姜 影,薛祥山,周影烈,王建富,楊 鋼,張中元
(1.北京清控人居環(huán)境研究院有限公司,北京 100083;2.常州智建工程管理有限公司,江蘇 常州 213000)
城市水資源是城市發(fā)展的命脈,供水系統(tǒng)是城市基礎設施的重要組成部分。近年來各大城市對水源、水量分配及供水設施的保障要求越來越高,同時也越發(fā)重視水資源規(guī)劃和供水保障體系規(guī)劃的編制,以期科學指導和推動供水事業(yè)。因此,實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置,完善供水體系,確保供水安全是亟待解決的重要問題。邛崍市水資源量相對較豐富,但區(qū)域分配不均,對其進行水資源優(yōu)化配置,合理分配水量,可有效提高水資源利用率,實現(xiàn)優(yōu)水優(yōu)用。此外,對供水體系進行系統(tǒng)分析,充分論證水源和供水設施建設,優(yōu)化供水格局,可有效保障供水安全并提高供水系統(tǒng)運行可靠性[1- 7]。
邛崍市位于成都市西南部,隸屬成都市“西控”、“南拓”范疇,境內(nèi)共有9條河流,河網(wǎng)密布,年徑流總量為9.91億m3,可利用量為5.328億m3。邛崍市多年平均水資源總量為10.7億m3,可利用量約為7.36億m3。人均水資源量為5353m3,單位國土面積水資源量為77.4萬m3/km2,水資源總量相對較豐富。
邛崍市主要以地表水供水為主,采用蓄、引、提相結(jié)合,大、中、小型工程兼?zhèn)涞乃Y源供水體系。共有19個供水廠,總供水能力約為17萬m3/d,其中城區(qū)供水來自城市自來水廠,農(nóng)村供水以臥龍水廠為主,主要供給平原集中發(fā)展鄉(xiāng)鎮(zhèn),山區(qū)則為一鄉(xiāng)鎮(zhèn)一水廠。用水主要集中在生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境幾個方面,總體符合三條紅線4.4億m3的總量控制指標。但隨著邛崍市招商引資的進行、開發(fā)區(qū)和工業(yè)園區(qū)的興建,工業(yè)用水增加迅速,供用水矛盾逐漸凸顯。
邛崍市水資源總體較豐富,但存在時空分布不均、供需分配不均衡,供水體系不完善等問題。主要體現(xiàn)在三方面。
(1)總體降雨量豐沛,但時空分布不均,年內(nèi)季節(jié)性差異大邛崍市多年平均降水量約為1040.5mm,降雨量自西向東逐漸遞減。最大年降雨量1378.2mm,最小838.3mm。年內(nèi)降雨主要集中在6—9月,豐水期約占全年降雨量的70%,枯水期僅占全年7.3%。
(2)水源單一
市域內(nèi)供水廠都是單一水源,缺乏第二水源。出現(xiàn)緊急情況時,無法保障正常供水,存在供水風險。其中,城市自來水廠水源為南河石河堰地表水,為單水源且上游存在沿途污染風險。臥龍水廠水源為境外的百丈水庫,水源保護管理困難,水質(zhì)無法得到有效保障,存在安全隱患。
(3)供水保障率差
近幾年邛崍市為落實成都“西控”“南拓”要求,全力融入天府新區(qū)建設國家中心城市衛(wèi)星城目標,城鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)迅速發(fā)展,需水量大幅增加,部分水廠已超負荷運行,臥龍水廠最為突出。臥龍水廠供市域東部13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和2個產(chǎn)業(yè)園區(qū),供水主干管已接近飽和,水廠實際供水已超負荷,但仍無法滿足用水需求。隨著工業(yè)園區(qū)逐漸建成,服務人口及范圍隨之擴增,供水壓力持續(xù)增加,供水安全保障威脅也愈發(fā)突顯。城區(qū)水廠雖滿足供區(qū)用水總量需求,但由于部分管網(wǎng)管材不達標,出現(xiàn)漏損、爆管現(xiàn)象。同時,隨著城市的快速發(fā)展,部分管道管徑不足,水量分配不均衡,供水保證率低,亟需改造。因此,邛崍市需統(tǒng)籌并優(yōu)化配置水資源,合理提升、改造供水設施,按“合理開發(fā),優(yōu)水優(yōu)用”的原則,提高供水保障率,確保供水安全,整體提高水資源利用率[8- 10]。
(1)經(jīng)濟效益目標:供水產(chǎn)生的經(jīng)濟效益最大,即國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)最大
