基于液位控制下的水池(箱)水龄估算方法及优化建议

耿 冰

(上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082)

1 研究背景

追求高品质饮用水，是供水行业永恒的主题和为之奋斗的目标[1]。上海供水主管部门拟提出2035年全面实现高品质饮用水的规划奋斗目标[2]，深圳也启动了在盐田区设置高品质饮用水示范区的实践工作[3]。而二次供水作为城市供水系统的“最后一公里”，保障其水质安全对整个供水体系具有重要意义。二次供水系统主要由埋地街坊管道、楼宇立管、水池、水箱、水泵、阀门及水表(流量计)等设施构成。水池(箱)作为二次供水的重要环节，扮演着重要的角色。就上海市而言，其中心城区就约有14万个屋顶水箱，7 000多个地下水池[4]。其作为重要的调蓄设施，常因为密封不完全、材质老旧和水龄过大使得内部水质存在超标风险。大多数水池(箱)由于采用浮球阀随用随补运行模式，未充分利用水池(箱)的调蓄容积，也没有结合用户的实际用水需求和市政管网的调度方式进行优化，不利于降低水龄、保障供水水质[5]。另外，很多老旧小区的储水设备在当初建设时普遍存在容积过大的情况，部分老旧小区屋顶水箱的储水容积甚至足够本栋居民48 h以上的用水需求。如此大的容积势必造成过高的水龄，从而影响总氯、亚硝酸盐及微生物等水质指标[6]。因此，部分水司尝试采用液位控制补水水池(箱)的调蓄功能，以降低水龄，减小水质指标超标的风险。截至2018年7月底，上海某水司已改造、接管二次供水小区4 000余个，涉及屋顶水箱逾5万只，如何控制水龄保障水质成为现阶段的重要目标之一。而精确的水龄计算往往需借助模型及大量的监测仪表来实现，即便是国内发达地区的水司，面对成千上万个水箱水池，也难以利用该方法获得水龄数据。

针对以上问题，本文介绍一种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)的水龄，同时根据推导公式中相关参数，提出相应水池(箱)优化方案。

2 研究方法

2.1 液位控制补水水池(箱)工作原理

本文中水龄指的是单位体积饮用水在水池(箱)的平均停留时间，为了方便对其的控制，上海某水司在部分改造小区采用液位控制补水取代传统浮球阀补水模式。水池(箱)安装液位控制阀以及液位传感器，阀门根据液位信号逻辑进行开闭。如图1所示，液位控制补水模式工作原理为：水池(箱)液位从关阀停补液位下降至开阀补水液位过程中，进水阀持续关闭，出水管正常出水；当水池(箱)液位触及或低于开阀补水液位后，进水管阀门打开并补水，出水管正常出水，直至液位达到关阀停补液位，阀门关闭。

图1 液位控制补水模式Fig.1 Water Replenishment Mode under Liquid Level Control

2.2 液位控制补水水池(箱)液位变化规律

当居民用水量较为稳定时，其液位数据如图2所示。由图2可知，在连续的一周时间里，采用液位控制补水的水池(箱)能够快速完成补水。在进水管阀门关闭期间，液位下降平缓近似一条斜线，用水情况较为稳定。补水时间间隔相近，具有周期性。

图2 某小区水箱液位变化情况Fig.2 Change of Water Tank Level in a Community

3 水龄的推导

3.1 计算模型的构建

由于液位控制补水水池(箱)的补水时间极短，且居民各时段用水量较为平衡。假设阀门开关时间不计，且补水时间较短弱化其影响，流态对水龄影响极小，且补进的水和存水在水池(箱)中充分均匀混合。居民用水量在一定的时间内稳定，则图2可以简化为图3。

图3 液位控制补水水池(箱)水龄计算图Fig.3 Water Age Calculation Chart of Liquid Level Control in Water Pool (Tank)

