基于水量与水质调控的平原地区加压站设计

白华清

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川成都 610081)

1 概述

成都市地处平原，城区用水约85 %来自成都市水六、七厂重力流供水，用水点与净水厂距离较远。当城市用水量波动增大时，会对整个供水系统产生较大的冲击。由于城市周围没有高地，无法像山地城市一样，设置高位调节水池，因此城区供水系统调节能力不足。

H供水加压站就是在此背景下提出建设的。一方面，充分利用加压站内部清水池的调蓄容量，采用夜间用水低峰时进水(凌晨0∶00～7∶00)，白天用水高峰时通过水泵泵组加压，反向向管网补水的方式，提高城区供水系统调节能力；另一方面，满足向洪河片区用户加压供水(高区加压系统)的需求。

2 加压站设计

2.1 加压站设计规模

结合水力模型软件(InfoWorks)，构建了成都市供水管网模型，模拟动态工况下的管网运行情况，通过各片区的管网压力变化，计算系统需要的补水量和补水时间，在此基础上，确定H供水加压站内清水池的调蓄容积和加压泵房的规模。

经模拟计算后，确定H供水加压站工程设计总规模8×104m3/d，其中清水池总有效库容需要5.7×104m3。加压站分为高、低压系统，高压系统服务洪河片区(全天)，低压系统服务城区管网，即：高峰时从清水池内抽水，反向向城区供水管网系统补水。洪河片区管网与主城区管网相互独立。具体流程如图1所示。

图1 H供水加压站流程

2.2 加压泵房

加压泵房：高区加压系统设计总规模8×104m3/d，分二期建设，一期4×104m3/d，二期增加4×104m3/d，时变化系数1.4。其中，一期工程分两个阶段实施，各阶段分别实施2×104m3/d。低区加压系统一次建成，设计最大供水量3 750 m3/h。高、低区泵房合建，土建一次完成，设备分期安装[2]。低压采用工频，高压采用变频控制方式(表1)。

表1 加压泵站进、出水管道水力参数

2.2.1 一期工程高区泵布置形式

一期一阶段选用小泵2台(均为工作泵，其中1台变频)；大泵2台(1用1备，其中1台变频)，其中：小泵单台流量Q=300m3/h，扬程H=58m，功率N=75kW；大泵单台流量Q=600m3/h，扬程H=58m，功率N=160kW。一期二阶段增加同型号大泵2台。

2.2.2 低区泵布置形式

选用4台水泵，3用1备。单泵流量Q=1250m3/h，扬程H=32m，功率N=185kW。

2.3 消毒间

消毒间总设计规模为8×104m3/d。消毒剂为次氯酸钠溶液(有效氯浓度≥11%)，设计投加量为0.2～0.5 mg/L，平面尺寸：L×B=6.6m×10.0m，框架结构。投加点为两个，分别是泵房高、低区出水总管。计量泵三台，2用(低区及高区各一台)1备，计量泵参数为Q=20 L/h，P=10bar，N=0.09kW。由于次氯酸钠溶液易分解，储罐应注意避光保存。

3 水量控制方法

管网供水区域较大，距离净水厂较远，且供水区域有合适的位置和适宜的地形，可考虑在水厂外建高位水池、水塔或调节水池泵站[2]。洪河地处成都平原，由于城市周围没有高地，无法像山地城市一样，设置高位调节水池，为保证城区供水系统调节能力，设置清水池作为水量调节构筑物。

根据用户需求：一方面要求清水池进水时不能影响供水管网正常供水，另一方面在白天用水高峰时，需要将清水池内饮用水准确、可控地补给到城市管网中(低区)，同时还可以全天向洪河片区(高区)供水。清水池容积应由加压泵站供水线和最高日用水量确定。由于建设红线用地非常紧张，因此经技术方案比较，清水池有效水深取8.0 m，总体尺寸为：L×B×H=86.0～94.2m×83.7m×8.5m，内设进水、出水、溢流、通气管及液位计孔。

泵站进水(三环成老成渝立交处)绝对压力为531 m左右，泵站场地高程510.0～511.5 m，为确保清水池可以平稳进水，并维持上游主管道压力基本恒定，设计在进水总管上装设先进的电控活塞式控制阀(DN1000)，对清水池的进水时间、进水流量、前后压力差进行自动控制，以起到减压、控流的作用。

由于清水池池深较大(总深8.5 m)，为方便管理和保证操作人员人身安全，进出清水池采用钢筋混凝土楼梯，改变了以往常规的直爬梯做法。

清水池伸缩缝是一处施工难点[3]，稍有不慎易产生漏点，施工时应该重点管控该处风险。建议盛水构筑物的紧邻双壁之间，可留一通道(如800 mm左右)，方便人员检查构筑物池体四周是否有漏点并可做相应维护。