Max(GDP)=A1·X1+A2·X2+A3·X3
(1)
式中,X1—第一產(chǎn)業(yè)用水量;X2—第二產(chǎn)業(yè)用水量;X3—第三產(chǎn)業(yè)用水量。A1—單位水資源第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值;A2—單位水資源第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值;A3—單位水資源第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值。
(2)缺水量目標:缺水量最小
Min(V)=X1+X2+X3+LSH+LST-TZ
(2)
式中,LSH—生活用水量;LST—生態(tài)用水量;TZ—總可用水量;其余符號意義同上。
(1)可用水量約束:
TZ=T地表+T地下+T其他
(3)
式中,TZ—總可用水量;T地表—地表水可用水量;T地下—地下水可用水量;T其他—其他水源可用水量(如污水回用量、海水利用量等)。
(2)各部門用水量約束:
bi(i=1,2,3) (4) 式中,Xi—第i用水部門的用水總量;i—第i產(chǎn)業(yè);bi—第i用水部門的最低用水總量;di—第i用水部門的最大用水總量;其余符號意義同上。 以2022年和2035年2個規(guī)劃水平年作為研究的時間尺度,對邛崍市的水資源進行配置計算。基于上述目標函數(shù)及約束條件,參考三條紅線控制指標進行反復調(diào)算,得出不同水平年的水資源優(yōu)化配置結(jié)果見表1。 表1 水資源配置結(jié)果表 單位:108m3 參考各用水部門用水配置比例,計算出規(guī)劃水平年2022年可供綜合生活用水量為0.63億m3,可供工業(yè)用水量為1.34億m3。各用水部門水量配置結(jié)果見表2,總體滿足用水需求。 鑒于邛崍市供水廠水源單一、供水保障率差等問題,提出城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)主水廠第二水源方案,建立雙水源供水模式。根據(jù)邛崍市實際情況進行多個水源方案比選及可行性分析論證,經(jīng)論證后確定最優(yōu)方案,形成現(xiàn)有供水體系的第二水源系統(tǒng),在遇特枯年或連續(xù)枯水年水量不足或突發(fā)供水事件時,可滿足各用水戶的基本用水需求。最優(yōu)方案如下: (1)城區(qū)水廠——由玉溪河引水樞紐通過沙石支渠輸水至邛崍市北部陳祠堂水庫,將陳祠堂水庫與紅旗水庫進行連通,通過輸水管道輸送至城市自來水廠,作為城區(qū)水廠第二水源,以此雙重保障城區(qū)的供水安全及供水保障率。 (2)臥龍水廠——利用水廠上游五綿山支渠從玉溪河引水至大山崗,將大山崗作為水源地,從大山崗接輸水管道至臥龍水廠,作為臥龍水廠第二水源。 綜合考慮邛崍市地形、流域、行政區(qū)劃、灌區(qū)等各方面因素,以地形、流域的影響因素為主導,結(jié)合邛崍市用水情況及行政區(qū)域統(tǒng)分性、組合性與完整性,將市域劃分為3個供水片區(qū),如圖1所示。 圖1 邛崍市供水片區(qū)劃分及水廠建設布局圖 根據(jù)前述各部門水量配置結(jié)果、結(jié)合城市用水需求,臥龍水廠規(guī)模應增加至25萬t/d;西南山丘區(qū)建設3萬t/d的天臺山水廠,供給西南地區(qū)用水。最終實現(xiàn)以臥龍水廠、城市自來水廠、天臺山水廠等三大水廠為主的“大水廠供水、大管網(wǎng)輸水、小水廠應急備用”的城鄉(xiāng)一體、全域覆蓋供水格局。同時對部分年代久遠、老化的設備進行改造,以便在集中水廠緊急關(guān)停時起到應急保障作用,確保供水安全。 5.4.1 管網(wǎng)分區(qū) 供水管網(wǎng)分區(qū)計量是將復雜的系統(tǒng)劃分為若干相對獨立的子系統(tǒng)。實現(xiàn)分區(qū)供水,是進行管網(wǎng)漏損分析和產(chǎn)銷差控制比較通用的做法,根據(jù)邛崍市地形及區(qū)域特征,以原有的城市供水自然經(jīng)營區(qū)域為基礎,將城區(qū)管網(wǎng)劃分為9個分區(qū),如圖2所示。 