可實現多水質分質、協同供水的管道水質穩定研究裝置及實驗方法與流程

本發明涉及多種水質水體摻混、淡化水調質，包括但不限于自來水、淡化水等，更具體地說是特別涉及可實現多水質分質、協同供水的管道水質穩定研究裝置及實驗方法。

背景技術：

1、我國部分城市的飲用水水源較為復雜，每年會面臨多種地表或地下水水源協同摻混或交替切換供水。近些年，隨著海水淡化技術的不斷提升，淡化水也逐步被列入城市供水范疇。每年在切換地表水或地下水時，城市管網已面臨了不同水質水體對原有水體的擾動。

2、但當低堿度、低硬度的淡化水直接進入高堿度、高硬度的自來水供水管網，或進入多水源制水協同供水的管網時，將會破壞既有管道內壁界面微觀結構的穩定性而導致“紅水”、“黃水”現象，直接影響飲用水水質，同時影響供水管道使用壽命，加大企業成本投入。

3、水質的穩定狀態，取決于輸送水體和管壁狀態兩者之間的相互作用。由不同主導因素所對應的水體組合最終決定了復雜摻混水體的水質特征與管道受侵蝕的傳遞規律。由此可見，準確全面地揭示摻混水對管網水質穩定性的影響，需要對摻混水質、摻混水體比例、管網管壁特征等進行系統性研究和評估。目前國內外關于淡化水通入輸配水系統主要集中于礦化調質，直接礦化調質淡化水所需成本較高，通過淡化水與自來水摻混的低成本調質方式，成為近些年淡化水補給自來水系統的新型補給方式。

4、但目前的研究僅集中在靜態管道或只配置攪拌器豎立放置的實驗管道，不符合實際管道水平放置的水力環境，未能真正反映管道受變化水質擾動后的水質穩定情況。而針對礦化/非礦化淡化水與多水源制自來水摻混調試的水質穩定實驗裝置還處于亟待開發階段。新水源的開發，需要帶來“質”的提升，因此更加需要設計一種能夠模擬摻混水體在管道內真實流動情況的研究裝置，以保障管網供水水質穩定，推動供水領域新質生產力建設。

技術實現思路

1、本發明針對給水水質和給水管道領域的研究缺陷，為解決現有技術中存在的技術問題提供一種可實現多水質分質、協同供水的管道水質穩定研究裝置及實驗方法，本發明旨在優化供水結構，擴大海水淡化應用場景。

2、本發明包括如下技術方案：一種可實現多水質分質、協同供水的管道水質穩定研究裝置，包括設置于預配水區的高位配水水箱、設置于實驗運行區的實驗管道，及并存于預配水區與實驗運行區的合質水箱；所述高位配水水箱包括淡化水高位配水水箱和自來水高位配水水箱，淡化水高位配水水箱頂部設有淡化水提升泵、內部設有淡化水水箱攪拌器、底部連接有淡化水計量泵和淡化水控制閥并設有淡化水水箱排水口，自來水高位配水水箱頂部設有自來水提升泵、內部設有自來水水箱攪拌器、底部連接有自來水計量泵和自來水控制閥并設有自來水水箱排水口；所述淡化水提升泵和自來水提升泵通過管道連接至預配水區三通，淡化水控制閥和自來水控制閥通過管道連接至預配水區四通；所述預配水區三通與預配水區四通之間通過管道連接，預配水區四通下方設置預配水區出水閥；所述預配水區出水閥連接至合質水箱，合質水箱側面連接實驗運行區出水三通、頂部合質水箱回水口連接至合質水箱提升泵，合質水箱提升泵連接實驗運行區回水三通，實驗運行區回水三通另外兩端分別連接至實驗運行區出水三通和實驗管道；所述實驗管道和實驗運行區出水三通之間還設有水泵。

3、使用時，所述淡化水高位配水水箱與自來水高位配水水箱根據實驗所需水體配置兩種水體，配置好的淡化水、自來水依次通過淡化水計量泵、淡化水計量泵定量分質流出，隨后經由預配水區四通、預配水區出水閥匯入合質水箱，混合水體經合質水箱進行機械攪拌或水力攪拌后通過水泵提升進入實驗管道。

4、進一步的，所述淡化水提升泵、自來水提升泵、水泵均為小型靜音恒溫變頻泵，能夠為實驗提供十檔水流速度，使得本發明能夠依梯度流速考察多水質實驗水體在實驗管道內的水質穩定狀態。同時恒溫變頻泵不會因水泵運行而升溫，故不會影響實驗水體溫度。所述水泵通過電線依次連接水泵控制器、水泵控制器插頭及可定時插銷；所述淡化水高位配水水箱頂部還安裝有二氧化碳發生器，以便于淡化水在礦化調質中通入co2。

5、進一步的，所述實驗管道兩端通過法蘭連接亞克力材質透明觀察管，即進水端透明觀察管和出水端透明觀察管，有助于觀察流經管道內水體的充滿度、色度、濁度等情況。所述實驗管道管長1m，管徑100mm-150mm，可根據實驗需求更換管材，包括但不限于帶水泥砂漿內襯的球墨鑄鐵管、帶腐蝕垢的灰口鑄鐵管、帶環氧樹脂內襯的球墨鑄鐵管、pvc-o管、pvc-u管、pe管等。

