匯總了國內(nèi)外水源切換和季節(jié)性水質(zhì)變化案例，分析了供水管網(wǎng)中黃水現(xiàn)象的形成機理，涵蓋了與鐵質(zhì)管垢破裂所引起的鐵致黃水機理、管網(wǎng)吸附的錳釋放所引起的錳致黃水機理。引發(fā)黃水問題的主要原因包括水源切換、季節(jié)性水源水質(zhì)變化。前者的影響主要體現(xiàn)在新舊水源在pH、堿度、硬度、氯化物、硫酸鹽、溶解氧、余氯等指標上存在差異，造成管網(wǎng)中鐵和錳的釋放，從而導致黃水問題。后者則表現(xiàn)為溫度、降雨量、日照時長、潮汐等自然因素造成水源水質(zhì)變化，進而導致了黃水問題。展望了未來研究方向，強調(diào)了研究水源切換對供水安全的重要性。
  引用本文：藍嘉良，劉迪波，廖曉斌，等. 水源水質(zhì)變化導致供水管網(wǎng)發(fā)生黃水問題的機理研究進展［J］. 給水排水，2025，51（4）：116-122. LAN J L， LIU D B， LIAO X B，et al. Research Progress on the Mechanism of Yellow Water Problem in Drinking Water Distribution System Caused by Water Quality Change［J］. Water & Wastewater Engineering，2025，51（4）：116-122.     
 水源水質(zhì)變化對供水管網(wǎng)的影響是現(xiàn)代城市水務管理中一個重要且復雜的問題。隨著城市化進程的加快和氣候變化的加劇，水源水質(zhì)變化的頻率和范圍都顯著增加，其中水源切換和水源季節(jié)性變化是兩個關(guān)鍵因素。
 為應對城市化進程中出現(xiàn)的水資源短缺及水質(zhì)污染問題，國內(nèi)外眾多城市啟動了調(diào)水工程，從而構(gòu)建了多源供水體系，并實施了季節(jié)性或周期性的水源切換。然而，新舊水源之間的顯著差異會對供水管網(wǎng)的穩(wěn)定性造成負面影響，導致管網(wǎng)出現(xiàn)水質(zhì)變黃的現(xiàn)象。由于黃水中的鐵和錳等金屬離子含量較高，長期飲用可能會導致消化系統(tǒng)疾病，對公眾健康構(gòu)成威脅。例如，2008年北京因為當?shù)厮Y源匱乏從河北幾個水庫調(diào)水，由于新引入的水源水中硫酸鹽含量高于舊水源，導致當?shù)罔F質(zhì)供水管網(wǎng)的管垢溶析，引發(fā)了中心城區(qū)大面積的黃水事件。表1整理了國內(nèi)外涉及水源切換的部分案例。 

 表1 國內(nèi)外水源切換的案例 
 同時，季節(jié)性水源水質(zhì)變化也會導致供水管網(wǎng)中黃水現(xiàn)象的產(chǎn)生。例如，我國多地夏季湖泊、水庫水源水中的溶解氧含量降低，底部沉積物中的錳會在厭氧條件下轉(zhuǎn)化為二價錳離子釋放出來，進而導致出廠水中錳的濃度升高，影響供水管網(wǎng)內(nèi)錳的沉積與釋放過程。沿海城市會面臨咸潮入侵的情況，造成河口水源地中氯化物濃度劇增，導致供水管網(wǎng)水質(zhì)變黃的問題。表2整理了部分可能引發(fā)供水管網(wǎng)黃水的水源水質(zhì)季節(jié)性變化情況。 

 表2 水源水質(zhì)季節(jié)性變化情況 
