CN104316665B - 一种研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备，包括用于试验的原位试验管段和可移式装置。所述的用于试验的原位试验管段是通过对供水系统的所选管段进行分离并做预连接处理得到的。所述的可移式装置包括水质参数检测装置、水质调节装置和运行装置。水质参数检测装置包括取样装置和检测装置；水质调节装置包括至少一个加药系统；运行装置用于将各装置连接起来统一设计编程实现试验所需水流状态并提供水流动所需动力。该设备可实现原位模拟，在管段所在地原位现场连接设备，模拟实际供水管网中水源水质、流态的改变，得到更准确可信、更接近实际状态的模拟数据，有利于对水源切换条件下的管网水质变化作出最合理的预测。

Description

一种研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备

技术领域

本发明属于饮用水给水管网水质的安全输配领域，尤其涉及一种研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备。

背景技术

随着社会和经济的发展，人们对于水资源特别是饮用水资源的需求日益增加。为保障饮用水出厂水质，国内外水厂根据水源情况，在常规给水处理工艺的基础上，相应的增加预处理、深度处理等工艺。但是，在出厂水达标的情况下，用户端出水仍然可能会出现浊度、色度、铁含量超标的现象。这是因为供水管网在长期运行过程中，由于腐蚀、沉积等原因在管道内壁会形成相对稳定的、以管道腐蚀产物或沉积物为主要成分的界面层(或称之为“管垢”，PipeInternalScale)。当水源改变时，水质化学成分的变化影响管壁内已有管垢的稳定性，管内输送水与管壁之间发生了复杂的物理、化学和生物反应，可能导致其中以铁为主的腐蚀产物的释放和管网水质的恶化，造成了管网水的二次污染。上世纪九十年代，美国亚利桑那州图桑市将当地地下水切换为科罗拉多河的地表水后，发生了较为严重的“黄水(RedWater)”事件。在国内，2008年，北京市为了弥补当地水资源的不足，调入异地水库地表水取代当地的地下水和地表水，在局部地区发生了较严重的“黄水”现象。

预计2014年底，北京将启用南水北调水源作为全市的供水水源，届时供水管网中的现有水源将再次切换为新水源，切换初期水质的改变会带来发生“黄水”的风险。由于北京市区原有供水管网管垢情况非常复杂，既有长期供地下水的，又有长期供地表水的，不同地区的消毒方式也不相同，不同管龄、管材等所有差异导致了切换水源时不同地点的管段发生“黄水”的风险不同，为了避免局部地区发生严重“黄水”现象，保障饮用水的安全，需要对水源切换时管网水质的变化作出合理的、准确的预测，以便并提前准备应对措施。

目前，为研究水质改变对管网腐蚀和腐蚀产物释放的影响，国内外主要采用两种类型的模拟装置。一种是管道回流反应器(Pipe-loopreactor)，由数米至数十米长度的管段连接组成，以水泵回流的方式循环运行，模拟在流动状态下的水流与管道内壁之间的相互作用，但需开挖截取现役管道，且设备体积大、能耗高。另一种是旋转挂片反应器，试验装置是在一个搅拌反应器内悬挂多个管材挂片，模拟与水长期接触的条件下挂片和水质的变化，但存在实际管段样品不易制作成挂片、反应器内的水样体积与挂片表面积的比例远大于管道实际情况的问题。

申请号为201110258380.5的中国发明专利申请公开了一种给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器和方法，该发明通过截取一段给水管网的已腐蚀管段，管段竖直放置，上下两端分别设置有机玻璃盖板，以微电机带动搅拌桨对管段内的试验用水进行搅拌，以搅拌产生的横向环流来近似模拟实际给回管道中的纵向水流流动条件，用于研究管段内壁管垢长时间接触产生的水质变化。

但是，由于供水管网的腐蚀产物生成和释放是一个复杂的反应过程，包括物理、化学、生物等多种作用，将管段切割取样带回实验室的过程中，首先在挖取时因为震动、氧化、脱水等问题，影响管道内的腐蚀产物和微生物，致使管段内的管垢发生变化，影响实验数据的可信度；其次将管段带回到实验室后，如果管段长度不够，就很难模拟实际管网中的水流状态，实际管段中的水流是轴向的，管垢在这样长期的水流方向影响下会具有一定特征，而以搅拌产生的横向环流来近似模拟实际给回管道中的纵向水流流动条件，其水流方向与原有管段里的水流方向不符，在和管垢发生化学反应时，反应速率、平衡条件会有所不同，有可能导致试验结果与实际的水质变化情况有较大差别。同时，因现役的自来水供水管网多埋于地下，管段取样需开挖地面，取样的长度和位置均会受到地面建筑物等各种客观条件限制，给管段切割取样带来了一定的困难。