6、進一步的，所述實驗管道外部設有采用聚氨酯材料的實驗管道保溫層和實驗管道加熱管，能夠分別實現實驗管道的控溫、加熱效果。此外，相較于常用的內加熱，本實驗裝置的外加熱能夠避免內加熱管的腐蝕對實驗管道水體造成的影響。所述實驗管道加熱管配置有加熱器控制開關，加熱器控制開關連接有定時開關插銷，能夠有效實現實驗管道定時加熱的效果。所述實驗管道還配置了實驗管道電子測溫計，可實時監測實驗管道溫度；所述水泵與實驗管道之間設有浮子流量計和實驗管路進水控制閥門，實驗運行區回水三通與實驗管道之間設有電子流量計和實驗管道蝶閥。

7、進一步的，所述合質水箱的頂部設有凸起于水箱頂部并深入水箱蓋板下的合質水箱加藥口、合質水箱回水口及合質水箱電子溫度計；合質水箱內部設有合質水箱攪拌器、外表面設有合質水箱保溫層和合質水箱加熱器，合質水箱加熱器上設置有合質水箱加熱器控制開關，合質水箱加熱器控制開關連接有合質水箱加熱器定時開關插銷，能夠實現合質水箱定時加熱、恒溫的效果。配置好的藥品可通過合質水箱加藥口便捷通入合質水箱。

8、進一步的，所述合質水箱為不銹鋼金屬材質，該材質具有良好的導熱性。所述合質水箱加熱器設置在合質水箱外層，外層的熱量能夠通過合質水箱的金屬材質將熱量快速傳導進入水箱內部水體，待合質水箱內水體溫度達到設定值時停止加熱。

9、進一步的，所述合質水箱前側的合質水箱進水口前端設有合質水箱進水端控制閥，合質水箱后側的合質水箱出水口連接實驗運行區出水三通；所述合質水箱底面設有合質水箱排水口。

10、進一步的，所述預配水區內設置有不少于兩個高位水箱，高位水箱可通過其高水位優勢為水箱內水體提供勢能，使得預配水區水體不通過水泵的動能亦可匯入合質水箱，相較于低水位水箱，該設計能夠節約泵產生的電能，同時又能為預配水區內的水體流入合質水箱提供多種供水方式。

11、進一步的，根據實際摻混水體種類需求，在所述預配水區內可以添加高位水箱、相應的機械攪拌裝置及水力循環裝置；增設的水箱兩兩一組或單個一組，并以組為單位配置相應的預配水區出水閥，并通過管道連接至合質水箱。高位水箱將由配水水質屬性決定其水箱的功能屬性，可添加多個高位水箱也屬本發明的創新之一，可以根據具體實驗需求來調整設備規模。

12、可實現多水質分質、協同供水的管道水質穩定的實驗方法，使用上述研究裝置，包括以下步驟：

13、s1、當模擬的管道環境內存在既有水體，先將既有水體通入研究裝置，在合質水箱內通入既有水體，對既有水體加藥并通過機械攪拌或水力攪拌對既有水體與藥品進行均勻混合并加熱到設定溫度；

14、s2、通過調節實驗運行區出水三通、實驗運行區回水三通的開啟方向，實現既有水體在實驗管道內的循環，循環過程中對實驗管道內的水體進行控溫，待既有水體在實驗運行區ii內運行一段時間后，將其從合質水箱排水口和實驗管道排水口排空，同時分別在淡化水高位配水水箱、自來水高位配水水箱內配置淡化水和自來水；

15、s3、供水方式為摻混供水時，將配置好的淡化水依次經由淡化水計量泵、淡化水控制閥、預配水區四通、預配水區出水到合質水箱；自來水依次經由自來水計量泵、自來水控制閥、預配水區四通、預配水區出水閥到合質水箱，淡化水和自來水匯入合質水箱后通過機械攪拌或水力攪拌對摻混水體進行均勻混合并將其加熱至實驗設定溫度，隨后調節實驗運行區出水三通的開啟方向，使得摻混水體流入水泵，通過水泵調節流量并提升進入實驗管道，并通過進水端透明觀察管(13-1)、出水端透明觀察管(13-2)觀察其色度和濁度；

16、s4、供水方式為交替供水時，打開自來水控制閥、合質水箱進水端控制閥，關閉淡化水控制閥，關閉實驗運行區出水三通，使得自來水依次經過自來水計量泵、自來水控制閥、預配水區四通、預配水區出水閥到合質水箱；待自來水配水的水體灌入合質水箱后關閉合質水箱進水端控制閥并將自來水加熱到實驗設定溫度，然后對其進行機械攪拌或水力攪拌；隨后調節實驗運行區出水三通、實驗運行區回水三通的開啟方向，使得摻混水體流入水泵，通過水泵調節流量并提升進入實驗管道觀察其色度和濁度；待自來水運行階段結束后，將自來水水體通過合質水箱排水口和實驗管道排水口排空，隨后打開淡化水控制閥、合質水箱進水端控制閥，關閉自來水控制閥，關閉實驗運行區出水三通，使得淡化水依次經過淡化水計量泵、淡化水控制閥、預配水區四通、預配水區出水閥到合質水箱，待淡化水配水水體灌入合質水箱后關閉合質水箱進水端控制閥并將水體加熱至設定溫度，然后對其進行機械攪拌或水力攪拌；隨后調節實驗運行區出水三通、實驗運行區回水三通的開啟方向，使得淡化水水體流入水泵，通過水泵調節流量并提升進入實驗管道觀察其色度和濁度；交替往復進行上述自來水和淡化水在實驗運行區ii的運行過程，并從實驗管道排水口定期取水檢測水質；

