小區(qū)優(yōu)質(zhì)飲用水改造工程方案多維度比選

曾佳榆，陸 瑤，曹昊晨，李 薇，袁文麒，舒詩(shī)湖

（1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.上海浦東威立雅自來(lái)水有限公司，上海 200127；3.中國(guó)電建集團(tuán)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；4.上海韻水工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 201707）

目前飲用水水質(zhì)在現(xiàn)有深度凈水工藝基礎(chǔ)上不斷提高，但仍不能確保龍頭水水質(zhì)達(dá)到直接生飲水平。二次供水位于市政供水管網(wǎng)的末端，具有水力停留時(shí)間長(zhǎng)、余氯含量低、水質(zhì)易受二次污染等特點(diǎn)[1]，尤其對(duì)于老舊小區(qū)而言，管材腐蝕嚴(yán)重，水質(zhì)問(wèn)題投訴較多。以上海某老舊小區(qū)作為直飲水示范點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行二次供水改造。雖然國(guó)內(nèi)已有多個(gè)直飲水試點(diǎn)工程，但大多直飲水工程主要聚焦于對(duì)市政自來(lái)水采用各種組合工藝(如過(guò)濾、高級(jí)氧化、納濾工藝等)處理制備直飲水[2]，未能實(shí)現(xiàn)市政自來(lái)水直飲。對(duì)于二次供水小區(qū)的改造大多也停留在漏損控制、屋頂水箱和增壓設(shè)備上[3]，而該工程通過(guò)優(yōu)化小區(qū)給水管網(wǎng)的水齡來(lái)降低二次供水的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)市政自來(lái)水直飲目標(biāo)。

該小區(qū)房齡22年，二供模式均為低位水池+變頻水泵供水，泵房?jī)?nèi)水泵的使用情況是兩用一備，泵的揚(yáng)程為40 m，流量為5.56 L/s，街坊管道材質(zhì)為聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)，樓宇管道材質(zhì)為三型聚丙烯(Polypropylene Random,PPR)。經(jīng)檢測(cè)，該小區(qū)改造前用戶(hù)樓立管、用戶(hù)龍頭水的異養(yǎng)菌數(shù)、細(xì)菌總數(shù)、渾濁度等水質(zhì)指標(biāo)在夏季存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，但小區(qū)進(jìn)水口的水質(zhì)指標(biāo)較好。因此，在該小區(qū)建立水力模型，為改造過(guò)程中的管道布置、泵房設(shè)計(jì)提供依據(jù)，改善二次供水的水力、水質(zhì)條件，縮短水齡，防止水在水池、管網(wǎng)中發(fā)生水質(zhì)惡化。

1 供水管網(wǎng)水力模擬

1.1 構(gòu)建水力模型

在建立水力模型之前，需要搜集管網(wǎng)資料，包括節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、高程、各門(mén)洞水表數(shù)據(jù)、管道長(zhǎng)度、管徑、管材(確定粗糙系數(shù)) 、小區(qū)配水管網(wǎng)的進(jìn)水口節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等。

根據(jù)水表數(shù)據(jù)，求出各門(mén)洞24 h用水量的平均值，從而得出各門(mén)洞的基本需水量。水庫(kù)總水頭設(shè)為1，以實(shí)際的進(jìn)水壓力作為進(jìn)水模式。在數(shù)據(jù)中輸入水泵的流量和揚(yáng)程得到水泵曲線(xiàn)，并將水泵的效率均設(shè)為0.8得到水泵模式。構(gòu)建水力模型的流程如圖1所示。

圖1 構(gòu)建水力模型流程圖Fig.1 Flow chart of constructing hydraulic model

各節(jié)點(diǎn)24 h需水量模式如圖2所示，將其導(dǎo)入EPANETH水力模型中對(duì)小區(qū)現(xiàn)狀管網(wǎng)進(jìn)行水力模擬。

