基于水量與水質調控的平原地區加壓站設計

白華清

(中國市政工程西南設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。當城市用水量波動增大時，會對整個供水系統產生較大的沖擊。由于城市周圍沒有高地，無法像山地城市一樣，設置高位調節水池，因此城區供水系統調節能力不足。

H供水加壓站就是在此背景下提出建設的。一方面，充分利用加壓站內部清水池的調蓄容量，采用夜間用水低峰時進水(凌晨0∶00～7∶00)，白天用水高峰時通過水泵泵組加壓，反向向管網補水的方式，提高城區供水系統調節能力；另一方面，滿足向洪河片區用戶加壓供水(高區加壓系統)的需求。

2 加壓站設計

2.1 加壓站設計規模

結合水力模型軟件(InfoWorks)，構建了成都市供水管網模型，模擬動態工況下的管網運行情況，通過各片區的管網壓力變化，計算系統需要的補水量和補水時間，在此基礎上，確定H供水加壓站內清水池的調蓄容積和加壓泵房的規模。

經模擬計算后，確定H供水加壓站工程設計總規模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，高壓系統服務洪河片區(全天)，低壓系統服務城區管網，即：高峰時從清水池內抽水，反向向城區供水管網系統補水。洪河片區管網與主城區管網相互獨立。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：高區加壓系統設計總規模8×104m3/d，分二期建設，一期4×104m3/d，二期增加4×104m3/d，時變化系數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。低區加壓系統一次建成，設計最大供水量3 750 m3/h。高、低區泵房合建，土建一次完成，設備分期安裝[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、出水管道水力參數

2.2.1 一期工程高區泵布置形式

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

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

3 水量控制方法

管網供水區域較大，距離凈水廠較遠，且供水區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、水塔或調節水池泵站[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，設置高位調節水池，為保證城區供水系統調節能力，設置清水池作為水量調節構筑物。

根據用戶需求：一方面要求清水池進水時不能影響供水管網正常供水，另一方面在白天用水高峰時，需要將清水池內飲用水準確、可控地補給到城市管網中(低區)，同時還可以全天向洪河片區(高區)供水。清水池容積應由加壓泵站供水線和最高日用水量確定。由于建設紅線用地非常緊張，因此經技術方案比較，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，內設進水、出水、溢流、通氣管及液位計孔。

泵站進水(三環成老成渝立交處)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進水，并維持上游主管道壓力基本恒定，設計在進水總管上裝設先進的電控活塞式控制閥(DN1000)，對清水池的進水時間、進水流量、前后壓力差進行自動控制，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，進出清水池采用鋼筋混凝土樓梯，改變了以往常規的直爬梯做法。

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

4 水質控制方法

給水系統中，對飲用水水質進行控制，消毒是必不可少的。常用的消毒技術措施有：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。考慮到加壓站位于城區，周邊有居民區，若采用液氯，儲存、運輸有一定的安全風險，所以，本項目采用了比較安全的次氯酸鈉消毒技術。

根據工藝需要，清水池采用上部進水方式[5]。為對清水池中余氯進行保持，工程設計人員需要對清水池進水方式進行比選。進水方式有豎管式進水和溢流堰跌落進水方式。在余氯衰減相同的情況下，當采用溢流堰跌落進水方式時，液體處于紊流狀態。在跌落過程中，空氣中的氧氣向水中快速轉移；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Fick定律，氧不斷擴散到水中，傳質過程加快，擴散的結果將氧的濃度分布趨于均勻，水中的游離態余氯不斷散發。因此，考慮到進水跌水高差過大，可能會產生池體沖刷和水中余氯的無效散發，設計采用豎管式進水方式(圖2)，豎管式進水方式正好彌補了溢流堰跌落進水方式(圖3)的不足。

圖2 豎管式進水

圖3 大跌落式進水

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

以4月26日為例，對兩個加壓站余氯測量值進行比較分析如下。

4.1 F供水加壓站

從三環路供水主管進水，清水池每天換水1次，總水力停留時間約24 h。

(1)進水余氯曲線圖見圖4(4月25日23∶35-4月26日7∶00)。

圖4 進水余氯曲線(4月25日23∶35-4月26日7∶00)

經測定，清水池出水余氯值在0.22～0.29 mg/L之間，根據運行要求(出站水余氯值不低于0.3 mg/L)，需啟動次氯酸鈉投加系統進行補加氯作業，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，也是從三環路供水主管進水，清水池每天換水1次，總水力停留時間約24 h。

(1)進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中數據分析可以看出：H供水加壓站進水(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，一天內池內余氯值約下降0.04～0.05 mg/L。而F供水加壓站清水池內余氯值下降較多，約為0.10～0.18 mg/L。根據近3年來的實際運行經驗來看：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行補加氯作業。

在來水水源、進水時間和清水池水力停留時間基本相同的情況下，F供水加壓站清水池內余氯消耗量要大很多，經分析與它的大跌落進水造成的余氯無效散發有直接關系。

5 結束語

(1)本項目打破平原地區由于無高地，一般難以設置供水系統調節水池的慣例，利用城區周邊地塊，興建大型清水池，通過夜間時段進水調蓄、白天利用泵組加壓注入城市管網中，實現就近、可控地向城市管網定向補水，有效提高供水系統調節能力，同時充分發揮了水廠的生產能力，提高城區供水安全性，具有一定的示范意義。

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

(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。