因此，开发能够原位模拟水源切换的一体化设备，在解决埋地管道取样限制的同时，减小外界条件对管道内的管垢的影响，最大限度模拟管段实际水流水质状态，是更准确、更快捷的研究预测水源切换条件下的现役供水管网水质稳定性的关键。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题而提供了一种研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备，包括：

通过对供水系统的所选管段进行分离处理得到的用于试验的原位试验管段；

以储水装置为空间结构主体的自动控制试验流程的可移式装置；

可移式装置的水质参数测试装置，用于对流经原位试验管段的试验用水进行现场检测，以得到所述试验用水的水质参数的实时数据；

可移式装置的水质调节装置，用于将相应的药剂投入到所述的试验用水中，对试验用水的水质进行调节，模拟不同水质条件下管网管段的适应性；

可移式装置的运行系统，用于将各装置连接起来，并提供水流动所需动力，使所述试验用水在装置之间运行不同模式，自动控制试验流程；

其中，所述试验用水包括本地水和置换水，所述的本地水为供水系统管段内原有长期输送的自来水，所述置换水为用于置换本地水的南水北调水源水，也可以是其它水源水。

其中，所述的用于试验的原位试验管段是从供水系统的现役管段中选择一个管段，将所选取管段与供水系统进行原地分离处理，位置不移动，通过在已分离的所选管段的两端分别安装连接件和用于与所述的可移式装置对接的端口而得到的；

特别是，所述的连接件用于与所述原位试验管段的切口和端口相连。

尤其是，所述的连接件为特制挡板连接件或带孔的承口法兰阀门，试验用水可以通过连接件进出原位试验管段。

其中，所述特制挡板连接件包括挡板和紧固件。

特别是，所述挡板为一块具有一定厚度的正方形UPVC板，所述挡板的厚度为2-5cm，优选为2-3cm；在挡板一面的中心位置设有一圆形凹槽，凹槽的大小与所述原位试验管段横截面相匹配，用于套装在所述原位试验管段切口上；凹槽的深度小于所述挡板的厚度，为1-1.5cm；在挡板的中心位置设有一贯穿所述挡板的中心孔，中心孔的直径小于所述凹槽的直径，在与凹槽相反的一面的中心孔上接出一段短管，用于与所述运行单元的管路连接；在挡板的四角设置有对称分布的圆孔，用于安装所述紧固件；所述圆孔到挡板中心的距离大于所述凹槽的直径。

尤其是，所述紧固件包括紧固螺杆和与其对应的螺母，用于将所述挡板固定在原位试验管段的两端，压住切口使管段密封；一套挡板连接件包括2个挡板，4根紧固螺杆和8个螺母。

其中，所述带孔的承口法兰阀门，与所述原位试验管段管径相匹配，用于将原位试验管段与该装置相连接，其作用与所述的特制挡板连接件相同，可以代替特制挡板连接件使用，特别适用于限制挖掘的地段，可将管段两端露出地面即可，两端分别安装两套带孔的承口法兰阀门。

特别是，所述带孔的承口法兰阀门的材质为铸铁带水泥砂浆内衬，孔内可安装短管与端口相连。

尤其是，当所选原位试验管段受到底面建筑物的限制，无法完全露出地面时，选取带孔的承口法兰阀门作为连接件。

其中，所述的水质参数测试装置包括：

取样装置，位于所述原位试验管段之后，用于对流经原位试验管段的试验用水进行取样；

检测装置，位于取样装置后，用于对所取的试验用水水样进行检测，得到所述试验用水的水质参数数据。

其中，所述的取样装置可以为一个取样阀门，也可以在阀门上连接一个自动取样器，可以对流经取样阀的所述试验用水进行取样并收集。

特别是，所述取样阀连接在所述的连接件与原位试验管段的端口之间。

尤其是，所述的取样器可以为自带250mL的聚乙烯或聚四氟乙烯取样瓶的自动取样器，也可以手动取样，定时对流经取样阀的试验用水进行取样并收集。

其中，所述检测装置用于对取样器所取的试验水样进行检测，得到试验水样的水质参数数据。

特别是，所述检测装置可以为在线检测仪或便携式水质检测仪。

尤其是，所述的在线监测仪可以为并列连接的在线浊度仪、在线总余氯分析仪、在线电导率仪、pH探头和溶解氧探头，还可以为一多功能水质参数分析仪。

尤其是，所述的便携式水质检测仪可以为多个便携式pH、总余氯、浊度、铁含量和溶解氧的检测分仪和相应探头，也可以为一便携式多功能水质参数分析仪。上述在线和便携式检测仪对试验管段的进水和出水的pH、游离氯/总余氯、浊度、总铁含量和溶解氧进行检测。

其中，所述的水质调节装置包括至少一个加药系统，用于向所述的置换水投入相应的药剂，以达到改变试验水质的目的。

特别是，所述加药系统包括储药罐和加药泵。

尤其是，所述的储药罐为圆柱体，塑料材质，可选聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯，体积为20-50L。

