基于水量與水質(zhì)調(diào)控的平原地區(qū)加壓站設(shè)計

白華清

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川成都 610081)

1 概述

成都市地處平原，城區(qū)用水約85 %來自成都市水六、七廠重力流供水，用水點與凈水廠距離較遠(yuǎn)。當(dāng)城市用水量波動增大時，會對整個供水系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊。由于城市周圍沒有高地，無法像山地城市一樣，設(shè)置高位調(diào)節(jié)水池，因此城區(qū)供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足。

H供水加壓站就是在此背景下提出建設(shè)的。一方面，充分利用加壓站內(nèi)部清水池的調(diào)蓄容量，采用夜間用水低峰時進(jìn)水(凌晨0∶00～7∶00)，白天用水高峰時通過水泵泵組加壓，反向向管網(wǎng)補水的方式，提高城區(qū)供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力；另一方面，滿足向洪河片區(qū)用戶加壓供水(高區(qū)加壓系統(tǒng))的需求。

2 加壓站設(shè)計

2.1 加壓站設(shè)計規(guī)模

結(jié)合水力模型軟件(InfoWorks)，構(gòu)建了成都市供水管網(wǎng)模型，模擬動態(tài)工況下的管網(wǎng)運行情況，通過各片區(qū)的管網(wǎng)壓力變化，計算系統(tǒng)需要的補水量和補水時間，在此基礎(chǔ)上，確定H供水加壓站內(nèi)清水池的調(diào)蓄容積和加壓泵房的規(guī)模。

經(jīng)模擬計算后，確定H供水加壓站工程設(shè)計總規(guī)模8×104m3/d，其中清水池總有效庫容需要5.7×104m3。加壓站分為高、低壓系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)服務(wù)洪河片區(qū)(全天)，低壓系統(tǒng)服務(wù)城區(qū)管網(wǎng)，即：高峰時從清水池內(nèi)抽水，反向向城區(qū)供水管網(wǎng)系統(tǒng)補水。洪河片區(qū)管網(wǎng)與主城區(qū)管網(wǎng)相互獨立。具體流程如圖1所示。

圖1 H供水加壓站流程

2.2 加壓泵房

加壓泵房：高區(qū)加壓系統(tǒng)設(shè)計總規(guī)模8×104m3/d，分二期建設(shè)，一期4×104m3/d，二期增加4×104m3/d，時變化系數(shù)1.4。其中，一期工程分兩個階段實施，各階段分別實施2×104m3/d。低區(qū)加壓系統(tǒng)一次建成，設(shè)計最大供水量3 750 m3/h。高、低區(qū)泵房合建，土建一次完成，設(shè)備分期安裝[2]。低壓采用工頻，高壓采用變頻控制方式(表1)。

表1 加壓泵站進(jìn)、出水管道水力參數(shù)

2.2.1 一期工程高區(qū)泵布置形式

一期一階段選用小泵2臺(均為工作泵，其中1臺變頻)；大泵2臺(1用1備，其中1臺變頻)，其中：小泵單臺流量Q=300m3/h，揚程H=58m，功率N=75kW；大泵單臺流量Q=600m3/h，揚程H=58m，功率N=160kW。一期二階段增加同型號大泵2臺。

2.2.2 低區(qū)泵布置形式

選用4臺水泵，3用1備。單泵流量Q=1250m3/h，揚程H=32m，功率N=185kW。

2.3 消毒間

消毒間總設(shè)計規(guī)模為8×104m3/d。消毒劑為次氯酸鈉溶液(有效氯濃度≥11%)，設(shè)計投加量為0.2～0.5 mg/L，平面尺寸：L×B=6.6m×10.0m，框架結(jié)構(gòu)。投加點為兩個，分別是泵房高、低區(qū)出水總管。計量泵三臺，2用(低區(qū)及高區(qū)各一臺)1備，計量泵參數(shù)為Q=20 L/h，P=10bar，N=0.09kW。由于次氯酸鈉溶液易分解，儲罐應(yīng)注意避光保存。

