水源切换条件下管网管垢稳定性和水质腐蚀性判定指标探讨
李玉仙 王敏 李礼 赵蓓 虞睿 柴文 顾军农 林爱武
（北京市自来水集团有限责任公司技术研究院，北京100192）
由于水源水质特征的差异，不同水源切换时容易引发管网水质下降甚至出现管网“黄水”现象，从而影响供水水质安全。目前，对于预测水源切换条件下管网水质的变化还没有简单有效的判断技术指标。结合国内外管网腐蚀产物释放影响因素的分析，提出了水质腐蚀性判断指数（WQCR），并根据水源切换试验对比了WQCR、拉森指数（LR）和Langelier饱和指数（LSI）预测水源切换水质风险的准确率。结果表明，WQCR对于大型供水城市判断水源切换前后水质的稳定性具有较好的适用性，当原通水水质的WQCR<1时，管垢较为稳定，切换水源之后发生“黄水”风险较小；当原通水水质的WQCR>1时，管垢较不稳定，切换水源之后发生“黄水”风险较大。
多水源供水以及长距离跨流域调水已成为解决城市水资源短缺的重要方式。然而，不同水源切换使用时，由于水源水质特征的差异，管网内部管壁腐蚀产物层与所输送的水相之间的平衡容易遭到破坏从而导致腐蚀产物释放量增大，引发管网水质下降甚至出现管网“黄水”的现象，严重影响供水安全。
目前，对于预测水源切换条件下管网水质的变化还没有简单有效的判断技术指标。有研究曾提出利用管网管垢中磁铁矿和针铁矿的比例来判断管垢的稳定性和水源切换之后的“黄水”风险，但在实际运用过程中发现，对于大型城市供水管网，如果依据管垢稳定情况判断水源切换之后的“黄水”风险，挖取管段的工程量较大，且管垢的预处理要求较为严格，仪器检测影响因素较多，因此该指标对于预测水源切换条件下供水管网水质的稳定性具有一定的限制。本文试图探讨水质腐蚀性判断指数（WQCR）在判断管垢稳定性以及多水源切换条件下预测“黄水”风险的适用性。
1水质腐蚀性与管垢稳定性相关关系
国内外研究认为，输配管网在长期运行过程中由于腐蚀、沉积等原因在管道内壁上会形成相对稳定的、以管道腐蚀产物或沉积物为主要成分的界面层，当配水管网输送相对单一、较为稳定的水质，并在长时间输配过程中管壁形成了相对稳定的腐蚀层，而所形成管垢的特征与通水水质特性息息相关。
表1为北方某市拟以丹江口为水源的不同区域管网历史通水水质特性，其通水水质指标为取样后化验检测；表2为该区域管段管垢根据XRD检测后的主要成分分析及稳定性初步判断。从表1和表2可以看出，地表水前端管段余氯、溶解氧、硫酸根相对较高，碱度较低；地下水前端管段余氯、溶解氧相对较高，该两区域管段（管A～D和管H～I）管垢成分中以磁铁矿（Fe3O4）和针铁矿（α-FeOOH）含量较高，不稳定成分纤铁矿（γ-FeOOH）含量相对较少。相反，地表水末端管段余氯、溶解氧、硫酸根相对较低，碱度较高；地下水末端管段水中余氯相对较低，该区域管垢中不稳定成分纤铁矿含量明显增加。
为了进一步分析原通水水质和管垢稳定性的相关性，本文首先根据国内外的研究成果进一步分析影响管垢稳定性的主要因素，尝试建立基于水质腐蚀性的管垢稳定性判定指标，并通过其他水质指标的对比分析，进一步探讨根据水质腐蚀性指数来判断管网管垢稳定与否及水源切换条件下是否有水质风险的适用性。
2基于水质腐蚀性判断的管垢稳定性判定指标
2.1管网腐蚀产物释放的影响因素分析
2.1.1溶解氧及余氯浓度的影响
Sarin等提出的溶解氧影响模型表明管垢致密层作为保护层，可以防止内部铁管腐蚀和铁释放，当管网水中溶解氧或余氯浓度升高时，能够保持外层结垢不被破坏，内部的二价铁离子不会释放出来。而当溶解氧或余氯浓度降低时，内层的二价铁离子就会释放到水中。因此他们认为溶解氧和余氯是给水管网中影响铁释放的关键因素。
