水泥砂漿內(nèi)襯管通水初期對水質(zhì)的影響及應對措施

孫俊峰，康雅

(鄭州自來水投資控股有限公司，河南 鄭州 450007)

摘要：某市自來水公司完成某路段球墨鑄鐵管管網(wǎng)施工通水后，該管網(wǎng)下游部分區(qū)域自來水燒開后呈現(xiàn)長時間白色渾濁現(xiàn)象，為此結(jié)合該時段施工情況對水泥砂漿內(nèi)襯管（特別是離心方式涂覆內(nèi)襯的管道）通水初期對供水水質(zhì)的影響進行了研究，并應用水力模型對污染物擴散規(guī)律進行模擬，提出了保障水質(zhì)安全的相應措施，可為新建管道的運行維護提供參考。

2011年8月，為配合某市京沙快速路全線改造，自來水公司對沙口路沿線進行了一系列的管網(wǎng)施工，鋪設(shè)管材為球墨鑄鐵管。新管網(wǎng)碰頭通水后，改造區(qū)域末端附近部分用戶反映自來水燒開出現(xiàn)白色渾濁現(xiàn)象，為單一、均勻、穩(wěn)定的白色乳濁液，不透亮，放置數(shù)小時也不沉淀。該現(xiàn)象持續(xù)半月左右，影響范圍較大，為此該市供水企業(yè)迅速展開了排查，對水質(zhì)白濁現(xiàn)象的形成機理及擴散規(guī)律進行研究，最終鎖定污染源為該區(qū)域上游新鋪設(shè)球墨鑄鐵管的水泥砂漿內(nèi)襯。為確定其具體影響，針對該市目前常用的3種球墨鑄鐵管水泥砂漿內(nèi)襯，通過浸泡試驗對其供水水質(zhì)安全性進行了評價，并利用水力模型對污染物擴散規(guī)律和控制措施進行了模擬。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗水質(zhì)

參考《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》（GB/T17219—1998）配制試驗用浸泡水，方法如下：取25 mL碳酸氫鈉緩沖液（0.04mol/L）、25 mL鈣硬度貯備液（0.04 mol/L）以及所需的氯貯備液（0.025 mol/L），用純水稀釋至1 L。按此比例配制實際所需的浸泡水。試驗用浸泡水水質(zhì)如下：pH值為8.55，濁度為1.04 NTU，鋁含量為0.035 mg/L，COD_Mn為1.04 mg/L，SiO₂含量為22.99 mg/L，三氯甲烷含量為0.06 mg/L，溶解性總固體含量為265 mg/L。

1.2 試驗材料

選用該市自來水公司施工常用的3種球墨鑄鐵管（均為離心方式涂覆內(nèi)襯的管道）作為試驗管材，分別編號為A、B和C，管材規(guī)格統(tǒng)一為DN100，長度為1 m。

1.3 試驗方法

用自來水將3種試驗管材清洗干凈，并連續(xù)沖洗30 min，然后用浸泡水立即進行浸泡。采用靜態(tài)浸泡法，將配制好的浸泡水灌入試驗管材，兩端用包裹聚四氟乙烯薄膜的橡膠塞封堵。浸泡試驗共進行30 d，分別于第1、6、12、18、24、30天取樣進行水質(zhì)分析。

2 浸泡試驗結(jié)果與討論

2.1 鋁含量

圖1為3種管材浸泡水中鋁含量的變化趨勢�？梢钥闯觯�浸泡1 d后，A、B、C管材浸泡水中的鋁含量分別為0.055、0.144、0.266 mg/L；隨著浸泡時間的增加，3種管材浸泡水都存在不同程度的鋁溶出加劇現(xiàn)象，B管材最嚴重，C管材次之，A管材相對溶出最少。