因为储药罐内储存的药剂多为酸碱类溶剂，因此本发明中储药罐选择耐强酸、强碱的聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯材质；除此之外，其它耐强酸、强碱的的材质储药罐均适用于本发明。

特别是，所述储药罐内设置有搅拌混匀装置，搅拌混匀装置位于所述储药罐的顶部居中位置，功率为0.1-0.3KW，配备搅拌桨叶片的倾斜角度为40-70°，优选为60°。

尤其是，所述加药泵用于将所述储药罐内储存的药剂泵入所述的置换水中或管路中，以达到调节水质的目的。

特别是，所述的加药泵选用隔膜式计量泵，流量范围为0-65mL/min，隔膜式计量泵与其它加药泵相比，具有安全性高、计量输送准确、可用于腐蚀性液体输送等优点。

根据试验的条件不同，所述加药系统的个数可以根据需要增加或减少。根据试验需要，储药罐内可配备多种药剂，如次氯酸钠溶液、NaOH溶液等药剂，用于对水质进行调节。

尤其是，所述加药泵的出口连有两条并联的加药管道，可以向储水装置或管道混合器输送药剂。在试验过程中，可根据试验条件选择性的加入药剂，来调节所述试验水的水质参数。

其中，所述的可移式装置内的运行系统是将所述的所有装置集成并统一编程实现自动控制试验流程。

尤其是，所述运行装置包括进水管道、离心泵、流量计、管道混合器、将各装置连接起来的管路和各管路上的阀门，用于将各装置连接起来并提供水流动的动力，使所述试验用水运行不同的试验条件。

特别是，所述离心泵用于将所述试验用水泵入所述的原位试验管段，其流量范围为0.6-2.5m³/h，扬程为1-3m，材质为不锈钢。

尤其是，所述流量计用于监控循环模式运行时的管内流速，可选用电磁流量计或者转子流量计；本发明优选转子流量计。

特别是，所述的管道混合器位于流量计和原位试验管段之间，用于所述药剂与试验用水的混合，材质为不锈钢。

尤其是，所述的各装置之间的连接管路选择UPVC管，直径DN20，采用粘接连接。UPVC管具有内壁光滑阻力小、不结垢、重量轻、连接方便等优点，并且材质为非金属不会影响铁的检测，适用于本发明。

其中，所述运行单元还包括PLC控制系统，用于将各个装置由编程控制系统统一控制，并可通过编程设置，控制各阀门开关的时间，实现试验所需的各种运行条件。

其中，所述设备还包括一个储水装置，用于储存所述试验用水。是前述各装置的依托载体，在空间上是整个装置的主体结构。

特别是，所述储水装置自带位于水箱顶部居中位置的搅拌混匀装置，位于所述储药罐的顶部居中位置，功率为2.5-3.0KW，配备搅拌桨叶片的倾斜角度为40-70°，优选为60°。

尤其是，通过所述加药泵将储药罐内的药剂泵入所述水源储存装置中，与试验用水相混合，以达到调节试验用水水质的目的。

本发明的研究原位模拟水源切换条件下管道水质稳定性的设备，具有以下优点和有益效果：

1、本发明提供的研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备选取现役管网中的一段管段进行分离处理后作为试验管段，不对其进行移动和搬运，使管垢结构保持原有状态，能最大程度的模拟实际管网中水源切换后发生的新水质与旧管垢的反应，得到更接近实际条件的数据，最后综合各类管段的数据结果，预测管网不同地区发生“黄水”的风险。

2、本发明提供的研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备的可移式装置有两条并联的、可切换的支路，分别与本地水源端口和水箱出水口相连接，通过阀门的切换，可以使不同种类的试验水进入到试验管段，可以模拟水源切换、模拟不同水质的调控、模拟不同管内水流状态，进行水样在试验管段中水质稳定性试验。

3、本发明提供的研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备中包括加药系统，该系统中的储药罐中可根据需要配置次氯酸钠溶液、NaOH溶液等药剂，通过分别控制不同药剂的加入量和加入时间，可以得到不同水质条件的试验用水。

4、本发明提供的研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备可以通过检测装置按试验需要频次检测进水和出水水质，考察不同水质的水样在试验管段中水质的稳定性。

5、本发明提供的研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性设备的连接运行系统中，各装置可由PLC编程控制系统统一连接控制，并可通过编程设置，控制各阀门的开关时间，达到控制进水时间、加入药剂时间和运行时间的效果，从而实现自动控制试验流程，大大节省人力，减小人为误差，试验结果的可靠、可比性强。

6、本发明提供的研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备的可移式装置在结构上为一以储水设备为主体可移式整体，为本发明首次提出。将所有装置紧凑整合在储水装置的外壁，并预留快速连接端口，随车移动到试验位置，将设备上的端口与原位试验管段的对应端口快速连接，即可进行试验，安装方便，操作简单，可以与不同地区的试验管段进行对接，适用性强，可获得不同地区不同类管段的大量试验数据，节省试验时间与资源。

