北京延庆地区供水系统安全性评价与风险评估

·研究与探讨·

北京延庆地区供水系统安全性评价与风险评估

潘俊杰　张　磊　李　辉　王海波

（北京市自来水集团有限责任公司，北京 100031）

摘要：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。本文根据前期研究中提出的水质差异度模型和管网腐蚀性判别指数，在延庆城区各小区截取典型区域管段开展水源切换试验，摸索水源切换后管网水质变化规律，根据水源切换试验结果，提出延庆城区水源切换后“黄水”的风险等级并进行管网水质风险评估。

关键词：延庆地下水；白河堡水库；WQCR；WQDI；“黄水”风险

安全卫生的饮用水受多方面因素的影响，如水源、水处理工艺、消毒以及管网输配等，每一个环节对饮用水的安全都起着至关重要的作用[1]。延庆地区作为未来世园会、冬奥会的举办地，将成为展示国家和首都发展成就及形象的窗口，饮用水的品质也成为这两项盛会服务和保障工作中的重要一环。目前延庆城区饮用水源为地下水，为保障世园会、冬奥会顺利举行并进一步保障延庆地区饮用水安全，延庆水务局新建了一座地表水厂，以白河堡水库水为水源，建成通水后延庆地区管网将由地下水切换为地表水。

早在“十一五”期间北京市自来水集团就开展了水源切换条件下管网“黄水”现象的相关研究，研究发现水源切换是导致水质化学成分发生变化的重要原因之一[2]。根据资料显示，截止到2015年末，延庆城区实有管线供水长度为174270.2m，其中铸铁管69594.3m约占39.9%。小区内供水管道多以DN75~DN100为主，由于夜间用水量少，自来水在管道中停留时间长，很容易出现“黄水”现象。

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随着未来延庆地表水厂的运行，现行管网切换为地表水源后的水质稳定性、配水管网的水质变化情况等一系列问题都对延庆地区供水系统形成巨大的挑战。本文试图运用两个管网水质腐蚀性判定指标——水质腐蚀性判定指数(∆WQCR)和水质差异度指数（WQDI），对延庆地区水源切换后管网水质的稳定性进行分析，并作出延庆地区管网水质的风险评估。

1.延庆地区水源切换后管网“黄水”风险初步预测

利用水质腐蚀性判断指数和水质差异度指数初步判断水源切换之后“黄水”风险可以大大提高供水系统的安全性。延庆地区大规模切换地表水源之前，对延庆城区内各小区进行取水测试，考察各小区楼前干管水的氯化物、硫酸盐、盐、碱度、硬度、余氯与溶解氧等指标，通过计算两个管网水质腐蚀性判定指标——水质腐蚀性判定指数（∆WQCR）和水质差异度指数（WQDI），延庆城区水源切换之后“黄水”风险确实存在。

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1.1管网水质腐蚀性判定指标-WQCR

综合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：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，可发生还原反应使三价铁被还原[3]。高氯化物、高硫酸盐、高盐条件下[4~5]会促进溶解和提高电子、离子迁移速率，可以促进管网腐蚀和管网腐蚀产物释放。高碱度和高pH条件下，可以抑制管网管垢的进一步释放。高硬度条件下，容易在管垢上形成保护膜，阻碍管垢中铁的释放。

将上述水质参数的作用在表1-1中归为三组表示。

表1-1 　不同水质参数分组

分组水质参数作用

第一组

溶解氧、余氯

氧化剂，抑制管网腐蚀产物释放

第二组

氯化物、硫酸盐、提高电子、离子迁移速率，促进管

盐网腐蚀进行和管网腐蚀产物释放第三组

碱度、硬度

促进致密壳层形成，抑制管网腐蚀

产物释放

我们根据拉森指数（LR）的各项参数，通过实验提出了水质腐蚀性判断指数（WQCR）的计算公式：

WQCR [≟󰥆⢙]󰀟[⺛䞨ⴀ]󰀟[⺍䞨ⴀ][⻡󱓖][ⓦ䀓≗󰀟󰖉≟]式中各离子浓度均以mol/L计。

利用WQCR公式可以计算不同水源条件下，不同供水管段的WQCR值，对比水源切换前后两种不同水源WQCR值的大小，可以判断不同风险等级：

∆WQCR=WQCR白河堡-WQCR本地CITY AND TOWN WATER SUPPLY

2015年南水北调水源进京之前，我们选择了北京市区和郊区不同供水区域，通过水质腐蚀性判断指数（WQCR）的计算确定了水源切换前后产生“黄水”风险的程度，制定了“黄水”风险等级判定标准如表1-2所示。