圖1 3 種管材浸泡水中的鋁含量變化

2.2 pH值

圖2為3種管材浸泡水的pH值變化情況�？芍�，浸泡1 d后，A、B、C管材浸泡水的pH值分別為8.46、9.92、8.71，A、C管材基本滿足《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》的要求（不改變pH值），B管材不滿足標準要求；隨著浸泡時間的增加，3種管材浸泡水的pH值都急劇升高，浸泡12 d后趨于平緩，但3種管材均超標，其中B管材浸泡水的pH值增加量最大，為3.02。

圖2 3種管材浸泡水的pH值變化

2.3 二氧化硅含量

圖3為3種管材浸泡水中二氧化硅含量的變化趨勢。可以看出，B管溶出最明顯，浸泡12 d后溶出量達到峰值，二氧化硅含量高達148 mg/L，增幅明顯；A管的二氧化硅溶出量最少。

圖3 3種管材中浸泡水二氧化硅含量變化趨勢

綜上可知，3種管材內(nèi)襯中鋁和二氧化硅存在共性析出現(xiàn)象，堿性物質(zhì)析出導致水中pH值升高。已有研究發(fā)現(xiàn)，硅對鋁的沉積有很大影響，硅和鋁在溶液中可形成亞穩(wěn)態(tài)的硅鋁酸鹽，這種物質(zhì)的溶解度較小。隨著水中硅含量的增加，溶解性鋁含量下降，形成硅和鋁的復合物，此物質(zhì)沉積速率較小，是水中白濁現(xiàn)象相對穩(wěn)定的主要原因。

3 施工原因分析

管網(wǎng)水質(zhì)出現(xiàn)白濁問題期間，恰逢該市京沙快速路全線改造，自來水公司對沙口路沿線進行了一系列的管網(wǎng)施工。選取距離問題區(qū)域最近的一組施工碰頭進行分析，如圖4所示�？梢钥闯�，沙口路與興隆鋪路交叉口以北區(qū)域的一段DN300管段為枝狀管網(wǎng)末梢，容易產(chǎn)生死水區(qū)域。從7月底施工結(jié)束到8月14日碰頭通水，末梢存水的停留時間超過15 d。兩條管段碰頭后，興隆鋪管段水流方向發(fā)生了改變，沙口路北部末端死頭水可能進入管網(wǎng)，污染水質(zhì)隨水流擴散，進入用戶龍頭。通過查詢施工報告，確定此DN300管段全長為500 m，所用管材正是上述浸泡試驗中管道內(nèi)壁物質(zhì)溶出最顯著的B管材。由此推斷該區(qū)域管段經(jīng)長時間浸泡后，管材內(nèi)壁溶出的金屬離子和堿性物質(zhì)正是此次管網(wǎng)水質(zhì)白濁問題的污染源。

圖4 沙口路—興隆鋪路碰頭示意

為驗證前期試驗結(jié)果，以鄭州市現(xiàn)狀水力模型為基礎(chǔ)，對軟件水力追蹤和水質(zhì)模擬功能進行開發(fā)及應用，通過對管網(wǎng)污染物入侵源頭追蹤、擴散方式模擬、影響范圍預測等方面進行研究，制定開關(guān)閥門、調(diào)流調(diào)壓、管網(wǎng)放水等一系列措施，完善控制預案，提高應急能力，為公司規(guī)范和完善管網(wǎng)施工、維護、檢修等系列工作流程，及制定相應管理規(guī)定提供技術(shù)支持。兩條管段碰頭后，興隆鋪管段中的水流方向發(fā)生了改變，可能會使管垢中的沉積物被沖起而導致下游管段的水體污染。以沙口路—興隆鋪路節(jié)點為污染源，預測污染物擴散區(qū)域，結(jié)果見圖5。可知，該節(jié)點的污染源擴散影響區(qū)域和事故區(qū)域大致吻合。對污染物擴散路徑及時間進一步模擬，結(jié)果表明，污染水體沿著興隆鋪路—南陽路—北三環(huán)—長興路進行擴散，從起點興隆鋪路與沙口路交口開始，經(jīng)4 h后到達南陽路，8 h后到達長興路，而后進入居民較為集中的區(qū)域，16 h后擴散區(qū)域基本穩(wěn)定。