  01    黃水形成機理         水源水質(zhì)變化導致供水管網(wǎng)黃水的發(fā)生，本質(zhì)上是由于水質(zhì)組分變化所引發(fā)的管網(wǎng)中鐵、錳釋放。因我國供水管道主要以鐵質(zhì)材料為主，故黃水過程中的鐵釋放主要來源于鐵質(zhì)管垢；而錳釋放則源于出廠水在管道中沉積或被管垢吸附的錳氧化物。
 1.1 鐵致黃水機理 金屬管道內(nèi)壁的腐蝕及其導致的結(jié)垢現(xiàn)象，是引發(fā)管網(wǎng)鐵致黃水問題的來源。供水管網(wǎng)鐵致黃水機理包括鐵腐蝕的過程、管垢的發(fā)育過程以及管垢的破裂過程這3個部分，如圖1所示。 

  注：A代表鐵腐蝕的過程，B代表管垢的發(fā)育過程，C代表管垢的破裂過程
圖1 鐵致黃水機理
 在鐵腐蝕的過程中，腐蝕反應是電化學過程。陽極反應為單質(zhì)鐵失電子被氧化生成Fe2+；陰極反應為水體的溶解氧或氯消毒劑得電子被還原生成OH-、Cl-；在缺乏溶解氧和余氯的情況下，H+也可作為陰極被還原生成H2。在實際供水管網(wǎng)系統(tǒng)中，這種腐蝕反應會在管道內(nèi)壁的多個位置同時發(fā)生。然而，由于金屬表面電化學性質(zhì)的不均勻性，金屬表面實際上可以被視作由眾多微小電極構(gòu)成，進而形成微觀層面的腐蝕電池。
 在管垢的發(fā)育過程中，其在最終階段會形成分層結(jié)構(gòu)。根據(jù)SARIN等提出的腐蝕垢生長模型，腐蝕垢由內(nèi)至外可以分為四層，分別為管道基材（鐵元素的來源，通常為鐵質(zhì)管材，如鋼管、鑄鐵管、鍍鋅鋼管等）、多孔內(nèi)核層［該層主要由二價鐵和三價鐵的化合物組成，如FeCO3、Fe(OH)2，該層是管網(wǎng)鐵釋放的主要來源］、致密硬殼層（該層主要由相對穩(wěn)定的鐵氧化物構(gòu)成，如Fe3O4、FeOOH，可以隔絕垢層內(nèi)部物質(zhì)與管網(wǎng)水的作用，抑制管網(wǎng)的進一步腐蝕）和表面松散層（該層管垢表面松散且不均勻，通常由Fe(OH)3、γ-FeOOH、CaCO3、SiO2等構(gòu)成）。
 在管垢的破裂過程中，水質(zhì)條件的影響是關(guān)鍵因素。KUCH指出，當溶解氧、氯消毒劑由于水流停滯而被消耗時，管垢中的三價鐵化合物作為電子受體，得電子還原為二價鐵化合物，如式(1)~式(3)所示，從而造成管垢破裂而出現(xiàn)裂縫或孔隙，內(nèi)部鐵離子釋放到主體水中被氧化成鐵化合物，呈現(xiàn)黃色或紅色。 
  
 ZHAO等通過制備模擬鐵氧化物管垢電極和原電池反應器，復現(xiàn)了在低氧化還原勢情況下管垢高價鐵氧化物被還原而消耗，為Kuch機理提供了直接的試驗證據(jù)。此外，可能造成管垢破裂和鐵釋放的水質(zhì)因素還有腐蝕性陰離子，如氯離子、硫酸根離子等。HATCH等指出氯離子、硫酸根離子等腐蝕性陰離子可以取代管垢中金屬離子的化學鍵造成鈍化層的破壞，引發(fā)管壁鐵沉積物釋放。TAYLOR等發(fā)現(xiàn)高濃度的腐蝕性陰離子促進了電子、離子的遷移速率，并與腐蝕產(chǎn)物絡(luò)合形成可溶性物，促進Fe2+向外轉(zhuǎn)移，加速鐵釋放。
 1.2 錳致黃水機理 錳引起的黃水現(xiàn)象通常是由于出廠水中所含錳在管網(wǎng)中長期沉積，并在特定的水質(zhì)和水力條件下釋放所導致。錳氧化沉積過程是導致供水管網(wǎng)中錳致黃水現(xiàn)象的主要原因，錳元素在管道中的吸附沉積過程如圖2所示。 

  圖2 錳在管道中的吸附與沉積機理