17、s5、當模擬的管道環境內不存在既有水體且供水方式為摻混供水時，直接進行s3；

18、s6、當模擬的管道環境內不存在既有水體且供水方式為交替供水時，直接進行s4。

19、所述實驗運行區(ii)有三種循環方式：循環方式一，關閉合質水箱進水端控制閥，當合質水箱內流出的水體灌滿實驗運行區ii后，使得實驗水體在實驗運行區(ii)內循環，實驗水體不流回合質水箱，水體依次經過實驗運行區出水三通、水泵、浮子流量計、實驗管路進水控制閥門、進水端透明觀察管、實驗管道、出水端透明觀察管、電子流量計到實驗運行區回水三通，最后流回至實驗運行區出水三通；循環方式二：實驗水體在合質水箱和實驗管道之間進行循環，水體依次經過合質水箱、實驗運行區出水三通、水泵、浮子流量計、實驗管路進水控制閥門、進水端透明觀察管、實驗管道、出水端透明觀察管、電子流量計、實驗運行區回水三通、合質水箱回水口最后回到合質水箱；循環方式三：實驗水體僅在合質水箱內進行水力循環，適用于合質水箱內加藥后的水力循環，水體依次經過合質水箱、實驗運行區出水三通、實驗運行區回水三通、合質水箱提升泵、合質水箱回水口，最后回流到合質水箱；所述s1中合質水箱加入藥品后采用機械攪拌或循環方式三進行混藥處理；所述s2中水體在實驗運行區ii中的運行方式為循環方式一或二；所述s3和s4中水力攪拌的方式均為循環方式一或二。

20、本發明具有的優點和積極效果：

21、1、本發明采用的淡化水高位配水水箱、自來水高位配水水箱和合質水箱均有機械攪拌和水力攪拌兩種均質方式，雙攪拌模式互為補充、互為備用，可在一種均質方式出現故障時提供備用方式，同時也可提供雙重均質方式，兩種方式的協同運行將使得水體均質化更加深入，能夠有效實現藥品與實驗水體、混合實驗水體的均質化。

22、前兩者通過調節預配水區三通和預配水區四通的開啟方向即可實現水力攪拌；淡化水高位配水水箱內的實驗水體流出至淡化水計量泵后，由淡化水提升泵提升，經淡化水控制閥、預配水區四通、預配水區三通、淡化水提升泵回流至淡化水高位配水水箱即可完成一次對淡化水的水力攪拌；自來水高位配水水箱內的實驗水體流出至自來水計量泵后，由自來水提升泵提升，經自來水控制閥、預配水區四通、預配水區三通、自來水提升泵回流至自來水高位配水水箱即可完成一次對自來水的水力攪拌。合質水箱可通過調節實驗運行區出水三通、實驗運行區回水三通的開啟方向，實現三種循環方式，適用的實驗操作更多。

23、2、本發明同時具備機械攪拌和水力攪拌兩種均質方式，不僅在一套裝置內能夠實現藥品(礦化)調質，同時能夠實現摻混調質并定量分配匯入合質水箱，模擬效果更好，能夠保證實驗水體在符合實際水力情況的方式下流動。

24、3、本發明采用在實驗管道與合質水箱的外加熱設計，相較于常用的內加熱，能夠有效避免內加熱管的腐蝕對實驗管道水質造成的影響；同時配置有控溫、測溫裝置，有效保證實驗過程的溫度控制。

25、4、相較于其他裝置一套裝置只能檢測一種管材，本裝置實驗管道兩端由法蘭連接，可根據實驗需求更換不同管材，具備節約實驗裝置耗材、節省實驗經費、便于提取管道管壁附著“固相”沉積物的優勢；實驗管道前后端配有透明觀察管，管道后側配置取水口，能夠實現對水相污染物的實時觀察與提取，通過水質情況計算評估獲得摻混水體對實驗管道的擾動情況，有效評估摻混水質的安全風險。

26、5、相較于市面上常用的變頻泵，本實驗配置的水泵為小型靜音恒溫變頻泵，在使用過程中水泵溫度恒定，不會對實驗水體的溫度產生影響。變頻泵能夠為實驗提供十檔水流速度，使得本發明能夠依梯度流速考察多水質實驗水體對實驗管道的水質穩定性影響。

27、6、本發明可以配置多個高位水箱，能夠灌入并按需配置多種水源水，可以根據具體實驗需求來調整設備規模。