圖2 需水量系數(shù)隨時(shí)間變化圖Fig.2 The water demand coefficient changes with time

1.2 現(xiàn)狀

根據(jù)小區(qū)現(xiàn)狀給水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和各門(mén)洞的水表數(shù)據(jù)，獲得各節(jié)點(diǎn)的基本需水量和住宅24 h需水量曲線(xiàn)，使用EPANETH水力模型對(duì)小區(qū)現(xiàn)狀管網(wǎng)進(jìn)行水力模擬，運(yùn)行24 h后各節(jié)點(diǎn)和管段的水齡如圖3所示。最不利點(diǎn)的水齡為10.95 h，水池進(jìn)水點(diǎn)的水齡為1.03 h，水池出水點(diǎn)的水齡為8.78 h，因此水在水池中停留的時(shí)間為7.75 h(出水點(diǎn)水齡?進(jìn)水點(diǎn)水齡，下同) ，管網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存的水大約2.17 h(最不利點(diǎn)水齡?出水點(diǎn)水齡，下同)用完。泵房?jī)?nèi)只開(kāi)1臺(tái)泵，并對(duì)該水泵開(kāi)啟80%變頻，各門(mén)洞早上8點(diǎn)的壓力值約為34.54 m，符合壓力需求。

圖3 現(xiàn)狀管網(wǎng)水力模擬圖Fig.3 Current pipe network hydraulic simulation diagram

1.3 方案1

對(duì)小區(qū)現(xiàn)有管網(wǎng)進(jìn)行改造，管網(wǎng)末梢與泵房出口管道聯(lián)通形成環(huán)網(wǎng)(聯(lián)通管不與其他管道聯(lián)通)，并對(duì)改造后的管網(wǎng)進(jìn)行水力模擬。模擬結(jié)果顯示，24 h后最不利點(diǎn)的水齡為13.26 h，水池進(jìn)水點(diǎn)的水齡為1.03 h，水池出水點(diǎn)的水齡為8.78 h，因此水在水池中停留的時(shí)間為7.75 h，管網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存的水大約4.48 h用完。泵房?jī)?nèi)只開(kāi)1臺(tái)泵，并對(duì)該水泵開(kāi)啟80%變頻。

1.4 方案2和方案3

方案2是將管網(wǎng)末梢與泵房出口管道聯(lián)通形成環(huán)網(wǎng)(聯(lián)通管與其他管道聯(lián)通)，并對(duì)改造后的管網(wǎng)進(jìn)行水力模擬。模擬結(jié)果顯示，24 h后最不利點(diǎn)的水齡為13.42 h，水池進(jìn)水點(diǎn)的水齡為1.03 h，水池出水點(diǎn)的水齡為8.78 h，因此水在水池中停留的時(shí)間為7.75 h，管網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存的水大約4.64 h用完。泵房?jī)?nèi)只開(kāi)1臺(tái)泵，并對(duì)該水泵開(kāi)啟80%變頻。

方案3是將管網(wǎng)末梢回水至泵房水池(回水管不與其他管道聯(lián)通)，并對(duì)改造后的管網(wǎng)進(jìn)行水力模擬。模擬結(jié)果顯示，24 h后最不利點(diǎn)的水齡為12.14 h，水池進(jìn)水點(diǎn)的水齡為1.03 h，水池出水點(diǎn)的水齡為10.60 h，因此水在水池中停留的時(shí)間為9.57 h，管網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存的水大約1.54 h用完。泵房?jī)?nèi)開(kāi)兩臺(tái)泵，對(duì)該水泵開(kāi)啟80%變頻，相比現(xiàn)狀、方案1、方案2，該方案的電力消耗較大。

2 方案優(yōu)化與多維度比選

2.1 水池水位優(yōu)化

2.1.1 基于水池水位優(yōu)化的現(xiàn)狀管網(wǎng)

