往西部某市輸配水管網系統輸送的水質（地下水源）相對單一、較為穩定，并在長時間輸配過程中管壁形成了穩定的腐蝕層，輸配水過程對水質的影響較小。本文主要針對西部某市水質情況，研究大規模水源切換條件下管網發生“黃水” 的風險和控制措施。

1 試驗方法

1.1 研究對象

將西部某市A、B、C、D、E、F、G 這7 個水廠水質及地表水源作為研究對象。

1.2 研究方法

選取總堿度、硫酸根、氯離子作為關鍵水質參數，計算拉森指數。除了測定水質參數，還需考慮水樣的保存和處理。在采樣、儲存和運輸過程中，需要嚴格按照標準操作規程，確保水樣原位保持原有狀態，避免外界污染或化學反應對水質造成影響。在地表水置換地下管網的過程中，測定相關水質參數是保障水質安全的關鍵步驟。合理的監測與評估方法能夠為地下管網水質的管理提供科學依據和決策支持。

1.3 實驗材料

硫酸根測定選用離子色譜儀賽默飛世爾ⅠC6000型，氯離子測定選用離子色譜儀賽默飛世爾ⅠC6000 型，總堿度測定選用滴定管。

2 結果與分析

城市給水管網系統中鐵釋放是一個非常復雜的過程，它主要受管網腐蝕、管垢結構等相互作用。影響管網中鐵釋放的主要因素有水力運行條件和水質條件，在實際管網輸送過程中，水力條件的變化是復雜、不可預見和不可避免的，但是水質條件則是易于監測的。由于收集的相關檢測數據具有一定的局限性、不穩定性和盲區，其中，地下水水質較穩定，而地表水水質相對復雜、化學性質不穩定且受外界因素影響較大，因此，收集的檢測數據僅代表該時間段內水質條件。根據給水管網中腐蝕判斷的方法，計算出給水源水結垢性及腐蝕性，為水源切換條件下管網是否產生“黃水” 提供可能性評判。

2.1 水質關鍵參數

對各個水廠及地表水源水樣的水質關鍵參數（總堿度、硫酸根、氯離子）進行逐月監測，并進行統計，水質關鍵參數具體結果如表1、表2 所示。

表1 水源切換條件下水源部分水質關鍵參數（地表水源）

表2 各水廠出廠水部分水質關鍵參數單位：mg/L

2.2 化學穩定性分析

目前，水質化學穩定性的判別指數主要包括兩大類：一類是基于碳酸鈣溶解平衡指數，常用的如朗格利爾飽和指數；另一類基于其他水質參數的指數，如拉森腐蝕指數（LR），表示水對鐵質金屬管道的腐蝕性，它能夠反映出重碳酸根、氯離子和硫酸根離子之間的關系[3]。研究表明，從水質的穩定性和腐蝕性來看，具有腐蝕性的水（LR＞1）進入地下水管網時，易發生“黃水” 現象，且鐵釋放與水的拉森指數具有顯著正相關性。水的拉森指數越高，表示該水對鐵質管道的腐蝕性越強。以此來評判水源水及出廠水（運行中）對管網腐蝕程度，以評估管網水出現“黃水” 的可能性。

該評估在現有數據的基礎上計算水源水及出廠水（運行中）Larson 比率（LR），計算公式如下：

通過對部分水質指標進行監測，可以得出水源地與各水廠（運行中）拉森腐蝕指數，詳情見表3。

表3 水源地與各水廠（運行中）水質（拉森腐蝕指數）評定結果

從表3 可以看出，目前出廠及水源水的拉森腐蝕指數均大于0.2，鑄鐵管網已造成一定的腐蝕，但是由于長期通水表面已形成致密層而處于穩定狀態。但若切換水源，由于水質、水利條件的改變，有可能會破壞原有的管垢，經過一系列化學反應形成氫氧化鐵膠體顆粒，產生“黃水” 問題。查找相關文獻資料可知，高拉森腐蝕指數的水取代低拉森腐蝕指數的水源時較易發生 “黃水”。因此，由表3 可知，地表水源的拉森腐蝕指數比A 水廠、D 水廠的指數較高，同時是B水廠、C 水廠、E 水廠、F 水廠、G 水廠、H 水廠指數的3～8 倍。從水質的穩定性和腐蝕性來看，若進行水源切換，則B 水廠、C 水廠、E 水廠、F 水廠、G 水廠所涉及管網有可能出現“黃水” 問題；A 水廠、D 水廠所涉及管網可能出現 “黃水” 問題的可能性較其他水廠小；H 水廠所涉及管網由于前期是地表水水源，已經形成了較致密的保護層，切換成地下水源后由于拉森系數僅為0.327，不會破壞原有的管垢，再進行水源切換后（切換成地表水），出現“黃水” 的可能性較小。

