水泥砂浆内衬管通水初期对水质的影响及应对措施
水泥砂浆内衬管通水初期对水质的影响及应对措施
孙俊峰，康雅
(郑州自来水投资控股有限公司，河南 郑州 450007)
摘要：某市自来水公司完成某路段球墨铸铁管管网施工通水后，该管网下游部分区域自来水烧开后呈现长时间白色浑浊现象，为此结合该时段施工情况对水泥砂浆内衬管（特别是离心方式涂覆内衬的管道）通水初期对供水水质的影响进行了研究，并应用水力模型对污染物扩散规律进行模拟，提出了保障水质安全的相应措施，可为新建管道的运行维护提供参考。
2011年8月，为配合某市京沙快速路全线改造，自来水公司对沙口路沿线进行了一系列的管网施工，铺设管材为球墨铸铁管。新管网碰头通水后，改造区域末端附近部分用户反映自来水烧开出现白色浑浊现象，为单一、均匀、稳定的白色乳浊液，不透亮，放置数小时也不沉淀。该现象持续半月左右，影响范围较大，为此该市供水企业迅速展开了排查，对水质白浊现象的形成机理及扩散规律进行研究，最终锁定污染源为该区域上游新铺设球墨铸铁管的水泥砂浆内衬。为确定其具体影响，针对该市目前常用的3种球墨铸铁管水泥砂浆内衬，通过浸泡试验对其供水水质安全性进行了评价，并利用水力模型对污染物扩散规律和控制措施进行了模拟。
1 试验材料与方法
1.1 试验水质
参考《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》（GB/T17219—1998）配制试验用浸泡水，方法如下：取25 mL碳酸氢钠缓冲液（0.04mol/L）、25 mL钙硬度贮备液（0.04 mol/L）以及所需的氯贮备液（0.025 mol/L），用纯水稀释至1 L。按此比例配制实际所需的浸泡水。试验用浸泡水水质如下：pH值为8.55，浊度为1.04 NTU，铝含量为0.035 mg/L，CODMn为1.04 mg/L，SiO2含量为22.99 mg/L，三氯甲烷含量为0.06 mg/L，溶解性总固体含量为265 mg/L。
1.2 试验材料
选用该市自来水公司施工常用的3种球墨铸铁管（均为离心方式涂覆内衬的管道）作为试验管材，分别编号为A、B和C，管材规格统一为DN100，长度为1 m。
1.3 试验方法
用自来水将3种试验管材清洗干净，并连续冲洗30 min，然后用浸泡水立即进行浸泡。采用静态浸泡法，将配制好的浸泡水灌入试验管材，两端用包裹聚四氟乙烯薄膜的橡胶塞封堵。浸泡试验共进行30 d，分别于第1、6、12、18、24、30天取样进行水质分析。
2 浸泡试验结果与讨论
2.1 铝含量
图1为3种管材浸泡水中铝含量的变化趋势。可以看出，浸泡1 d后，A、B、C管材浸泡水中的铝含量分别为0.055、0.144、0.266 mg/L；随着浸泡时间的增加，3种管材浸泡水都存在不同程度的铝溶出加剧现象，B管材最严重，C管材次之，A管材相对溶出最少。
图1 3 种管材浸泡水中的铝含量变化
2.2 pH值
图2为3种管材浸泡水的pH值变化情况。可知，浸泡1 d后，A、B、C管材浸泡水的pH值分别为8.46、9.92、8.71，A、C管材基本满足《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》的要求（不改变pH值），B管材不满足标准要求；随着浸泡时间的增加，3种管材浸泡水的pH值都急剧升高，浸泡12 d后趋于平缓，但3种管材均超标，其中B管材浸泡水的pH值增加量最大，为3.02。
图2 3种管材浸泡水的pH值变化
2.3 二氧化硅含量
图3为3种管材浸泡水中二氧化硅含量的变化趋势。可以看出，B管溶出最明显，浸泡12 d后溶出量达到峰值，二氧化硅含量高达148 mg/L，增幅明显；A管的二氧化硅溶出量最少。
图3 3种管材中浸泡水二氧化硅含量变化趋势
综上可知，3种管材内衬中铝和二氧化硅存在共性析出现象，碱性物质析出导致水中pH值升高。已有研究发现，硅对铝的沉积有很大影响，硅和铝在溶液中可形成亚稳态的硅铝酸盐，这种物质的溶解度较小。随着水中硅含量的增加，溶解性铝含量下降，形成硅和铝的复合物，此物质沉积速率较小，是水中白浊现象相对稳定的主要原因。
3 施工原因分析