現(xiàn)狀管網(wǎng)水池的初始水位為1.5 m，最低水位為0.5 m，最高水位為2.8 m。耿冰[4]提到降低最高水位可以有效地減小水池的有效容積，從而降低水齡，但是在調(diào)節(jié)水位的同時(shí)也要考慮水池中的低循環(huán)區(qū)域占比不能過(guò)大，否則會(huì)由于進(jìn)水量小無(wú)法充分混合而產(chǎn)生死水區(qū)。因此保持原有最低水位不變，在保證該水力模型正常運(yùn)行(不發(fā)出警報(bào))的情況下降低最高水位，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整最高水位和初始水位，最后達(dá)到模型能夠正常運(yùn)行的狀態(tài)。優(yōu)化后初始水位為1.6 m，最低水位為0.5 m，最高水位為1.7 m。相比原來(lái)設(shè)定的水池水位，大約可以縮短1 h的水齡。其中，最不利點(diǎn)的水齡為10.05 h，水池進(jìn)水點(diǎn)的水齡為1.03 h，水池出水點(diǎn)的水齡為7.85 h，因此水在水池中停留的時(shí)間為6.82 h，管網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存的水大約2.2 h用完。

2.1.2 基于水池水位優(yōu)化的方案1管網(wǎng)

方案1管網(wǎng)水池的初始水位為1.5 m，最低水位為0.5 m，最高水位為2.8 m。與現(xiàn)狀水池水位優(yōu)化方案類(lèi)似，保持原有最低水位不變，在保證該水力模型正常運(yùn)行的情況下降低最高水位，優(yōu)化后初始水位為1.6 m，最低水位為0.65 m，最高水位為1.65 m。相比原來(lái)設(shè)定的水池水位，大約可以縮短半小時(shí)的水齡。其中，最不利點(diǎn)的水齡為13.18 h，水池進(jìn)水點(diǎn)的水齡為1.03 h，水池出水點(diǎn)的水齡為8.69 h，因此水在水池中停留的時(shí)間為7.66 h，管網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存的水大約4.49 h用完。

2.2 管網(wǎng)管徑優(yōu)化

2.2.1 基于水池水位和管網(wǎng)管徑優(yōu)化的現(xiàn)狀管網(wǎng)

縮小管網(wǎng)管徑可以減小運(yùn)輸過(guò)程水在管網(wǎng)中的體積，可以縮短水齡，因此在符合管網(wǎng)流速的條件下對(duì)管網(wǎng)管徑進(jìn)行優(yōu)化。現(xiàn)狀管網(wǎng)從市政管到泵房水池的進(jìn)水管管徑為DN150，小區(qū)內(nèi)部街坊管管徑為DN150，街坊管到各門(mén)洞的進(jìn)水管管徑為DN100。經(jīng)調(diào)整，從市政管到泵房水池的進(jìn)水管管徑仍為DN150，小區(qū)內(nèi)部街坊管管徑采用DN100，入戶(hù)管管徑采用DN50。調(diào)整后，相比原管徑大約可以縮短0.5 h的水齡，管網(wǎng)流速小幅度提升，但大部分管道流速仍低于0.1 m/s，符合管網(wǎng)流速條件，運(yùn)行24 h后各門(mén)洞水齡如圖4所示。最不利點(diǎn)的水齡為9.59 h，水池進(jìn)水點(diǎn)的水齡為1.03 h，水池出水點(diǎn)的水齡為7.85 h，因此水在水池中停留的時(shí)間為6.82 h，管網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存的水大約1.74 h用完。

圖4 基于水池水位和管網(wǎng)管徑優(yōu)化的現(xiàn)狀管網(wǎng)水力模擬圖Fig.4 The current pipe network hydraulic simulation diagram based on the optimization of the water level of the pool and the pipe diameter

2.2.2 基于水池水位和管網(wǎng)管徑優(yōu)化的方案1管網(wǎng)