圖5 沙口路—興隆鋪路節(jié)點污染物擴散范圍

4控制措施模擬

根據(jù)水力模型的模擬結(jié)果，可針對性地制定一系列控制措施。分析事故區(qū)域的管網(wǎng)情況，該區(qū)域輸水管為一條DN600管道，配水管網(wǎng)則以DN200管為主，用水量約為1.4×10⁴ m³/d，用水量較小，以居民用水為主。該區(qū)域管網(wǎng)情況及流向見圖6。

圖6 事故區(qū)域管網(wǎng)情況

由污染物擴散路徑及擴散時間模擬結(jié)果可知，在該區(qū)域污染物擴散速度較慢，如發(fā)現(xiàn)及時，非常有利于在前期進行閥門控制。關(guān)閉該區(qū)域向下游的閥門，阻止污染物向下游擴散，在已擴散區(qū)域進行控制。由于該區(qū)域流速較低，用戶需水量也較小，因此應在該區(qū)進行死頭放水，增大管道內(nèi)流速及用水量，加快污染水的流出。

根據(jù)圖6中的擴散路徑，可在不同的時段選擇不同的位置進行閥門控制，如圖7所示。

圖7 不同時段的閥門控制措施

由圖7可知，在不同的擴散階段，采用不同的控制位置。在事故發(fā)生4 h之內(nèi)進行控制，則主要發(fā)生在輸水管，此時，只需要進行閥門控制，放掉污染水，即可避免進入用戶，下游區(qū)域用水可通過北三環(huán)輸水管由中法水廠供給，用水可不受影響。如果超過4 h且在6 h之內(nèi)，用水會到達部分用戶家里，但此時并未有大面積擴散，在圖示位置進行閥門控制，結(jié)合消火栓放水，也可有效控制污染水擴散，使下游用水不受影響。當超過6 h之后，用水擴散至長興路，此時再進行閥門控制，則會阻斷北環(huán)輸水管向下游區(qū)域供水，造成下游區(qū)域的停水事故，因此，只能通過管網(wǎng)末端的消火栓放水措施來進行污染水的處理。

該案例為發(fā)生在靠近供水管網(wǎng)末端的水質(zhì)污染事故，事故發(fā)生管段的流速非常低，供水區(qū)域以居民用水為主，用水量較小，造成了污染水在管網(wǎng)中長時間存留，從而使事故持續(xù)時間長，對供水企業(yè)造成了較為嚴重的影響。而事故發(fā)生點的壓力變化與水力波動是造成污染源不穩(wěn)定的主要原因，才會有自來水問題的反復與不規(guī)律發(fā)生。對問題水質(zhì)的處理主要采用閥門調(diào)控與管網(wǎng)放水相結(jié)合的控制措施，為確�？刂拼胧┑臅r效性，建議在新鋪設(shè)管網(wǎng)正式通水前應制定詳細的污染水質(zhì)擴散的控制預案，以確保出現(xiàn)水質(zhì)問題后能夠及時采取措施，避免事態(tài)的發(fā)展，確保供水水質(zhì)安全。

5 結(jié)論

① 新鋪設(shè)的球墨鑄鐵管運行初期，均會發(fā)生不同程度的pH值升高以及鋁、硅、鈣、鎂等物質(zhì)溶出的現(xiàn)象，運行12 d后基本恢復正常。因此在球墨鑄鐵管實際施工過程中，要嚴格規(guī)范沖刷消毒流程，盡量避免新鋪設(shè)管網(wǎng)長期浸泡現(xiàn)象的發(fā)生。

② 此次水質(zhì)變化是由于水泥砂漿內(nèi)襯長時間浸泡并且死水回灌引起的，供水企業(yè)今后在新鋪設(shè)管網(wǎng)正式通水前應制定詳細的污染水質(zhì)擴散的控制預案，以確保出現(xiàn)水質(zhì)問題后能夠及時采取措施，避免事態(tài)的發(fā)展，確保供水水質(zhì)安全。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第7期“技術(shù)總結(jié)”欄目）

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