 錳的吸附與沉積過程主要有A、B、C這3種途徑，分別代表物理作用、化學作用和微生物作用主導的錳吸附與沉積的過程。在A過程中，出廠水中的Mn2+在溶解氧及余氯等氧化劑的作用下，會被氧化形成錳氧化物，隨后在重力的影響下，沉積于管道內(nèi)。但余氯在均相體系中氧化Mn2+的速率相當緩慢，解釋不了管網(wǎng)中大量錳沉積物形成的原因。在B過程中，水體中的Fe3+和Al13（聚合氯化鋁的主要形態(tài)）會通過水解沉淀反應形成金屬沉淀物顆粒并催化Mn2+的的氧化過程。此外，LI等發(fā)現(xiàn)僅20 μg/L的溶解態(tài)Cu2+就可以10倍提高Mn2+的氧化速率。在C過程中，在沒有消毒劑的情況下，錳氧化菌會導致錳在管道內(nèi)表面的快速積累，同時形成的MnOx具有強吸附能力，促進了后續(xù)的MnOx積累。
 錳的釋放通常由水質(zhì)條件變化或水力沖擊引起，如pH值的波動、溶解氧濃度的變化等。當水體處于低氧化還原勢時，其內(nèi)部的錳氧化物可能會發(fā)生還原，釋放出錳離子進入管網(wǎng)水中。錳氧化物的還原還可能受到微生物活動的影響，某些微生物能夠通過代謝作用改變局部環(huán)境，促進錳氧化物的還原。此外，隨著長期使用的管道內(nèi)襯材料會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，原本附著于其表面的錳氧化物也會隨之脫落。
  02    水源切換導致黃水問題的主要影響因素         在水源切換過程中，供水管網(wǎng)水質(zhì)安全會因為pH、堿度、硬度、氯化物、硫酸鹽、溶解氧、余氯等水質(zhì)變化面臨較大的沖擊，造成管網(wǎng)中鐵和錳的釋放，從而導致黃水現(xiàn)象的發(fā)生。
 2.1 pH值 pH值是影響管網(wǎng)鐵和錳釋放的重要因素之一，pH值越低，越容易促進金屬氫氧化物和碳酸鹽的溶解，導致金屬離子釋放到管網(wǎng)水體中。牛璋彬等通過實驗室靜態(tài)模擬實驗發(fā)現(xiàn)，隨著 pH 值從8.5降低到6.5，鐵釋放速率增加了0.8 mg/(m²·h)。米子龍等發(fā)現(xiàn)，總鐵釋放量與pH值呈顯著的負相關(guān)，當pH值從8.5降低至6.0時，水中釋放的總鐵濃度增加了7 mg/L。LI等研究發(fā)現(xiàn)，在較低的pH條件下更多的吸附位點被H+占據(jù)，從而導致錳氧化物的解吸并釋放到水中。ZHANG等通過靜態(tài)浸泡實驗發(fā)現(xiàn)，pH值從8.0降低至6.0時，在120 h的停留時間下總錳釋放增加了0.35 mg/L。
 2.2 溶解氧和余氯 從管道腐蝕來看，管道中水體溶解氧和余氯的增加，其氧化性越強，越促進管道的腐蝕過程。然而，從管垢穩(wěn)定性來看，在低溶解氧以及低余氯的情況下，其管垢成分容易被還原導致管垢破裂和金屬組分析出。KUCH機理指出，當溶解氧由于水流停滯而被消耗時，管垢中的三價鐵化合物被還原為二價鐵化合物。CLEMENT等提出了溶解氧影響鐵釋放的模型，當溶解氧濃度高時，可以保持管垢外層結(jié)構(gòu)不被破壞，而當溶解氧濃度降低時，致密層中的二價鐵會釋放到水體中。適當增加溶解氧濃度會抑制鐵的釋放，但當溶解氧濃度超出一定值其抑制作用有所下降。魯智禮等研究發(fā)現(xiàn)，溶解氧濃度為8 mg/L時鐵釋放有所抑制，向水體通入高純氧提高溶解氧濃度至15 mg/L，鐵濃度僅減少0.07 mg/L，當增至20 mg/L，鐵釋放反而上升。除了考慮余氯自身濃度，消毒劑與管網(wǎng)水的接觸時間也很重要。ZHANG等發(fā)現(xiàn)，在0 ~ 3 mg/L的余氯濃度下，隨著余氯濃度的增加，管網(wǎng)錳的釋放的抑制效果越強。