3 水量控制方法

管網(wǎng)供水區(qū)域較大，距離凈水廠較遠(yuǎn)，且供水區(qū)域有合適的位置和適宜的地形，可考慮在水廠外建高位水池、水塔或調(diào)節(jié)水池泵站[2]。洪河地處成都平原，由于城市周圍沒有高地，無法像山地城市一樣，設(shè)置高位調(diào)節(jié)水池，為保證城區(qū)供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，設(shè)置清水池作為水量調(diào)節(jié)構(gòu)筑物。

根據(jù)用戶需求：一方面要求清水池進(jìn)水時不能影響供水管網(wǎng)正常供水，另一方面在白天用水高峰時，需要將清水池內(nèi)飲用水準(zhǔn)確、可控地補給到城市管網(wǎng)中(低區(qū))，同時還可以全天向洪河片區(qū)(高區(qū))供水。清水池容積應(yīng)由加壓泵站供水線和最高日用水量確定。由于建設(shè)紅線用地非常緊張，因此經(jīng)技術(shù)方案比較，清水池有效水深取8.0 m，總體尺寸為：L×B×H=86.0～94.2m×83.7m×8.5m，內(nèi)設(shè)進(jìn)水、出水、溢流、通氣管及液位計孔。

泵站進(jìn)水(三環(huán)成老成渝立交處)絕對壓力為531 m左右，泵站場地高程510.0～511.5 m，為確保清水池可以平穩(wěn)進(jìn)水，并維持上游主管道壓力基本恒定，設(shè)計在進(jìn)水總管上裝設(shè)先進(jìn)的電控活塞式控制閥(DN1000)，對清水池的進(jìn)水時間、進(jìn)水流量、前后壓力差進(jìn)行自動控制，以起到減壓、控流的作用。

由于清水池池深較大(總深8.5 m)，為方便管理和保證操作人員人身安全，進(jìn)出清水池采用鋼筋混凝土樓梯，改變了以往常規(guī)的直爬梯做法。

清水池伸縮縫是一處施工難點[3]，稍有不慎易產(chǎn)生漏點，施工時應(yīng)該重點管控該處風(fēng)險。建議盛水構(gòu)筑物的緊鄰雙壁之間，可留一通道(如800 mm左右)，方便人員檢查構(gòu)筑物池體四周是否有漏點并可做相應(yīng)維護(hù)。

4 水質(zhì)控制方法

給水系統(tǒng)中，對飲用水水質(zhì)進(jìn)行控制，消毒是必不可少的。常用的消毒技術(shù)措施有：氯及氯化物消毒、臭氧消毒、紫外線消毒[4]。由于城市凈水廠采用的是液氯消毒，為保證水質(zhì)檢測的一致性(均檢測余氯值)，所以加壓站仍然采用氯型的消毒劑?？紤]到加壓站位于城區(qū)，周邊有居民區(qū)，若采用液氯，儲存、運輸有一定的安全風(fēng)險，所以，本項目采用了比較安全的次氯酸鈉消毒技術(shù)。

根據(jù)工藝需要，清水池采用上部進(jìn)水方式[5]。為對清水池中余氯進(jìn)行保持，工程設(shè)計人員需要對清水池進(jìn)水方式進(jìn)行比選。進(jìn)水方式有豎管式進(jìn)水和溢流堰跌落進(jìn)水方式。在余氯衰減相同的情況下，當(dāng)采用溢流堰跌落進(jìn)水方式時，液體處于紊流狀態(tài)。在跌落過程中，空氣中的氧氣向水中快速轉(zhuǎn)移；在跌落到清水池時，水流跌落的沖擊作用使得一部分空氣被攜帶進(jìn)水體，在水流的相互作用下不斷形成氣泡，氣泡不斷上升、破裂[6]，根據(jù)Fick定律，氧不斷擴(kuò)散到水中，傳質(zhì)過程加快，擴(kuò)散的結(jié)果將氧的濃度分布趨于均勻，水中的游離態(tài)余氯不斷散發(fā)。因此，考慮到進(jìn)水跌水高差過大，可能會產(chǎn)生池體沖刷和水中余氯的無效散發(fā)，設(shè)計采用豎管式進(jìn)水方式(圖2)，豎管式進(jìn)水方式正好彌補了溢流堰跌落進(jìn)水方式(圖3)的不足。