表1-2　水源切换前后”黄水“风险等级划分标准

∆WQCR风险等级黄水风险

<0.20

五级

管内停滞4小时内本地水源未超标，

（绿色）

切换水源之后未超标，且程度减弱或

不变

0.2~0.4

四级

管内停滞4小时内本地水源未超标，

（蓝色）

切换水源之后未超标，但总铁有升高

的趋势0.4~0.6

三级管内停滞4小时内本地水源未超标，

（黄色）

切换水源之后有超标现象

0.6~1.0

二级

管内停滞4小时本地水源出现超标现

（橙色）

象，切换水源之后依然超标，但超标

程度有减弱趋势

>1.0

一级管内停滞超过4小时本地水源出现超（红色）标现象，切换水源之后超标现象加剧

1.2 城区WQCR预测结果分析

按WQCR公式计算城区34个试验点的WQCR本底、WQCR白河堡和△WQCR，按各试验点结果汇总见表1-3。△WQCR为白河堡水与地下水源井WQCR的差值，△WQCR的值越小，表明白河堡水的腐蚀性相比城北地区水越低，即切换白河堡水后越不易发生“黄水”；反之，△WQCR的值越大，发生“黄水”的风险增大。由表可见，△WQCR的值范围为0.13~0.73，按表1-2“黄水”发生风险划分结果如下：

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CITY AND TOWN WATER SUPPLY表1-3　34个试验点水质腐蚀性及“黄水”发生风险预测取水点WQCR(本地）(WQCR白河堡）△WQCR风险级别YAJ0.09 0. 0.45 3 KA0.09 0. 0.45 3 BGN0.09 0. 0.45 3 NC20.22 0.88 0.67 2 YAD0.09 0.55 0.46 3 WQXY0.11 0.71 0.59 3 SJHF0.14 0.68 0. 3 WQDN0.14 0.77 0.63 2 GSEB0.10 0.56 0.46 3 GSEN0.12 0.65 0.53 3 GSY0.10 0.58 0.48 3 GTB0.11 0.67 0.56 3 WQX0.09 0.55 0.46 3 SFY0.09 0.55 0.46 3 XY0.09 0.56 0.46 3 SL0.15 0.71 0.56 3 XSL0.19 0.82 0.63 2 HAB0.19 0.90 0.71 2 HAN0.09 0.53 0.44 3 CBX0.10 0.57 0.47 3 SHYX0.11 0.58 0.47 3 SSRC0.22 0.95 0.73 2 TA0.18 0.82 0. 2 XYJY0.08 0.52 0.43 3 CBD0.13 0.74 0.61 2 SSY0.10 0.57 0.47 3 DW0.10 0.58 0.48 3 SHYD0.11 0.58 0.47 3 HB0.24 0.84 0.60 2 DGX0.16 0.74 0.58 3 GTN0.10 0. 0.45 3 XXX0.12 0.66 0.53 3 XY0.09 0.56 0.47 3 XXD0.17 0.82 0.65 2 1.3管网水质差异度判定指标-WQDI

分析水源切换后化学平衡是否被破坏需分析管壁内腐蚀层结垢与新水源水质间的化学反应情况来

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确定。受管壁内腐蚀层取样分析的，且该反应复杂且影响因素多，直接分析难度较大，我们可间接的通过比较长期输送水与输送新水源间水质参数的差异来反映化学平衡是否被破坏。