 2.3 堿度和硬度 堿度和硬度這兩項指標對管網(wǎng)的影響在于CaCO3的沉淀和溶解平衡。盡管管垢的腐蝕產(chǎn)物主要以鐵氧化物為主，但是管垢表面沉積的CaCO3對于垢層穩(wěn)定性也起到很大的保護作用。HU等通過中試發(fā)現(xiàn)，隨著堿度從98 mg/L增加到200~409 mg/L，出水總鐵濃度從0.98 mg/L、0.56 mg/L下降到0.43 mg/L，隨著鈣硬度從100 mg/L增加到200~300 mg/L，出水總鐵濃度從0.63 mg/L、0.51 mg/L下降到0.39 mg/L。LASHEEN等通過研究水質(zhì)因素對管網(wǎng)鐵和鉛釋放的影響，將堿度從124 mg/L增加到250 mg/L時，鐵和鉛的釋放減少了0.01~0.03 mg/L。沙懿等通過管垢浸泡實驗研究發(fā)現(xiàn)，當堿度從52 mg/L提高至200 mg/L時，在132h的停留時間下，總錳濃度下降0.124 mg/L。
 2.4 硫酸鹽和氯化物 硫酸鹽和氯化物是參與腐蝕過程的典型陰離子，其對管壁材料具有較強的侵蝕性作用。米子龍等發(fā)現(xiàn)，隨著硫酸鹽濃度從50 mg/L提高至180 mg/L時，管網(wǎng)出水總鐵含量增加了2.5 mg/L。SUN等研究發(fā)現(xiàn)，當硫酸鹽從75 mg/L突變至200 mg/L時，出水鐵、錳釋放量分別增加0.15 mg/L和0.05 mg/L。WANG等研究了硫酸鹽和氯化物對鐵穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)陰離子濃度與鐵釋放速率呈正相關(guān)關(guān)系。這主要是由于硫酸鹽和氯化物會使沉積物穩(wěn)定性降低，破壞管垢的鈍化層，促進管道的點蝕，與鈍化層發(fā)生反應改變了垢層結(jié)構(gòu)，從而造成管網(wǎng)鐵錳的釋放。
  03    季節(jié)性水質(zhì)變化導致黃水問題的主要影響因素         季節(jié)性變化對供水管網(wǎng)水質(zhì)安全的影響同樣不容忽視。季節(jié)性水質(zhì)變化導致管網(wǎng)黃水問題的影響主要表現(xiàn)在溫度、降雨量、日照時長、潮汐等自然因素的變化，這些自然因素的變化會對水源水質(zhì)的化學反應和微生物活動產(chǎn)生影響，進而對供水管網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生一定的沖擊。
 在夏秋季，水庫水表層水受太陽輻射加熱，溫度升高，密度減小，形成上層較輕的水層；而底層水由于較少受到太陽輻射，溫度較低，密度較大，形成下層較重的水層。這種熱分層過程阻礙了上下層水體物質(zhì)的交換，導致底層水體的溶解氧逐漸消耗且無法得到補充，底層沉積物中鐵錳大量釋放，形成內(nèi)源性污染。此外，我國大部分地區(qū)屬于季風性氣候，夏季降雨較多，岸上土壤中的鐵錳顆粒會隨降雨徑流匯入水體，由于降雨徑流的侵蝕和動態(tài)混合作用下，水體中鐵錳顆粒顯著增加，這個過程則是外源性污染。無論是內(nèi)源性污染還是外源性污染，都會導致湖泊水庫型水源水中鐵和錳的濃度增加，隨水體循環(huán)被帶到取水層并進入水廠，當水廠未能充分去除時，這些未被去除的鐵錳物質(zhì)則會流進管網(wǎng)。盡管世界衛(wèi)生組織和包括中美在內(nèi)的很多國家都將錳標準限值定為0.1 mg/L，但是當水中存在0.02~0.05 mg/L錳時，水體也會呈現(xiàn)淡黃色。