管网水质出现白浊问题期间，恰逢该市京沙快速路全线改造，自来水公司对沙口路沿线进行了一系列的管网施工。选取距离问题区域最近的一组施工碰头进行分析，如图4所示。可以看出，沙口路与兴隆铺路交叉口以北区域的一段DN300管段为枝状管网末梢，容易产生死水区域。从7月底施工结束到8月14日碰头通水，末梢存水的停留时间超过15 d。两条管段碰头后，兴隆铺管段水流方向发生了改变，沙口路北部末端死头水可能进入管网，污染水质随水流扩散，进入用户龙头。通过查询施工报告，确定此DN300管段全长为500 m，所用管材正是上述浸泡试验中管道内壁物质溶出最显著的B管材。由此推断该区域管段经长时间浸泡后，管材内壁溶出的金属离子和碱性物质正是此次管网水质白浊问题的污染源。
图4 沙口路—兴隆铺路碰头示意
为验证前期试验结果，以郑州市现状水力模型为基础，对软件水力追踪和水质模拟功能进行开发及应用，通过对管网污染物入侵源头追踪、扩散方式模拟、影响范围预测等方面进行研究，制定开关阀门、调流调压、管网放水等一系列措施，完善控制预案，提高应急能力，为公司规范和完善管网施工、维护、检修等系列工作流程，及制定相应管理规定提供技术支持。两条管段碰头后，兴隆铺管段中的水流方向发生了改变，可能会使管垢中的沉积物被冲起而导致下游管段的水体污染。以沙口路—兴隆铺路节点为污染源，预测污染物扩散区域，结果见图5。可知，该节点的污染源扩散影响区域和事故区域大致吻合。对污染物扩散路径及时间进一步模拟，结果表明，污染水体沿着兴隆铺路—南阳路—北三环—长兴路进行扩散，从起点兴隆铺路与沙口路交口开始，经4 h后到达南阳路，8 h后到达长兴路，而后进入居民较为集中的区域，16 h后扩散区域基本稳定。
图5 沙口路—兴隆铺路节点污染物扩散范围
4控制措施模拟
根据水力模型的模拟结果，可针对性地制定一系列控制措施。分析事故区域的管网情况，该区域输水管为一条DN600管道，配水管网则以DN200管为主，用水量约为1.4×104 m3/d，用水量较小，以居民用水为主。该区域管网情况及流向见图6。
图6 事故区域管网情况
由污染物扩散路径及扩散时间模拟结果可知，在该区域污染物扩散速度较慢，如发现及时，非常有利于在前期进行阀门控制。关闭该区域向下游的阀门，阻止污染物向下游扩散，在已扩散区域进行控制。由于该区域流速较低，用户需水量也较小，因此应在该区进行死头放水，增大管道内流速及用水量，加快污染水的流出。
根据图6中的扩散路径，可在不同的时段选择不同的位置进行阀门控制，如图7所示。
图7 不同时段的阀门控制措施
由图7可知，在不同的扩散阶段，采用不同的控制位置。在事故发生4 h之内进行控制，则主要发生在输水管，此时，只需要进行阀门控制，放掉污染水，即可避免进入用户，下游区域用水可通过北三环输水管由中法水厂供给，用水可不受影响。如果超过4 h且在6 h之内，用水会到达部分用户家里，但此时并未有大面积扩散，在图示位置进行阀门控制，结合消火栓放水，也可有效控制污染水扩散，使下游用水不受影响。当超过6 h之后，用水扩散至长兴路，此时再进行阀门控制，则会阻断北环输水管向下游区域供水，造成下游区域的停水事故，因此，只能通过管网末端的消火栓放水措施来进行污染水的处理。
该案例为发生在靠近供水管网末端的水质污染事故，事故发生管段的流速非常低，供水区域以居民用水为主，用水量较小，造成了污染水在管网中长时间存留，从而使事故持续时间长，对供水企业造成了较为严重的影响。而事故发生点的压力变化与水力波动是造成污染源不稳定的主要原因，才会有自来水问题的反复与不规律发生。对问题水质的处理主要采用阀门调控与管网放水相结合的控制措施，为确保控制措施的时效性，建议在新铺设管网正式通水前应制定详细的污染水质扩散的控制预案，以确保出现水质问题后能够及时采取措施，避免事态的发展，确保供水水质安全。
5 结论
① 新铺设的球墨铸铁管运行初期，均会发生不同程度的pH值升高以及铝、硅、钙、镁等物质溶出的现象，运行12 d后基本恢复正常。因此在球墨铸铁管实际施工过程中，要严格规范冲刷消毒流程，尽量避免新铺设管网长期浸泡现象的发生。
② 此次水质变化是由于水泥砂浆内衬长时间浸泡并且死水回灌引起的，供水企业今后在新铺设管网正式通水前应制定详细的污染水质扩散的控制预案，以确保出现水质问题后能够及时采取措施，避免事态的发展，确保供水水质安全。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第7期“技术总结”栏目）
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