方案1管網(wǎng)從市政管到泵房水池的進(jìn)水管管徑為DN150，小區(qū)內(nèi)部街坊管管徑為DN150，街坊管到各門(mén)洞的進(jìn)水管管徑為DN100，回路管徑為DN100。經(jīng)調(diào)整，從市政管到泵房水池的進(jìn)水管管徑仍為DN150，小區(qū)內(nèi)部街坊管管徑采用DN100，入戶(hù)管管徑采用DN50，回路管徑為DN100。調(diào)整后，相比原管徑大約可以縮短1.5 h的水齡，管網(wǎng)流速小幅度提升，但管道流速仍低于0.1 m/s。其中，最不利點(diǎn)的水齡為11.45 h，水池進(jìn)水點(diǎn)的水齡為1.03 h，水池出水點(diǎn)的水齡為8.69 h，因此水在水池中停留的時(shí)間為7.66 h，管網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)存的水大約2.76 h用完。

2.3 多維度比選

由表1可知，水池水位優(yōu)化方案縮短了水在泵房的停留時(shí)間，管網(wǎng)管徑優(yōu)化方案縮短了水在管網(wǎng)中的停留時(shí)間。這兩個(gè)優(yōu)化方案對(duì)改善水齡均有著較大的促進(jìn)作用。從供水可靠性來(lái)看，枝狀管網(wǎng)的供水可靠性較低，環(huán)狀管網(wǎng)的供水可靠性較強(qiáng)。從水齡上來(lái)看，環(huán)狀管網(wǎng)由于增加了管道，因此增加了水在管網(wǎng)中的停留時(shí)間，從而增長(zhǎng)水齡，現(xiàn)狀枝狀管網(wǎng)的水齡最短。從節(jié)能的角度考慮，現(xiàn)狀、方案1、方案2、方案3的入門(mén)洞壓力均相差不大，但方案3開(kāi)了2臺(tái)泵，其余方案只開(kāi)了1臺(tái)泵，從泵的能耗來(lái)看，現(xiàn)狀、方案1、方案2較節(jié)能；方案1、方案2、方案3均是環(huán)狀管網(wǎng)，增加了管道的工程量，從工程造價(jià)方面考慮，現(xiàn)狀的工程量最少，造價(jià)最低。

表1 各工況下的水齡比較Table 1 Comparison of water age under various working conditions

根據(jù)以上多維度的比較，選擇維持現(xiàn)狀的管網(wǎng)布置，并進(jìn)行水池水位優(yōu)化和管網(wǎng)管徑優(yōu)化，最終水齡為9.59 h，入門(mén)洞壓力為34.58 m。

2.4 水池容積優(yōu)化

當(dāng)水池的設(shè)計(jì)容積遠(yuǎn)大于需水量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生死儲(chǔ)水容量，不能經(jīng)常補(bǔ)充自來(lái)水，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，久之容易造成二次污染[5]，且水池的水力停留時(shí)間=水池容積/小區(qū)用水量[6]，因此，要縮短水齡就需要對(duì)水池容積進(jìn)行優(yōu)化。改造前原水池尺寸為5 m×2 m×3 m，有效容積為25 m3，經(jīng)水池水位優(yōu)化后，模擬結(jié)果顯示現(xiàn)狀水池有效容積最少需要10 m3。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50015-2019，生活用水低位貯水池的有效容積宜按建筑物最高日用水量的20%～25%確定。已有水表數(shù)據(jù)顯示，2020年9月14日至11月9日的最高日獨(dú)立計(jì)量分區(qū)(District Metered Area, DMA)流量為97.7 m3，因此水池有效容積取19.54～24.425 m3較為合理。模擬結(jié)果顯示現(xiàn)狀水池所需的有效容積僅為10 m3，但貯水池不僅用于貯備生活用水量，還用于調(diào)節(jié)生活用水量和貯存消防和事故用水[7]，因此改造方案仍應(yīng)遵守設(shè)計(jì)規(guī)范，最終改造方案取19.54 m3的有效水池容積。