 部分沿海城市在冬季可能會面臨咸潮入侵導致海水倒灌的問題。冬季降水開始減少，河流進入枯水期，此時河流水位較低，進而導致海水倒灌，河口處水源水中的氯化物濃度急劇上升。一旦氯化物濃度發(fā)生劇烈變化，供水管網(wǎng)的穩(wěn)定性將受到破壞，繼而引發(fā)水質(zhì)變黃的問題。當咸潮入侵嚴重時，則需更換為應急水源進行水源切換供水。
  04    結(jié)論和展望         綜上所述，水源水質(zhì)變化顯著影響供水管網(wǎng)的穩(wěn)定性，水源切換和季節(jié)性水質(zhì)變化是關(guān)鍵因素。國內(nèi)外城市通過調(diào)水工程構(gòu)建了多源供水體系，但新舊水源之間的差異導致了供水管網(wǎng)出現(xiàn)黃水現(xiàn)象，例如，北京因引入高硫酸鹽含量水源而引發(fā)的黃水事件。季節(jié)性水質(zhì)變化，尤其是夏季湖泊水庫的溶解氧降低及沿海城市的咸潮入侵，也可能引發(fā)供水管網(wǎng)中的黃水問題。黃水的形成機制主要為鐵質(zhì)管道的腐蝕及管垢的發(fā)育與破裂造成的鐵釋放和源于管道內(nèi)的錳沉積或吸附后在水力水質(zhì)的擾動下被釋放出來。黃水的產(chǎn)生機制包括鐵的腐蝕作用、管垢的發(fā)育與破裂過程，以及錳的吸附與沉積過程，這些過程均受到物理、化學和微生物因素的影響。水源水質(zhì)的變化，尤其是水源切換及季節(jié)性變化，直接影響供水管網(wǎng)中鐵、錳元素的釋放。
 為有效控制和預防黃水現(xiàn)象的發(fā)生，建議今后的研究應重點關(guān)注以下幾個方面：
 （1）需要進一步深入研究水源切換過程中水質(zhì)變化對管網(wǎng)中鐵錳釋放的影響機制。通過建立更為精確的理論模型，可以更好地預測和控制管網(wǎng)中鐵錳的釋放，從而為實際工程提供科學依據(jù)。
 （2）應加強對高溫、暴雨、潮汐等季節(jié)性水質(zhì)變化影響供水管網(wǎng)的研究。通過模擬實驗和現(xiàn)場監(jiān)測，可以更好地了解季節(jié)性變化對管網(wǎng)水質(zhì)的影響規(guī)律，為應對措施的制定提供數(shù)據(jù)支持。
 （3）應加強水源切換、咸潮入侵等情況下應急響應過程中的水質(zhì)監(jiān)測和管理。因此，通過多學科交叉合作，建立快速有效的水質(zhì)監(jiān)測體系，及時調(diào)整處理工藝，確保供水安全。
  微信封面圖由AI生成。微信對原文有修改。原文標題：水源水質(zhì)變化導致供水管網(wǎng)發(fā)生黃水問題的機理研究進展；作者：藍嘉良、劉迪波、廖曉斌、文剛、薛以晨、劉書明、陳超；作者單位：西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室、西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院 陜西省環(huán)境工程重點實驗室、清華大學環(huán)境學院 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室、華僑大學土木工程學院、清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院。刊登在《給水排水》2025年第4期。 編輯：李新鑫 審核：李金龍