附图说明

图1为研究原位模拟水源切换条件下管道水质稳定性的设备示意图；

图2为在原位试验管段两端安装特制挡板连接件的剖面图；

图3为特制挡板连接件的正面图；

附图标记说明：

1、原位试验管段；2、水质参数测试装置；3、水质调节装置；4、运行装置；5、可移式水箱；11、连接件；12、特制挡板连接件；13、挡板；14、密封垫；15、凹槽；16、中心孔；17、短管；18、圆孔；19、紧固螺杆；20、螺母；21、取样装置；22、检测装置；31、储药罐；32、加药泵；41、离心泵；42、流量计；43、管道混合器；44、管路；45、阀门；46、阀门；47、阀门；48、阀门；49、阀门；6、端口；7、端口；8、端口；9、端口。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备包括用于试验的原位试验管段1、水质参数测试装置2、水质调节装置3和运行装置4。

原位试验管段1是从供水系统的现役管网中选择一个管段，将所选取管段与供水系统进行分离处理，通过在已分离的所选管段的两端分别安装连接件11，得到位于原位试验管段入口端的第一端口6和位于原位试验管段出口端的第二端口7。

其中，连接件11为特制挡板连接件或带孔的承口法兰阀门。

如图2所示，原位试验管段1的两端分别安装挡板连接件12，得到进口端口和出口端口。如图2、图3所示，挡板连接件12包括挡板和紧固件；挡板13为一UPVC板，厚度2-5cm，优选为2-3cm；挡板13的一面中心位置设有与原位试验管段1管口直径相匹配的圆形凹槽15，用于套装在所述原位试验管段1截断处，凹槽15的深度为1-1.5cm；挡板13的中心位置设有一贯穿所述挡板的中心孔16，在与凹槽15相反的一面中心孔16上接出一段短管17，用于与所述运行单元的管路连接；在挡板13的四角设置有对称分布的圆孔18，用于安装紧固件；紧固件包括紧固螺杆19和螺母20，用于将挡板13固定在原位试验管段1的两端；一套挡板连接件12包括2个挡板13，4根紧固螺杆19和8个螺母20。

本发明实施例中的挡板12为一正方形UPVC板，厚度为3cm，凹槽的深度为1.5cm。

其中，在经过所述分离处理后的原供水系统的两个分离端口分别安装带孔的承口法兰阀门并连接管路恢复供水，同时得到本地水源的供水端口。

水质参数测试装置2包括取样装置21和检测装置22。

本发明实施例中，取样装置21为一取样阀。取样阀与连接件11的短管17相连接；检测装置22为便携式水质检测仪；实验时，通过手动控制取样阀的开闭，实现对试验用水的取样，取得的水样通过检测装置22对其进行水质参数的测定。本发明实施例中所用检测仪器包括：便携式浊度仪(HACH，2100Q)；便携式总余氯分析仪(HACH，PocketColorimeter，58700-00)；便携式水质分析仪(HACH，HQ40d)；溶解氧探头(HACH，LDO101)；pH探头(PlatinumSeriespHElectrode51910)；多参数水质分析仪(HACH，DREL2800)。

水质调节装置3包括储药罐31和加药泵32。

储药罐31为圆柱体，塑料材质，容积为20-50L，在储药罐31的顶部中间位置设置有搅拌混匀装置，其功率为0.1-0.3KW，配备搅拌桨叶片的倾斜角度为40-70°，优选为60°；加药泵32为隔膜式计量泵，流量范围为0-65mL/min。

加药泵32的入口连接吸入管，吸入管的头部插入罐底，加药泵32的出口有两条并联支路，可直接通入水箱入口，也可与管道混合器相连。

运行装置4包括离心泵41、流量计42、管道混合器43、管路44和管路上的阀门45、46、47、48、49。

离心泵41与进水管路相连接，流量范围为0.6-2.5m³/h，扬程为1-3m，材质为不锈钢；流量计42与离心泵41相连接，用于监控循环模式运行时的管内流速，可选用电磁流量计或者转子流量计，本发明实施例中选用转子流量计，量程为0-10LPM；；管道混合器43位于流量计42和原位试验管段之间，用于将药剂与本地水混合，材质为不锈钢；管路44为UPVC管，直径DN20，采用粘接连接。

本发明设备还包括一储水装置5，用于储存所述试验用水。本发明实施例的储水装置为一可移式水箱。可移式水箱5为长方体，体积为6000L，由1×1m和1×0.5m的不锈钢凹凸板焊接而成，水箱上设有进水口、出水口、药剂注入口和搅拌混匀装置；水箱的进水口和药剂注入口位于水箱的顶部，水箱的出水口位于靠近管路一侧的水箱侧壁底部，与水箱底面距离为20cm，搅拌混匀装置位于水箱顶部居中位置，其功率为2.5-3.0KW，配备搅拌桨叶片的倾斜角度为40-70°，优选为60°。

