基于液位控制下的水池(箱)水齡估算方法及優化建議

耿 冰

(上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司，上海 200082)

1 研究背景

追求高品質飲用水，是供水行業永恒的主題和為之奮斗的目標[1]。上海供水主管部門擬提出2035年全面實現高品質飲用水的規劃奮斗目標[2]，深圳也啟動了在鹽田區設置高品質飲用水示范區的實踐工作[3]。而二次供水作為城市供水系統的“最后一公里”，保障其水質安全對整個供水體系具有重要意義。二次供水系統主要由埋地街坊管道、樓宇立管、水池、水箱、水泵、閥門及水表(流量計)等設施構成。水池(箱)作為二次供水的重要環節，扮演著重要的角色。就上海市而言，其中心城區就約有14萬個屋頂水箱，7 000多個地下水池[4]。其作為重要的調蓄設施，常因為密封不完全、材質老舊和水齡過大使得內部水質存在超標風險。大多數水池(箱)由于采用浮球閥隨用隨補運行模式，未充分利用水池(箱)的調蓄容積，也沒有結合用戶的實際用水需求和市政管網的調度方式進行優化，不利于降低水齡、保障供水水質[5]。另外，很多老舊小區的儲水設備在當初建設時普遍存在容積過大的情況，部分老舊小區屋頂水箱的儲水容積甚至足夠本棟居民48 h以上的用水需求。如此大的容積勢必造成過高的水齡，從而影響總氯、亞硝酸鹽及微生物等水質指標[6]。因此，部分水司嘗試采用液位控制補水水池(箱)的調蓄功能，以降低水齡，減小水質指標超標的風險。截至2018年7月底，上海某水司已改造、接管二次供水小區4 000余個，涉及屋頂水箱逾5萬只，如何控制水齡保障水質成為現階段的重要目標之一。而精確的水齡計算往往需借助模型及大量的監測儀表來實現，即便是國內發達地區的水司，面對成千上萬個水箱水池，也難以利用該方法獲得水齡數據。

針對以上問題，本文介紹一種基于液位控制下的水池(箱)估算方法，得出液位控制二次供水水池(箱)的水齡，同時根據推導公式中相關參數，提出相應水池(箱)優化方案。

2 研究方法

2.1 液位控制補水水池(箱)工作原理

本文中水齡指的是單位體積飲用水在水池(箱)的平均停留時間，為了方便對其的控制，上海某水司在部分改造小區采用液位控制補水取代傳統浮球閥補水模式。水池(箱)安裝液位控制閥以及液位傳感器，閥門根據液位信號邏輯進行開閉。如圖1所示，液位控制補水模式工作原理為：水池(箱)液位從關閥停補液位下降至開閥補水液位過程中，進水閥持續關閉，出水管正常出水；當水池(箱)液位觸及或低于開閥補水液位后，進水管閥門打開并補水，出水管正常出水，直至液位達到關閥停補液位，閥門關閉。

圖1 液位控制補水模式Fig.1 Water Replenishment Mode under Liquid Level Control

2.2 液位控制補水水池(箱)液位變化規律

當居民用水量較為穩定時，其液位數據如圖2所示。由圖2可知，在連續的一周時間里，采用液位控制補水的水池(箱)能夠快速完成補水。在進水管閥門關閉期間，液位下降平緩近似一條斜線，用水情況較為穩定。補水時間間隔相近，具有周期性。

圖2 某小區水箱液位變化情況Fig.2 Change of Water Tank Level in a Community

3 水齡的推導

3.1 計算模型的構建

由于液位控制補水水池(箱)的補水時間極短，且居民各時段用水量較為平衡。假設閥門開關時間不計，且補水時間較短弱化其影響，流態對水齡影響極小，且補進的水和存水在水池(箱)中充分均勻混合。居民用水量在一定的時間內穩定，則圖2可以簡化為圖3。

圖3 液位控制補水水池(箱)水齡計算圖Fig.3 Water Age Calculation Chart of Liquid Level Control in Water Pool (Tank)