5.4.2 模型構(gòu)建及模擬計算 根據(jù)現(xiàn)狀CAD圖形文件進行供水管網(wǎng)拓撲信息錄入,再對管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)正確性進行檢驗,得到完整的現(xiàn)狀管網(wǎng)拓撲信息,進而結(jié)合管網(wǎng)建模需求,進行管網(wǎng)簡化計算。本研究經(jīng)簡化后的管網(wǎng)節(jié)點數(shù)為191,管段數(shù)為315。最后,輸入水廠、泵站、閥門、摩阻系數(shù)等管網(wǎng)屬性信息,進行水量分配,實現(xiàn)管網(wǎng)模擬計算。 在水力模擬計算過程中,一般采用新管的海曾-威廉C值,即130。但由于供水管網(wǎng)建設年限和管徑都對C值有不同程度影響,本次采用理論與實踐相結(jié)合的方法,結(jié)合相關(guān)管段阻力系數(shù)實測結(jié)果,確定現(xiàn)狀管網(wǎng)C值為110。節(jié)點高程數(shù)據(jù)參考邛崍地形及相關(guān)豎向規(guī)劃確定。根據(jù)以上分析,本模型共包含管道858個,節(jié)點542個,管道總長度333.5km,如圖3所示。 圖2 中心城區(qū)供水管網(wǎng)分區(qū)圖 圖3 模型拓撲結(jié)構(gòu)圖 5.4.3 模擬結(jié)果及管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整 經(jīng)模型模擬計算后,主城區(qū)部分管段流速為0.6~1.0m/s,局部管段流速超過1.0m/s,整體流速偏大,管道負荷過高。因此,需通過調(diào)整局部管網(wǎng)布局、管徑等方式進行優(yōu)化布置,主要方案如下: (1)沿西郊路(西河大橋以北)新建DN1000輸水管道,新增水量通過北部君平大道輸送至規(guī)劃新建地區(qū),降低新增流量對老城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。 (2)對濱河路(現(xiàn)狀水廠出廠管網(wǎng)過河處至西河大橋段)進行改造,改造后管徑為DN600;沿黃壩東路新建DN600供水管線。(3)結(jié)合綜合管廊建設,對君平大道、西環(huán)路、鳳凰大道管網(wǎng)進行更新改造。 通過改造后流速工況模擬分析,相較于改造前流速分布更加合理,管道負荷進一步降低。 5.4.4 最高日最高時工況分析 水量計算中,時變化系數(shù)采用1.4,則最高日最高時設計流量為2385L/s。各分區(qū)流量見表3。 表3 各分區(qū)流量計算一覽表 根據(jù)模擬計算結(jié)果,最不利點ID編號為294,自由水頭為28m,滿足服務壓力需求。城市水廠出流量為2130.9L/s,出廠壓力水頭為42.9m。由模型計算出的管網(wǎng)流速分布得出,大部分管道流速介于0.3~0.6m/s,部分管道流速為0.6~1.0m/s。同時,從模型中可分析出,城市水廠至規(guī)劃最遠點總水頭線坡度平緩,自由水頭滿足水壓設定目標。 5.4.5 消防與事故校核 研究區(qū)人口按32萬人計,同一時間內(nèi)火災2起,一起火災設計流量按60L/s計算。最不利點水壓為27.2m,最大流速1.28m/s,滿足消防要求。 供水干管發(fā)生事故時,設計流量按城區(qū)遠期(含發(fā)展備用地)最大時的70%考慮,即1669.6L/s,最大流速1.29m/s。滿足要求。 本文針對邛崍市多水源多水廠的現(xiàn)狀,提出水資源優(yōu)化配置方案。經(jīng)配置后的各部門水量滿足用水需求,單位水資源發(fā)揮了更大效益,可為今后類似水資源分配決策提供參考依據(jù)。 在供水體系研究中,提出了雙水源供水模式及以三大水廠為核心的城鄉(xiāng)一體、全域覆蓋的供水格局。結(jié)合管網(wǎng)水力模擬分析,提出相應改造方案,調(diào)整管網(wǎng)格局,優(yōu)化現(xiàn)狀管網(wǎng),提高供水效率和供水保障率,保障城市供水系統(tǒng)的安全可靠運行。 供水體系建設綜合性較強、涉及面廣,仍需進一步深入研究,將理論與實踐相結(jié)合,全面實現(xiàn)水資源高效利用和城市供水體系的可持續(xù)發(fā)展。4 水量優(yōu)化配置結(jié)果
5 供水體系分析
5.1 水源保障系統(tǒng)分析
5.2 供水片區(qū)劃分
5.3 水廠建設布局
5.4 供水管網(wǎng)分析
6 結(jié)論