设备首先在管段所在地现场放置稳定，然后按照各端口顺序与管段连接好，各端口均为与软管相连的便于拆卸的卡扣或活接，便于在现场快读连接，开展试验。

管段1上游进水端连接两个并列的阀门47、48，阀门47控制水箱内的试验用水流入管段1，阀门48控制本地水源流入管段1；阀门47、48下游管路上依次连接离心泵41、调节阀49、转子流量计42、管道混合器43；管道混合器43下游连接有软管带不锈钢卡扣形成用于与原位试验管段连接的端口8，此端口与原位试验管段1上位于入口端的端口6做现场连接；原位试验管段1入口端连接件11与不锈钢卡扣相连形成端口6，出口端依次连接取样阀21和不锈钢卡扣形成端口7；端口6、7与管段为一整体。管段下游回路上连有软管带不锈钢卡扣形成端口9，端口9之后是管段的下游回路，其管路上有阀门45、46，阀门45是直接排放阀，用于管段内水的置换和冲洗，阀门46控制水流的循环，将管段出水重新送回离心泵。端口8、9与设备为一整体。

储药罐31的上部装有加药泵32，其出口分为两路，一路通过软管与水箱的药剂注入口相连，将储药罐内的药剂加入到水箱的试验用水中，用于对水箱内的置换水进行水质调节，另一路直接连接管道混合器43，用于对流经管道混合器的本地水进行水质调节。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明设备的工作过程：

实施例1

试验管段：材质：铸铁管，管径：DN100，使用年限：3年；

试验水质：试验管段所在供水系统的本地水和水质不同的置换水；

试验内容：水源切换试验，运行停滞模式。模拟夜间用水量少、水在管段内长时间近似静止停留的状态。并检测两种水在试验管段中，水力停留时间为0、2、4、6h出水水质变化情况。

(1)本地水停滞模式运行：

打开阀门45、48和49，关闭阀门46和47，使试验管段所在供水系统中的本地水经过离心泵41、转子流量计42和管道混合器43流入原位试验管段1中，并使试验管段内的原水经45排放，置换充分后，关闭阀门48和离心泵41，使本地水在原位试验管段内开始停滞。

(2)本地水停滞模式的水质测定：

在水力停留时间分别为0、2、4、6h时，打开取样阀21，对原位试验管段内的本地水进行手动取样，使用便携式浊度仪(HACH，2100Q)测定水样浊度，使用便携式总余氯分析仪(HACH，PocketColorimeter，58700-00)测定水样总余氯浓度，使用便携式水质分析仪(HACH，HQ40d)分别连接pH探头(PlatinumSeriespHElectrode51910)和溶解氧探头(HACH，LDO101)测定水样的pH、溶解氧浓度、浊度、总余氯浓度和总铁浓度，结果见表1；

(3)置换水的存储：

打开水箱5的顶盖，将水车的出水管与水箱的顶部进水口连接，进行置换水的存储，当水箱内的液面高度达到距离水箱顶部20cm时，完成存储，水箱的容积为6000L；

(4)置换水停滞模式运行：

打开阀门45、47和49，关闭阀门46和48，，使水箱内的置换水经过离心泵41、转子流量计42和管道混合器43流入原位试验管段，替换管内原有的本地水并冲洗5min后，使置换水充满试验管段，关闭阀门47和离心泵41，使置换水在原位试验管段内开始停滞；

(5)置换水停滞模式的水质检测：

在水力停留时间分别为0、2、4、6h时，打开取样阀21，对原位试验管段内的置换水进行手动取样，使用便携式浊度仪(HACH，2100Q)测定水样浊度，使用便携式总余氯分析仪(HACH，PocketColorimeter，58700-00)测定水样总余氯浓度，使用便携式水质分析仪(HACH，HQ40d)分别连接pH探头(PlatinumSeriespHElectrode51910)和溶解氧探头(HACH，LDO101)测定水样的pH、溶解氧浓度、浊度、总余氯浓度和总铁浓度，结果见表1；

由于供水管网中水管多为铸铁管、镀锌管或钢管等含铁材质管道，在使用中因腐蚀、沉积等原因在管道内壁会形成含铁的管垢层，当水质化学成分发生变化，影响管壁内已有管垢的稳定性，导致其中以铁为主的腐蚀产物的释放和包括浊度、色度等水质指标的恶化甚至超标。所以管网水中的铁含量是衡量水源切换时，管网内水质稳定性的重要指标；