3.2 水齡計算

本文僅估算生活飲用水經過單一水池(箱)后的水齡變化情況， 因此假設打開閥門時進水的水齡為0，設水池(箱)平均補水周期為T，總有效容積為V，單次補水水量為x，存水水量為y，則V=x+y。令補水水量占總的有效容積比例為a[a=x/(x+y)]，存水水量占總的有效容積比例為b[b=y/(x+y)]。則初始時刻，首次水池(箱)內充滿水且水齡為0 h，經過T時間，內部液位不斷下降至開閥補水液位，此刻水齡也變為T；而打開閥門后，新補充的水與存水混合，使得水齡在補水瞬間得到降低，變為bT；再經過T時間，存水又由bT增加至bT+T，然后依次循環。水池(箱)內水齡變化推導過程如表1所示。

表1 補水周期下的水齡情況Tab.1 Water Age under the Replenishment Cycle

(1)

(2)

其中：tmin——水箱補水穩定運行一定時間后最短水齡，h；

tmax——水箱補水穩定運行一定時間后最長水齡，h；

V——水池(箱)有效容積，m3；

q——平均用水量，m3/h；

b——存水水量占總的有效容積比例。

由式(1)～式(2)可知：當水池(箱)內的水充分混合，忽略補水過程中的干擾，最長水齡由有效容積與平均用水量決定；而最短水齡除了與有效容積和平均用水量有關之外，還與開閥補水液位的高低(存水水量占比)有關。

3.3 優化方案

基于上述水齡估算公式推導得出以下水齡控制建議。

由式(2)可知，考慮到水池(箱)的最長水齡，如果需對其降低，在保障居民高峰用水需求的同時，盡可能降低水池(箱)有效容積，且地下水池有條件時宜采用生消分離模式。

由式(1)～式(2)可知，當原有水池(箱)容積過大(容積達到最高日用水量及以上)，且本身結構受現場環境限制無法改變時，可加裝液位控制閥，降低關閥停補液位和開閥補水液位。降低開閥補水液位可以有效減小水箱有效容積，從而降低最長水齡；降低關閥停補液位可以有效減小最短水齡。但是在降低液位的同時，由于相關規范對出水管高度有下限要求，單純一味降低液位會導致進水管下方水的低循環區域占比過大，進水水量小，無法充分混合產生死水區，反而影響水質。因此，對于新建水池(箱)，設計容積一定時，底面積不宜過大，否則后期會制約通過降低液位控制水齡的空間。當液位控制無法達到水齡控制需求，但具備施工條件，也可以采用取消、合并或改建部分水池(箱)等方式。

實際情況下，當補水間隔時間T較小時，尤其是夜間11點—早晨5點用水量較少時，水池(箱)存在不補水情況。而根據估算公式所計算的水齡可能低于6 h，此時水齡最不利情況可采用最大補水時間間隔。當補水間隔T較大時(尤其大于24 h)，由于補水過程中時間占比小，且隨時間增加混合更為均勻，此刻通過公式估算得到的水齡值可能高于實際水齡。

4 結論與展望

通過本文所推導的估算公式，可以在相關監測設備缺乏條件下，快速根據水池(箱)現有尺寸、水位以及用水數據計算液位控制二次供水水池(箱)水齡情況。若水齡過高，從實際操作難易角度出發，可優先嘗試通過液位控制閥。當液位控制無法達到水齡控制需求時，可以通過改造水池(箱)結構縮小容積，合并或取消水池(箱)等。

針對水池(箱)補水模式最常見的為浮球閥進水，而浮球閥會根據液位降低不同，導致閥門開度不同，影響進水流量，同時，浮球閥隨用隨補時間較短，很難達到內部水體均勻混合。因此，采用上述公式進行水齡估算時，存在一定偏差。而采用時間控制，作為水池(箱)補水方式時，此刻T更為恒定，水齡估算僅根據上下液位變化值，進行略微調整即可。

但是二供水齡控制只是保障龍頭水質達標的必要條件，溫度和材質的影響也十分重要，同時，二次供水的水齡控制一定程度還會對市政管網的水齡產生影響，如何更好將二供水齡優化與市政管網水齡優化相結合，可能是水司未來關注的焦點。