将包括溶解氧、pH、氯化物等9项参数均纳入计算，综合比较白河堡与其它试验点水质的差异度，具体计算公式如下：

其中：n=9；

Xn（n=1-9）：分别代表某一试验点的水质参数（溶解氧、pH、氯化物、硫酸盐、碱度、盐、硬度、溶解性总固体、电导率）；

Yn（n=1-9）：分别代表白河堡的水质参数（溶解氧、pH、氯化物、硫酸盐、碱度、盐、硬度、溶解性总固体、电导率）。

对不同的参数进行优化差异度的计算。因各试验点及白河堡水的pH值相对碱度的范围变化较小，因此在计算中暂不计入pH的影响，而计入碱度的影响。其次，为了把氯化物、硫酸盐和碱度变化对管网腐蚀产物释放的促进或抵制的影响计入，将上述三项水质参数用判断腐蚀性的拉森指数代替。另外，因溶解性总固体和电导率均代表水中溶解物质的总和，与氯化物、硫酸盐、碱度、盐和硬度等参数有重复，因此不纳入计算。

对于各水质参数的权重设定，参照回归模型方法，通过计算得到出水铁浓度。对于DO、LR、盐和硬度回归方程，各水质参数的系数分别为0.742、0.079、0.131和0.065，将上述系数的值作为计算差异度所赋的权重。

最后，计算试验点与白河堡水质的综合差异度

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的具体计算公式为：

其中：χ1、χ2、χ3、χ4、为相应参数的权重。差异度表示为白河堡水与本地水水质的差异大小，差异度的值越小，表明白河堡水的水质与本地水越相近，即切换白河堡水后越不易发生“黄水”；反之，差异度的值越大，切换白河堡水后发生“黄水”风险越大。

1.4 城区WQDI预测结果分析

溶解氧、盐与氯化物、硫酸盐、碱度、硬度相比，在数值上小两个数量级，在计算差异度前，首先按极值法对原始水质数据进行标准化，将各参数的取值范围统一到0~1之间，以消除数据数量级的影响。

按差异度公式计算城区34个试验点的WQDI，按各试验点结果汇总见表1-4，“黄水”发生风险从高至低划分5个风险等级，以1（红色）、2（橙色）、3（黄色）、4（蓝色）、5（绿色）表示，级别划分标准为差异度 < 0.20、0.20 ≤ 差异度 < 0.3、0.3 ≤ 差异度 < 0.4、0.4 ≤ 差异度 < 0.5、差异度 ≥ 0.5。（见表1-4）

2.水源切换管网水质变化规律

选取延庆城区现役供水管段进行水源切换试验，采用实时通水、静态浸泡相互交替模式，模拟居民正常用水规律，试验将水箱内的切换水源通入试验管段，分析停留0、2、4、6小时出水总铁等指标的变化情况，对管网“黄水”发生的综合风险预测结果进行验正。

试验点的管段为DN100铸铁管，用次氯酸钠消毒，试验点供水水源为抽取深井水到二次配水，补压井补水，管网点的游离氯为0.06mg/L。切换水源

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表1-4 34个试验点水质差异度及“黄水”发生风险预测

取水点

差异度风险级别

YAJ0.40 2KA0.41 2BGN0.39 3NC20.34 3YAD0.41 2WQXY0.37 3SJHF0.39 3WQDN0.37 3GSEB0.37 3GSEN0.33 3GSY0.37 3GTB0.37 3WQX0.37 3SFY0.39 3XY0.43 2SL0.35 3XSL0.35 3HAB0.45 2HAN0.48 2CBX0.44 2SHYX0.46 2SSRC0.34 3TA0.35 3XYJY0.43 2CBD0.42 2SSY0.44 2DW0.44 2SHYD0.44 2HB0.39 3DGX0.33 3GTN0.43 2XXX0.44 2XY0.43 2XXD

0.46

2

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为地表水厂活性炭池出水，加入次钠后与原管段通水方向一正一反两种流向通入两条平行试验管段。