由表1可见，本地水通入管段后0-6h出水的浊度由0.67NTU升高至5.91NTU，pH由8.28降至8.15，总余氯浓度由0.61mg/L降至0.16mg/L，溶解氧浓度由11.11mg/L降至9.27mg/L，总铁浓度由0.08mg/L升高至0.90mg/L。置换水通入管段后从0-6h出水的浊度由0.43NTU升高至3.02NTU，pH由8.55降至8.31，总余氯浓度由0.59mg/L降至0.15mg/L，溶解氧浓度由10.47mg/L降至7.48mg/L，总铁浓度由0.05mg/L升高至0.65mg/L。通过数据可以看出：本管段切换水源后，总铁浓度随时间的变化率发生了改变，比原有本地水停滞时的总铁升高程度减小。

实施例2

试验管段：材质：铸铁管，管径：DN100，使用年限：10年；

试验水质：不同加氯量的置换水；

试验内容：置换水的初始加氯浓度梯度试验，运行停滞模式。模拟夜间用水量少、水在管段内长时间近似静止停留的状态，并检测不同加氯量的置换水在试验管段中，水力停留时间为0、2、4、6h出水水质变化情况。

(1)置换水的存储：

打开水箱的顶盖，将水车的出水管与水箱的进水口连接，对水箱进行置换水的存储，当水箱内的液面高度达到距离水箱顶部20cm时，关闭进水阀，完成存储，水箱的容积为6000L；

(2)置换水的水质调节：

打开加药泵32，将加药罐31内的次氯酸钠溶液加入到水箱中，打开水箱的搅拌混匀装置进行搅拌，使药剂充分溶解在水箱内的置换水中，其中，搅拌混匀装置的功率为3KW，搅拌速度为30r/min搅拌桨叶片倾斜角度为60°，搅拌时间为10min；

(3)调节好的置换水停滞模式运行：

打开阀门45、47和49，关闭阀门46和48，初始总余氯浓度0.2mg/L的置换水经过离心泵41、转子流量计42和管道混合器流入原位试验管段，替换管内原有的置换水并冲洗5min后，充满试验管段，关闭阀门45和离心泵41，使调好初始总余氯浓度的置换水在原位试验管段内开始停滞；

(4)调节好的置换水停滞模式的水质测定：

在水力停留时间分别为0、2、4、6h时，打开取样阀21，对原位试验管段内的初始总余氯浓度为0.2mg/L的置换水进行手动取样，使用便携式浊度仪测定水样浊度，使用便携式总余氯分析仪测定水样总余氯浓度，使用便携式水质分析仪分别连接pH探头和溶解氧探头测定水样的pH、溶解氧浓度、浊度、总余氯浓度和总铁浓度，结果见表2；

对总余氯初始浓度为0.4mg/L、0.6mg/L和0.8mg/L的各置换水重复本例中(2)～(4)步骤的试验，过程与初始总余氯浓度0.2mg/L的相同。

从表2可以看出，未加氯的原始置换水通入管段后0-6h出水的总余氯浓度由0.1mg/L降至0.05mg/L，总铁浓度由0.02mg/L升高至0.11mg/L；加氯量为0.2mg/L的置换水通入管段后从0-6h出水的总余氯浓度由0.21mg/L降至0.06mg/L，总铁浓度由0.03mg/L升高至0.19mg/L；加氯量为0.4mg/L的置换水通入管段后从0-6h出水的总余氯浓度由0.35mg/L降至0.15mg/L，总铁浓度由0.03mg/L升高至0.16mg/L；加氯量为0.6mg/L的置换水通入管段后从0-6h出水的总余氯浓度由0.52mg/L降至0.25mg/L，总铁浓度由0.03mg/L升高至0.12mg/L；加氯量为0.8mg/L的置换水通入管段后从0-6h出水的总余氯浓度由0.83mg/L降至0.43mg/L，总铁浓度由0.02mg/L升高至0.11mg/L。由数据可以看出，初始浓度的加氯量不同，管段总铁浓度升高趋势的幅度有所改变，对不同管段重复本例试验，将得到各类管段对于不同初始加氯量的总铁指标变化，可用来分析管内水源的不同初始加氯量对铁释放的影响。

实施例3

试验管段：材质：铸铁管，管径：DN100，使用年限：10年；

试验水质：不同初始pH值的置换水；

试验内容：置换水的初始pH梯度试验，运行停滞模式。模拟夜间用水量少、水在管段内长时间近似静止停滞的状态，并检测不同初始pH的置换水在试验管段中，水力停留时间为0、2h出水水质变化情况。

(1)置换水的存储：

打开水箱5的顶盖，将水车的出水管与水箱的顶部进水口连接，进行置换水的存储，当水箱内的液面高度达到距离水箱顶部20cm时，完成存储，水箱的容积为6000L；

(2)置换水不调节初始pH值，做空白对照试验，停滞模式运行：

打开阀门45、47和49，关闭阀门46和48，使水箱内的置换水经过离心泵41、转子流量计42和管道混合器43流入原位试验管段，替换管内原有的本地水并冲洗5min后，使置换水充满试验管段，关闭阀门45和离心泵41，使置换水在原位试验管段内开始停滞；