3 結(jié)論

多維度比選后最終確定了水齡最優(yōu)的方案，即基于水池水位和管網(wǎng)管徑優(yōu)化的現(xiàn)狀管網(wǎng)方案。由于氯主要與水中的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、微生物發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)水中的污染物濃度較高時(shí)余氯衰減的速率也較高，反之，余氯衰減速率較小，因此在二次供水中控制余氯衰減速率是保障居民飲用水安全的措施之一[8]。該工程改造前后分別對(duì)泵房進(jìn)水口、泵房出水口、用戶(hù)水龍頭、用戶(hù)樓立管等處采樣并監(jiān)測(cè)各采樣點(diǎn)48 h的余氯衰減。根據(jù)48 h的監(jiān)測(cè)結(jié)果擬合余氯衰減一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型C=C0e?kt，可以擬合出在水溫為12 ℃時(shí)改造前的主體水余氯衰減系數(shù)約為0.015，而改造后的主體水余氯衰減系數(shù)約為0.007，主體水余氯衰減系數(shù)降低了53.3%。由此可見(jiàn)，此次基于水齡優(yōu)化的改造對(duì)水質(zhì)提升具有較明顯的效果。

除此之外，還在泵房增加水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括泵房進(jìn)出水余氯值、渾濁度值以及水溫、泵房進(jìn)出水壓力等參數(shù)，方便值班人員實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況并及時(shí)處理突發(fā)情況[9]。

基于上述優(yōu)化方案的實(shí)施，可以看出水質(zhì)優(yōu)化改造工程著重在于對(duì)其進(jìn)行水池水位優(yōu)化、管網(wǎng)管徑優(yōu)化、更換管材、水池容積和進(jìn)水模式優(yōu)化等方面。在二次供水方面可以通過(guò)多種優(yōu)化方式相結(jié)合以縮短小區(qū)內(nèi)部的水齡，達(dá)到市政自來(lái)水直飲的目的。對(duì)于小型或?qū)┧煽啃砸蟛桓叩墓こ炭刹捎弥罟芫W(wǎng)以減小水齡，對(duì)于大型或?qū)┧煽啃砸筝^高的工程可采用環(huán)狀管網(wǎng)以提高供水可靠性。

4 展望

為了進(jìn)一步縮短水齡，可以在預(yù)知出水量升高前增加進(jìn)水量，在預(yù)知出水量降低前減少進(jìn)水量，即根據(jù)水池出水量變化曲線(xiàn)調(diào)整水池進(jìn)水曲線(xiàn)。圖5為調(diào)整前水池的進(jìn)出水量曲線(xiàn)，調(diào)整后水池的進(jìn)水量隨著水池的出水量的變化而變化，不斷地補(bǔ)充新的水與存水混合，降低水齡，如圖6所示。在理想狀態(tài)下，調(diào)整后可以在高峰期前增加水池進(jìn)水，在低峰期前減少水池進(jìn)水，從而達(dá)到降低水齡的效果。因此，下一步可以對(duì)水池進(jìn)水模式進(jìn)行調(diào)試。

圖5 調(diào)整前水池進(jìn)出水量曲線(xiàn)Fig.5 Curve of water in and out of the water tank before adjustment

圖6 調(diào)整后水池進(jìn)出水量曲線(xiàn)Fig.6 Curve of water in and out of the water tank after adjustment

直飲水是一個(gè)復(fù)雜的工程，在改造的過(guò)程中不僅要考慮小區(qū)二次供水的改造方案，還要考慮到整個(gè)直飲水供水鏈條，包括供水水源、途徑供水管網(wǎng)、受水單位和戶(hù)內(nèi)內(nèi)裝管道、龍頭[10]，要求每個(gè)環(huán)節(jié)水質(zhì)均達(dá)到高品質(zhì)飲用水要求。因此后續(xù)可以找出從水廠至該小區(qū)途徑的管網(wǎng)，根據(jù)EPANETH水力模型找出流速較低的滯水管道，通過(guò)增加閥門(mén)或縮小管徑的方式提升滯水管道的流速，以縮短水齡，提高水質(zhì)。