城区选取某小区楼前管进行现场试验，切换地表水后不同停留时间出水的总铁、浊度的变化情况见图2-1和图2-2。

图2-1 试验管段通水后铁变化情况

切换地表水后，出水的游离氯和总氯随停留时间的延长而降低，由图2-1可知，水停留时间4h时出水总铁即不达标，浊度波动比较明显，反向通水的出水指标波动更大，总铁、浊度均超过《生活饮用水卫生标准》（GB79-2006）中的限值（浊度1.0 NTU，总铁0.3 mg/L）；切换水源后80d左右时取泡管4h的水浊度和总铁仍未达到稳定的趋势。试验结果表明，该试验点管段切换为地表水源后存在发生“黄水”的风险，通水水力条件改变时发生“黄水”的风险可能加剧。

图2-2 试验管段通水后浊度变化情况

城区水厂出厂水的各项水质指标是：氯化物6.17~27.18mg/L、硫酸盐8.46~27.24 mg /L、碱度

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195-285mg /L、硬度172-330 mg /L。地表水源的上述四项水质指标分别为：氯化物17.0 mg /L、硫酸盐50 mg/L、碱度125 mg /L、硬度150 mg /L。地表水水源中促进腐蚀的氯化物与城区补压井水均值相差不大，硫酸盐浓度更高，其碱度和硬度较城区水源井更低，造成切换地表水水源后初期出现“黄水”的可能。小区管垢特征及组成如表2-1：

表2-1　试验管段管垢组成

白

样品点管径

针铁矿菱铁矿

磁铁矿方解石

α-FeO(OH)FeCO3FeO

石英云3

4

石

小区DN100

18%

14%

7%17%31%13%

磁铁矿（Fe3O4）和针铁矿（α-FeOOH）较城北低，分别为7%、18%，内壁覆盖有薄层管垢，未发现不稳定成分纤铁矿成分。

3.验正后的“黄水”风险等级

参依次标记为：红、橙、黄、蓝、绿。标识城区供水管网中管径DN 200以下的小照两种预测方法的风险等级划分方式，将“黄水”风险5个等级从高到低区楼前管，根据供水区域，以水源切换试验结果与预测模型两种预测手段相结合，对延庆城区各小区“黄水”风险等级进行了验正，并根据验正结果绘制了延庆地区“黄水”风险区域，如下图3-1所示。

图3-1 验正后的延庆城区各小区“黄水”风险等级

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4.结论与建议

对于北京市延庆城区原地下水供水区域，如改用白河堡水库水源供水，根据管网腐蚀性判别指数和水质差异度模型判断，水源切换后造成管网“黄水”的总体风险较低。

通过水源切换试验，验证了综合判定指数的准确性，试验中考虑了水力方向改变条件这一影响因素，延庆城区各小区“黄水”风险等级如下：“黄水”发生综合风险等级为三级（黄色）共有6处，其余各处均为三级以下（绿色或蓝色）风险。

如对延庆城区原有供水区域进行水源切换，由于需要建设新的供水干管并对原有供水格局进行改造，造成原有供水管网中许多管段的流向将

发生改变，由此可能引发因沉积物被腐蚀溶解造成短期内水的浑浊问题，因此建议世园会举办之前应提前半年进行水源切换，作为发现问题、解决问题的缓冲期。

参考文献：

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（上接第36页）

表3　某市水厂出厂水三氯乙醛检测结果

样品出厂水1出厂水2出厂水3

检测结果(μg/L)

4.220.120

样品出厂水4出厂水5出厂水6

检测结果(μg/L)

2.631.0

业,2012,48(10):36-39.

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.北京:化学工

参考文献：

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3.结论

本文探究了平衡时间、平衡温度、加碱量对三氯乙醛测定结果的影响，最终测定条件为：平衡时间为20min，平衡温度为60℃，加入氢氧化钠的量为0.2mL，使用色谱柱DB-624时检出限和精密度都达到检测要求。另外，对分别采用色谱柱DB-624及HP-5检测三氯乙醛时的检出限、精密度及回收率进行了比较，结果表明二者都可以达到要求。优化后的方法适用于水中三氯乙醛的检测，可节省实验时间，提高工作效率。

作者通联：gzuwei@126.com

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