(3)置换水停滞模式的水质测定：

在水力停留时间分别为0、2h时，打开取样阀21，对原位试验管段内的置换水进行手动取样，使用便携式浊度仪(HACH，2100Q)测定水样浊度，使用便携式总余氯分析仪(HACH，PocketColorimeter，58700-00)测定水样总余氯浓度，使用便携式水质分析仪(HACH，HQ40d)分别连接pH探头(PlatinumSeriespHElectrode51910)和溶解氧探头(HACH，LDO101)测定水样的pH、溶解氧浓度、浊度、总余氯浓度和总铁浓度，结果见表3；

(4)置换水的水质调节

打开加药泵32，将加药罐31内的氢氧化钠溶液加入到水箱中，打开水箱的搅拌混匀装置进行搅拌，使药剂充分溶解在水箱内的置换水中，使得置换水的pH值为9.0。

其中，搅拌混匀装置的功率为3KW，搅拌速度为30r/min，搅拌桨叶片倾斜角度为60°，搅拌时间为10min；

(5)调节好的置换水停滞模式运行：

打开阀门45、47和49，关闭阀门46和48，将初始pH值为9.0的置换水通过离心泵41、转子流量计42和管道混合器43流入原位试验管段，替换管内原有的置换水并冲洗5min后，使调好pH值的置换水充满试验管段，关闭阀门45和离心泵41，使调好pH值的置换水在原位试验管段内开始停滞；

(6)调节好的置换水停滞模式的水质测定：

在水力停留时间分别为0、2h时，打开取样阀21，对原位试验管段内的置换水进行手动取样，使用便携式浊度仪(HACH，2100Q)测定水样浊度，使用便携式总余氯分析仪(HACH，PocketColorimeter，58700-00)测定水样总余氯浓度，使用便携式水质分析仪(HACH，HQ40d)分别连接pH探头(PlatinumSeriespHElectrode51910)和溶解氧探头(HACH，LDO101)测定水样的pH、溶解氧浓度、浊度、总余氯浓度和总铁浓度，结果见表3；

其中，向置换水中加入的氢氧化钠溶液浓度为0.1g/L，对初始pH值9.5、10.0的各置换水重复本例中(4)～(6)步骤的试验，过程与初始pH值9.0的相同。

从表3可以看出，未加氢氧化钠溶液调节pH的原始置换水通入管段后从0-2h出水的pH由8.56降至8.46，总铁浓度由0.06mg/L升高至0.26mg/L；初始pH值为9.0的置换水通入管段后从0-2h出水的pH由8.83升高至8.75，总铁浓度由0.04mg/L升高至0.27mg/L；初始pH值为9.5的置换水通入管段后从0-2h出水的pH由9.39降至9.27，总铁浓度由0.02mg/L升高至0.31mg/L；初始pH值为10.0的置换水通入管段后从0-2h出水的pH由9.90降至9.78，总铁浓度由0.02mg/L升高至0.30mg/L。由数据可以看出，切换成不同初始pH值的置换水，管段总铁浓度升高趋势的幅度有所改变，对不同管段重复本例试验，将得到各类管段对于不同初始pH值的总铁指标变化，可用来分析管内水源的不同初始PH值对铁释放的影响。

实施例4

试验管段：材质：铸铁管，管径：DN100，使用年限：15年；

试验水质：置换水；

试验内容：使用置换水，运行停滞模式和循环模式的切换。对比相同水源时管内水流状态的不同对管段铁释放的影响。

(1)置换水的存储

打开水箱的顶盖，将水车的出水管与水箱的进水口连接，对水箱进行置换水的存储，当水箱内的液面高度达到距离水箱顶部20cm时，关闭进水阀，完成存储，水箱的容积为6000L；

(2)置换水停滞模式运行：

打开阀门45、47和49，关闭阀门46和48，使水箱内的置换水经过离心泵41、转子流量计42和管道混合器43流入原位试验管段，替换管内原有的本地水并冲洗5min后，使置换水充满试验管段，关闭阀门47和离心泵41，使置换水在原位试验管段内开始停滞；

(3)置换水停滞模式的水质测定：

在水力停留时间分别为0、2、4、6h时，打开取样阀21，对原位试验管段内的置换水进行手动取样，使用便携式浊度仪(HACH，2100Q)测定水样浊度，使用便携式总余氯分析仪(HACH，PocketColorimeter，58700-00)测定水样总余氯浓度，使用便携式水质分析仪(HACH，HQ40d)分别连接pH探头(PlatinumSeriespHElectrode51910)和溶解氧探头(HACH，LDO101)测定水样的pH、溶解氧浓度、浊度、总余氯浓度和总铁浓度，结果见表4；