圖2 豎管式進(jìn)水

圖3 大跌落式進(jìn)水

選取附近類似的F供水加壓站(采用溢流堰跌落進(jìn)水方式，見圖3)近幾年余氯值變化情況進(jìn)行比較，結(jié)果表明，本工程采用的豎管式進(jìn)水方式對減少水中余氯散發(fā)作用明顯。

以4月26日為例，對兩個加壓站余氯測量值進(jìn)行比較分析如下。

4.1 F供水加壓站

從三環(huán)路供水主管進(jìn)水，清水池每天換水1次，總水力停留時間約24 h。

(1)進(jìn)水余氯曲線圖見圖4(4月25日23∶35-4月26日7∶00)。

圖4 進(jìn)水余氯曲線(4月25日23∶35-4月26日7∶00)

經(jīng)測定，清水池出水余氯值在0.22～0.29 mg/L之間，根據(jù)運行要求(出站水余氯值不低于0.3 mg/L)，需啟動次氯酸鈉投加系統(tǒng)進(jìn)行補加氯作業(yè)，補氯量0.25～0.29 mg/L。

(2)補氯后出水余氯曲線見圖5(4月26日8∶10-13∶20)

圖5 進(jìn)水余氯曲線(4月26日8∶10-13∶20)

(3)補氯后出水余氯曲線見圖6(4月26日18∶00-23∶15)

圖6 補氯后出水余氯曲線(4月26日18∶00-23∶15)

4.2 H供水加壓站

H供水加壓站距F供水加壓站約19 km，也是從三環(huán)路供水主管進(jìn)水，清水池每天換水1次，總水力停留時間約24 h。

(1)進(jìn)水余氯變化情況見圖7(4月26日凌晨0∶00-7∶00)。

(2)出水余氯變化情況見圖8(未補加氯，4月26日8∶20-23∶45)。

圖7 進(jìn)水余氯曲線(4月26日凌晨0∶00-7∶00)

圖8 出水余氯曲線(未補加氯，4月26日8∶20-23∶45)

從圖4～圖8中數(shù)據(jù)分析可以看出：H供水加壓站進(jìn)水(凌晨0∶00～7∶00)余氯值約0.46～0.48 mg/L，在未補加氯的情況下，出水余氯值約0.43～0.46 mg/L，一天內(nèi)池內(nèi)余氯值約下降0.04～0.05 mg/L。而F供水加壓站清水池內(nèi)余氯值下降較多，約為0.10～0.18 mg/L。根據(jù)近3年來的實際運行經(jīng)驗來看：H供水加壓站一般在夏季氣溫較高時(6～10月)，才需要對出站水進(jìn)行補加氯，其余時間不需要，出站水余氯均能滿足要求，而F供水加壓站每日均需進(jìn)行補加氯作業(yè)。

在來水水源、進(jìn)水時間和清水池水力停留時間基本相同的情況下，F(xiàn)供水加壓站清水池內(nèi)余氯消耗量要大很多，經(jīng)分析與它的大跌落進(jìn)水造成的余氯無效散發(fā)有直接關(guān)系。

5 結(jié)束語

(1)本項目打破平原地區(qū)由于無高地，一般難以設(shè)置供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)水池的慣例，利用城區(qū)周邊地塊，興建大型清水池，通過夜間時段進(jìn)水調(diào)蓄、白天利用泵組加壓注入城市管網(wǎng)中，實現(xiàn)就近、可控地向城市管網(wǎng)定向補水，有效提高供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，同時充分發(fā)揮了水廠的生產(chǎn)能力，提高城區(qū)供水安全性，具有一定的示范意義。

(2)為對清水池余氯進(jìn)行保持，在清水池上部采用豎管式進(jìn)水方式，進(jìn)水水流平緩順接進(jìn)入池內(nèi)。該方式避免了大落差跌落進(jìn)水方式的余氯損失，起到水質(zhì)保持和節(jié)約運行成本的作用。

(3)對于深型清水池，為保證人員安全，宜采用鋼筋混凝土樓梯。