3.2 水龄计算

本文仅估算生活饮用水经过单一水池(箱)后的水龄变化情况， 因此假设打开阀门时进水的水龄为0，设水池(箱)平均补水周期为T，总有效容积为V，单次补水水量为x，存水水量为y，则V=x+y。令补水水量占总的有效容积比例为a[a=x/(x+y)]，存水水量占总的有效容积比例为b[b=y/(x+y)]。则初始时刻，首次水池(箱)内充满水且水龄为0 h，经过T时间，内部液位不断下降至开阀补水液位，此刻水龄也变为T；而打开阀门后，新补充的水与存水混合，使得水龄在补水瞬间得到降低，变为bT；再经过T时间，存水又由bT增加至bT+T，然后依次循环。水池(箱)内水龄变化推导过程如表1所示。

表1 补水周期下的水龄情况Tab.1 Water Age under the Replenishment Cycle

(1)

(2)

其中：tmin——水箱补水稳定运行一定时间后最短水龄，h；

tmax——水箱补水稳定运行一定时间后最长水龄，h；

V——水池(箱)有效容积，m3；

q——平均用水量，m3/h；

b——存水水量占总的有效容积比例。

由式(1)～式(2)可知：当水池(箱)内的水充分混合，忽略补水过程中的干扰，最长水龄由有效容积与平均用水量决定；而最短水龄除了与有效容积和平均用水量有关之外，还与开阀补水液位的高低(存水水量占比)有关。

3.3 优化方案

基于上述水龄估算公式推导得出以下水龄控制建议。

由式(2)可知，考虑到水池(箱)的最长水龄，如果需对其降低，在保障居民高峰用水需求的同时，尽可能降低水池(箱)有效容积，且地下水池有条件时宜采用生消分离模式。

由式(1)～式(2)可知，当原有水池(箱)容积过大(容积达到最高日用水量及以上)，且本身结构受现场环境限制无法改变时，可加装液位控制阀，降低关阀停补液位和开阀补水液位。降低开阀补水液位可以有效减小水箱有效容积，从而降低最长水龄；降低关阀停补液位可以有效减小最短水龄。但是在降低液位的同时，由于相关规范对出水管高度有下限要求，单纯一味降低液位会导致进水管下方水的低循环区域占比过大，进水水量小，无法充分混合产生死水区，反而影响水质。因此，对于新建水池(箱)，设计容积一定时，底面积不宜过大，否则后期会制约通过降低液位控制水龄的空间。当液位控制无法达到水龄控制需求，但具备施工条件，也可以采用取消、合并或改建部分水池(箱)等方式。

实际情况下，当补水间隔时间T较小时，尤其是夜间11点—早晨5点用水量较少时，水池(箱)存在不补水情况。而根据估算公式所计算的水龄可能低于6 h，此时水龄最不利情况可采用最大补水时间间隔。当补水间隔T较大时(尤其大于24 h)，由于补水过程中时间占比小，且随时间增加混合更为均匀，此刻通过公式估算得到的水龄值可能高于实际水龄。

4 结论与展望

通过本文所推导的估算公式，可以在相关监测设备缺乏条件下，快速根据水池(箱)现有尺寸、水位以及用水数据计算液位控制二次供水水池(箱)水龄情况。若水龄过高，从实际操作难易角度出发，可优先尝试通过液位控制阀。当液位控制无法达到水龄控制需求时，可以通过改造水池(箱)结构缩小容积，合并或取消水池(箱)等。

针对水池(箱)补水模式最常见的为浮球阀进水，而浮球阀会根据液位降低不同，导致阀门开度不同，影响进水流量，同时，浮球阀随用随补时间较短，很难达到内部水体均匀混合。因此，采用上述公式进行水龄估算时，存在一定偏差。而采用时间控制，作为水池(箱)补水方式时，此刻T更为恒定，水龄估算仅根据上下液位变化值，进行略微调整即可。

但是二供水龄控制只是保障龙头水质达标的必要条件，温度和材质的影响也十分重要，同时，二次供水的水龄控制一定程度还会对市政管网的水龄产生影响，如何更好将二供水龄优化与市政管网水龄优化相结合，可能是水司未来关注的焦点。