而Kuch机理则进一步解释了溶解氧对管垢铁释放的影响。当管网水力条件由流动转向停滞时，靠近管壁的溶解氧将会消失，此时含有三价铁的管垢为维持氧化还原平衡将继续进行还原反应。
2.1.2氯离子、硫酸根、硝酸根和碱度的影响
在缺氧或无氧的条件下，通过微生物的作用，硝酸根或硫酸根可以作为电子受体而使铁发生氧化。反应过程如下所示：
2NO3—+6H2O+10e-→N2+12OH-；
SO42-+6H2O+8e-→H2S+10OH-。
Larson和Skold于1958年研究了硫酸根和氯离子对铁制管材腐蚀的影响，认为拉森指数（LR）可由硫酸根与氯离子的和与重碳酸根的比值表示，如：
式中各离子浓度均以mol/L计。当氯离子和硫酸根离子浓度很低时，管垢钝化层仅能发生缓慢的溶解反应；当氯离子或硫酸根离子浓度较高时，这些离子可以与羟基氧化铁发生键合，增加溶解性，并通过增加离子的传递速度加速反应，造成管垢表面钝化层的破坏；在低碱度（HCO3—）条件下，很高浓度的氯离子或硫酸根离子可能发生局部水解，加速腐蚀反应。
2.1.3钙、镁硬度等的影响
水的腐蚀性和结垢性一般都是“水－碳酸盐”系统的一种行为表现。当水中的碳酸钙含量超过其饱和值时，就会出现碳酸钙沉淀，引起结垢的现象。反之，当水中的碳酸钙含量低于饱和值时，则水对碳酸钙具有溶解的能力，能够将已经沉淀的碳酸钙溶解于水中。因此，增加硬度可以延缓大多数管材的腐蚀。国内外也有通过投加石灰提高硬度和碱度，从而控制管网水腐蚀性的案例。
2.2水质腐蚀性综合判定指数的提出
综合以上国内外关于管网铁释放影响因素的研究，管网腐蚀产物释放的影响因素如下：
（1）溶解氧和余氯可以抑制老旧管网中腐蚀产物的进一步释放，低溶解氧、低余氯条件下，发生还原反应使三价铁化合物被还原。
（2）高氯离子、高硫酸根、高硝酸盐离子条件下，促进溶解和电子、离子迁移速率，因此氯离子、硫酸根、硝酸盐可以促进管网腐蚀的进行或导致管网腐蚀产物的进一步释放。
（3）低碱度、低pH条件下，促进溶解并阻碍致密壳层的形成，相反高碱度和高pH条件下，可以抑制管网管垢的进一步释放。
（4）高硬度条件下，容易在管垢上形成保护膜，阻碍管垢铁释放。
国内外管网腐蚀产物释放的前期机理研究指出了影响腐蚀产物释放的主要水质参数有：溶解氧、余氯、氯离子、硫酸根、硝酸根、碱度和硬度。为将上述水质参数整合得出评价水质腐蚀性的综合指标，首先，参照各水质参数对腐蚀产物释放的作用为促进或抑制，并结合各水质参数所起作用的相关程度，归为3组，见表3。
参考LR的公式，建立水质腐蚀性判断指数（WQCR）的计算公式。按表3中的分组，将对铁释放起促进作用的因素，如：氯离子、硫酸根、硝酸根列为分子，对铁释放起抑制作用的因素，如：碱度、硬度、溶解氧和余氯分组列为分母，同时考虑到碱度和硬度测定时有重叠，故在建立公式时忽略硬度的影响；公式设计时尝试了上述水质参数的不同组合方式，并根据试验验证其合理性，在此不再详细叙述该过程。最终确定的WQCR计算公式为：
3水质腐蚀性判断指标的应用与适用性验证
国内外研究表明，可以通过Langelier饱和指数（LSI）、Ryznar稳定指数（RSI）和拉森指数（LR）等在一定程度上基本判断管网的腐蚀和结垢倾向。传统的判断水质化学稳定性的方法主要根据水中碳酸盐系统的平衡。LSI和RSI配合使用，有助于判断水质稳定性倾向，但由于它是以单一碳酸钙的溶解平衡作为判断依据，所以在判断水质腐蚀性上有很大的局限性。水质腐蚀性判断指数（WQCR）综合考虑了水中硫酸盐、氯化物等指标和氧化剂指标的影响。