4 水质控制方法

给水系统中，对饮用水水质进行控制，消毒是必不可少的。常用的消毒技术措施有：氯及氯化物消毒、臭氧消毒、紫外线消毒[4]。由于城市净水厂采用的是液氯消毒，为保证水质检测的一致性(均检测余氯值)，所以加压站仍然采用氯型的消毒剂。考虑到加压站位于城区，周边有居民区，若采用液氯，储存、运输有一定的安全风险，所以，本项目采用了比较安全的次氯酸钠消毒技术。

根据工艺需要，清水池采用上部进水方式[5]。为对清水池中余氯进行保持，工程设计人员需要对清水池进水方式进行比选。进水方式有竖管式进水和溢流堰跌落进水方式。在余氯衰减相同的情况下，当采用溢流堰跌落进水方式时，液体处于紊流状态。在跌落过程中，空气中的氧气向水中快速转移；在跌落到清水池时，水流跌落的冲击作用使得一部分空气被携带进水体，在水流的相互作用下不断形成气泡，气泡不断上升、破裂[6]，根据Fick定律，氧不断扩散到水中，传质过程加快，扩散的结果将氧的浓度分布趋于均匀，水中的游离态余氯不断散发。因此，考虑到进水跌水高差过大，可能会产生池体冲刷和水中余氯的无效散发，设计采用竖管式进水方式(图2)，竖管式进水方式正好弥补了溢流堰跌落进水方式(图3)的不足。

图2 竖管式进水

图3 大跌落式进水

选取附近类似的F供水加压站(采用溢流堰跌落进水方式，见图3)近几年余氯值变化情况进行比较，结果表明，本工程采用的竖管式进水方式对减少水中余氯散发作用明显。

以4月26日为例，对两个加压站余氯测量值进行比较分析如下。

4.1 F供水加压站

从三环路供水主管进水，清水池每天换水1次，总水力停留时间约24 h。

(1)进水余氯曲线图见图4(4月25日23∶35-4月26日7∶00)。

图4 进水余氯曲线(4月25日23∶35-4月26日7∶00)

经测定，清水池出水余氯值在0.22～0.29 mg/L之间，根据运行要求(出站水余氯值不低于0.3 mg/L)，需启动次氯酸钠投加系统进行补加氯作业，补氯量0.25～0.29 mg/L。

(2)补氯后出水余氯曲线见图5(4月26日8∶10-13∶20)

图5 进水余氯曲线(4月26日8∶10-13∶20)

(3)补氯后出水余氯曲线见图6(4月26日18∶00-23∶15)

图6 补氯后出水余氯曲线(4月26日18∶00-23∶15)

4.2 H供水加压站

H供水加压站距F供水加压站约19 km，也是从三环路供水主管进水，清水池每天换水1次，总水力停留时间约24 h。

(1)进水余氯变化情况见图7(4月26日凌晨0∶00-7∶00)。

(2)出水余氯变化情况见图8(未补加氯，4月26日8∶20-23∶45)。

图7 进水余氯曲线(4月26日凌晨0∶00-7∶00)

图8 出水余氯曲线(未补加氯，4月26日8∶20-23∶45)

从图4～图8中数据分析可以看出：H供水加压站进水(凌晨0∶00～7∶00)余氯值约0.46～0.48 mg/L，在未补加氯的情况下，出水余氯值约0.43～0.46 mg/L，一天内池内余氯值约下降0.04～0.05 mg/L。而F供水加压站清水池内余氯值下降较多，约为0.10～0.18 mg/L。根据近3年来的实际运行经验来看：H供水加压站一般在夏季气温较高时(6～10月)，才需要对出站水进行补加氯，其余时间不需要，出站水余氯均能满足要求，而F供水加压站每日均需进行补加氯作业。

在来水水源、进水时间和清水池水力停留时间基本相同的情况下，F供水加压站清水池内余氯消耗量要大很多，经分析与它的大跌落进水造成的余氯无效散发有直接关系。

5 结束语

(1)本项目打破平原地区由于无高地，一般难以设置供水系统调节水池的惯例，利用城区周边地块，兴建大型清水池，通过夜间时段进水调蓄、白天利用泵组加压注入城市管网中，实现就近、可控地向城市管网定向补水，有效提高供水系统调节能力，同时充分发挥了水厂的生产能力，提高城区供水安全性，具有一定的示范意义。

(2)为对清水池余氯进行保持，在清水池上部采用竖管式进水方式，进水水流平缓顺接进入池内。该方式避免了大落差跌落进水方式的余氯损失，起到水质保持和节约运行成本的作用。

(3)对于深型清水池，为保证人员安全，宜采用钢筋混凝土楼梯。