3 水源切換條件下管網“黃水” 的控制方法

國內對于由水源切換導致的管網 “黃水” 的控制方法均有成功案例，形成了比較成熟的技術方案，管網“黃水” 的控制主要采用控制管網腐蝕速率的機理：穩定性低的管網切換為強腐蝕性水后，新水源腐蝕性較強的水（較高硫酸根質量濃度）誘發鐵腐蝕產物釋放速率增加，同時鐵氧化菌為優勢菌，加速腐蝕，腐蝕產物大量釋放，產生 “黃水”，隨著腐蝕進行，管垢趨于穩定，鐵還原菌成優勢菌，腐蝕作用被抑制，“黃水” 消失。基于該機理，通過研究及不斷實踐，提出了水源切換時防控管網“黃水” 的綜合技術方案，詳情見表4。

表4 水源切換時防控管網黃水的綜合技術方案

由于水源切換工程未設置水源混合池（無法改變源水勾兌比例）、藥劑（磷酸鹽緩釋劑、純堿）投加及中間加氯裝置，若水源切換工程通水后出現管網“黃水” 的情況時，應把“管網應急排放沖洗” 作為首選方案。

4 結論

目前，西部某市長期以地下水水源為主，供水管網系統為鑄鐵管材，經國內大量研究表明，地下水源管垢特征為表面薄腐蝕垢層幾毫米或者不足1 mm，水源切換后管垢表面鈍化層較易被腐蝕性較強的水破壞。由于影響管網中鐵釋放的主要因素有水力運行條件和水質條件，水力條件是不可預測的，水質條件易于監測。由于前期收集的數據存在一定的局限性及盲區，本評估僅對拉森腐蝕指數進行計算分析，并結合文獻資料及國內水源切換條件下水質問題的實踐經驗，對水源切換管網出現“黃水” 進行可能性評估，結論如下。

根據統計，西部某市出廠及水源水的拉森腐蝕指數均大于0.2，鑄鐵管網已造成一定的腐蝕，但是由于長期通水表面已形成致密層而處于穩定狀態。若切換水源，由于水質、水利條件的改變，有可能會破壞原有的管垢。

根據查找相關文獻資料可知，高拉森腐蝕指數的水取代低拉森腐蝕指數的水源時較易發生 “黃水”。因此，從水質的穩定性和腐蝕性來看，若進行水源切換，則B 水廠、C 水廠、E 水廠、F 水廠、G 水廠所涉及管網有可能會出現“黃水” 問題，A 水廠、D 水廠所涉及管網出現“黃水” 問題的可能性較其他水廠小。

H 水廠所涉及管網由于前期是地表水水源，已經形成了較致密的保護層，切換成地下水源后由于拉森系數僅為0.327，將不會破壞原有的管垢，再進行水源切換后（切換成地表水），出現 “黃水” 的可能性較小。

結合文獻資料可知，若出現管網 “黃水” 不進行干預處理，這一現象將持續到管壁表面形成新的穩定表面層，“黃水” 才會消失，則持續時間會長，且時間不定。當原有管垢平衡被破壞后，即使將水質恢復至原有水質，“黃水” 問題仍然會持續一段時間，建立新的平衡時間較長（數日甚至數月）。

水源切換工程未設置水源混合池、藥劑（純堿、磷酸鹽緩沖劑）投加及中間加氯裝置，通水后若出現管網“黃水” 的情況時，應把“管網應急排放沖洗”作為首選方案。如果仍不能解決 “黃水” 問題，應組織專業人員進行查明原因，以便提出最有效的解決方案。

根據管網“黃水” 產生機理， 影響管網中鐵釋放的主要因素為水力運行條件和水質條件，雖然水質條件易于監測，但是水力條件復雜多變、不可預測，且水質數據收集存在一定的局限性，因此本評估僅根據拉森腐蝕指數判斷管網“黃水” 出現的可能性。