为了进一步判别WQCR的适用性，本文进行了水源切换试验，利用不同区域管段切换水源之后的风险情况，综合对比WQCR与LSI、LR指数判断水质及管垢稳定性的准确性。水源切换试验方法是：模拟不同区域管段切换为外来水源后在不同停留时间的用水条件，通过测定浊度、色度、总铁等指标的变化，考察水源切换后管网水质变化规律，以管网内停滞时间超过4～6 h且水质总铁超过0.3 mg/L或者浊度超过1 NTU两个指标超标来判断为有风险。
各指数与水源切换水质风险统计结果如表4所示。从表4中可知，C管、E管、G管及H管的LSI指数小于0，表明该管段水无形成水垢和碳酸钙沉淀的潜力，易于因溶解碳酸钙而造成管壁内原有腐蚀层的破坏，即易产生“黄水”；其他管段水LSI指数大于0，有结垢潜力（即无产生“黄水”风险），与水源切换之后风险进行对比，预测准确率为53.8%。有研究认为，LR指数可作为硫酸盐、氯离子影响下旧管内铁释放判别指标，LR增大，铁释放速率也相应升高，丹江口水的LR指数为0.36，按照切换水源前后LR指数的变化情况（如表4所示），判断切换为丹江口水源之后只有1处管段有发生“黄水”的风险，该预测准确率为46%。
通过不同区域管段的水源切换试验，发现原通水水质腐蚀性情况与管段管垢的稳定性及水源切换之后的“黄水”风险规律基本一致：
（1）当WQCR>1时，原通水管段管垢不稳定，该部分管垢在水源切换之后发生“黄水”的风险较大。
（2）当WQCR<1时，原通水管段管垢稳定，该部分管垢水源切换之后发生“黄水”的风险较小。
（3）对于地表水厂和地下水厂混合供水区域，由于原通水水质变化比较频繁，判断该部分管段稳定性与否时需要长期取样分析，根据管段长期通水水质的WQCR指数来判断管垢稳定性情况；一般来说，由于该部分区域为地表水厂和地下水厂的末梢区域，因此该部分区域的管垢一般稳定性较差，水源切换之后发生“黄水”风险较大；但是对于混水区管段，如果管径较大(如M管),说明管道中水流速较大，水的余氯和溶解氧浓度较高，对于这样的管段管垢稳定性较强。
按照如上标准判断，地表水前端管段和地下水前端管段原通水的WQCR＜1，切换水源之后无发生“黄水”风险，预测精度100%；地表水末端管段原通水的WQCR＞1，切换水源之后有发生“黄水”风险，预测准确率为100%；地表水和地下水混水区由于各水厂水压水量的变化，导致溶解氧、余氯浓度变化较大，因此预测精度较低；13个管段总预测精度为77%（见表5）。
4结论与建议
本文根据不同水质指标对管段腐蚀性的促进或抑制作用，参考LR指数，引入溶解氧和余氯等指标对管段铁释放的影响，建立了WQCR指数；利用该指数计算原通水水质的腐蚀性来判断管垢稳定性情况：当WQCR>1时，原通水管段管垢不稳定，水源切换之后发生“黄水”的风险较大；当WQCR<1时，原通水管段管垢稳定，水源切换之后发生“黄水”的风险较小。本文提出的WQCR指数判断发生“黄水”的预测准确率远高于利用LSI指数和LR指数，WQCR指数对于大型供水城市判断水源切换前后水质的稳定性具有较好的适用性。由于切换水源管网发生“黄水”的风险也与切换前后两种水源的腐蚀性指数差异有关，建议在下一步的研究中，比较水源切换前后水质腐蚀指数的变化及差异度，综合判断不同区域管段水源切换之后“黄水”风险等级。
参考文献略。
本文来自《给水排水》杂志2015年第2期。
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