(4)置换水循环模式运行：

切换循环模式，打开45，保持45、47、49打开，46、48关闭的状态，将管内剩余水排出，置换充分，然后关闭45，开启46，保持45、48关闭，46、47、49打开的状态，开启离心泵，使置换水在原位试验管段内循环流动；其中，离心泵的最大流量为0.6m³/h，扬程为1.5m，调节49，使通过转子流量计的实际进水流量为0.3m³/h，即保持管内流速0.01m/s。；

(5)置换水循环模式的水质测定：

在循环时间分别为0、2、4、6h时，临时关闭46(其他阀门状态不动)，打开取样阀21，对原位试验管段内的置换水进行手动取样，取样完成后随即开启46(其他阀门状态不动)。使用便携式浊度仪(HACH，2100Q)测定水样浊度，使用便携式总余氯分析仪(HACH，PocketColorimeter，58700-00)测定水样总余氯浓度，使用便携式水质分析仪(HACH，HQ40d)分别连接pH探头(PlatinumSeriespHElectrode51910)和溶解氧探头(HACH，LDO101)测定水样的pH、溶解氧浓度、浊度、总余氯浓度和总铁浓度，结果见表4；

从表4可以看出，停滞状态的置换水通入管段后从0-6h出水的浊度由0.43NTU升高至3.02NTU，pH由8.55降至8.31，总余氯浓度由0.59mg/L降至0.15mg/L，溶解氧浓度由10.47mg/L降至7.48mg/L，总铁浓度由0.05mg/L升高至0.65mg/L；流动状态的置换水通入管段后从0-6h出水的浊度由0.56NTU升高至1.26NTU，pH由8.29降至7.83，总余氯浓度由0.35mg/L降至0.01mg/L，溶解氧浓度由8.34mg/L降至1.94mg/L，总铁浓度由0.04mg/L升高至0.14mg/L。由数据可以看出，停滞状态的水质和流动状态的水初始水质基本相同，而随着时间的增加，在各相同时间点流动状态的水中铁含量明显小于停滞状态的水中铁的含量。试验结果显示管内水流状态的差异对铁释放的影响明显。对不同管段重复本例试验将得到全面的数据以供分析。

上述各实施例中描述的试验结果，是针对例子中的一根管段所作。但每种条件对管段铁释放的影响规律，以及对发生“黄水”风险等级的预测，还需要对不同管段多次重复以上的各种试验过程，以获得足够数量的统计数据，才能得出结论，介于数据的分析方法部分不属于本发明的范畴，所以不作描述。本设备的发明从现场获得了大量试验数据。

表1本地水与置换水的水质参数比较

表2不同加氯量的置换水的水质参数

表3不同初始pH值的置换水的水质参数

表4停滞状态置换水和流动状态置换水的水质参数

尽管上述对本发明做了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种研究原位模拟水源切换条件下管网水质稳定性的设备，其特征在于，包括：

通过对供水系统的所选管段进行分离处理得到的用于试验的原位试验管段；

以储水装置为空间结构主体的自动控制试验流程的可移式装置；

可移式装置的水质参数测试装置，用于对流经原位试验管段的试验用水进行现场检测，以得到所述试验用水的水质参数的数据；

可移式装置的水质调节装置，用于将相应的药剂投入到所述的试验用水中，对试验用水的水质进行调节；

可移式装置的运行系统，用于将各装置连接起来并提供水流动所需动力，使所述试验用水在装置之间运行；

其中，所述的用于试验的原位试验管段是从供水系统的现役管网中选择一个管段，将所选取管段与供水系统进行分离处理，通过在已分离的所选管段的两端分别安装连接件和用于与所述的可移式装置对接的端口而得到的；

其中，所述的水质参数测试装置包括：

取样装置，位于所述原位试验管段之后，用于对流经原位试验管段的试验用水进行取样；

检测装置，位于取样装置后，用于对所取的试验用水的水样进行检测，得到所述试验用水的水质参数数据；

其中，所述试验用水包括本地水和置换水，所述本地水为供水系统管段内原有长期输送的自来水，所述置换水为用于置换本地水的南水北调水源水，也可以是其它水源水。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述连接件为特制挡板连接件或带孔的承口法兰阀门，试验用水可以通过连接件进出原位试验管段。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的取样装置可以为一个取样阀门，也可以在阀门上连接一个自动取样器，对流经取样阀的所述试验用水进行取样并收集。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的检测装置可以为在线检测仪，也可以为便携式水质检测仪。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的水质调节装置包括至少一个加药系统，用于向所述的置换水投入相应的药剂，以达到改变试验水质的目的。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述的加药系统包括储药罐和加药泵，所述加药泵将所述储药罐内储存的药剂泵入所述的置换水中或试验管段内，以达到调节水质的目的。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的可移式装置内的运行系统是将所述的所有装置集成并统一编程实现自动控制试验流程。