張雪  徐艷青  李新華  李琴

( 蘇州市自來(lái)水有限公司，215002 ) 

摘要：清水庫容量不足會(huì )導致清渾水量匹配困難，小容量清水庫廠(chǎng)級調度模式的研究對于指導水廠(chǎng)調度，節約生產(chǎn)能耗，降低勞動(dòng)強度意義明顯。在對南方某小容量水庫水廠(chǎng)調度分析的基礎上，重點(diǎn)探討了廠(chǎng)級調度的靜態(tài)因素及動(dòng)態(tài)因素影響程度及應對措施，并建立了相關(guān)數學(xué)模型。結果表明：靜態(tài)影響因素具有有滯水特性，當出現渾水量短時(shí)間內偏大，則可以通過(guò)夾小濾池閥門(mén)，發(fā)揮靜態(tài)因素性能來(lái)調整清渾水量差；濾池對水量傳輸限制是動(dòng)態(tài)影響的主要因素，調度過(guò)程中須靈活應用各方面手段；生產(chǎn)試驗結果驗證了調度數學(xué)模型的準備性，對調度具有一定的指導價(jià)值。

關(guān)鍵詞：飲用水；水量調度；清水庫

       水廠(chǎng)調度優(yōu)化能夠節省運行成本，保護自然資源，提高服務(wù)質(zhì)量，從而獲得更高的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。對于廠(chǎng)級調度而言，其主要任務(wù)是利用水庫容量來(lái)調節清渾水量差，實(shí)現清渾水量的同步匹配。渾水流量的頻繁變化不但會(huì )加重泵站員工的工作負擔，而且會(huì )導致渾水管道壓力的頻繁波動(dòng)，極易引起爆管，這對渾水管道的運行極為不利。面對流量實(shí)時(shí)變化的清水，如想做到渾水量不變或者盡量少作動(dòng)作，就必須有足夠的清水庫容積來(lái)調配清渾水量差額。根據規范要求[1-4]，當管網(wǎng)無(wú)調節構筑物時(shí)，在缺乏資料情況下，可按水廠(chǎng)最高日設計水量的10~20%確定，小型水廠(chǎng)建議取大值。對于日供水能力24萬(wàn)m3/d的水廠(chǎng)，其清水庫容積至少應為2.4萬(wàn)m3，可以滿(mǎn)足3000m3/h清渾水量差下8h的調配。對于水庫容量不足的水廠(chǎng)而言，為了滿(mǎn)足清渾水量間的調配，使渾水能夠跟上渾水量變化就必須采用調節渾水量大小來(lái)滿(mǎn)足二者之間的流量變化。如何在水庫容量不足的條件下，盡可能地減少渾水泵房的動(dòng)作，采用何種調配方式來(lái)保證渾水管線(xiàn)的運行安全是供水人員必須關(guān)注與解決的，為此筆者以水廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)調配為背景，研究并分析了小容量清水庫下廠(chǎng)級調度，以期為水廠(chǎng)的運行管理提供理論參考。

1.研究背景

       B水廠(chǎng)地處蘇州城區西北部?？傇O計規模30萬(wàn)m3/d供水量，清水庫容量為3.6萬(wàn)m3。期工程于1990年6月27日投產(chǎn)，供水量設計為15萬(wàn)m3/d。二期工程于1995年6月投產(chǎn)，供水量設計為15萬(wàn)m3/d。

       2012年蘇州市自來(lái)水公司對B水廠(chǎng)進(jìn)行升級改造，將一期工藝及1.5萬(wàn)m3清水庫全部拆除。改造期間以二期工藝進(jìn)行運行，剩余清水庫總量為2.1萬(wàn)m3，實(shí)際有效容積僅為1.3萬(wàn)m3。面對15~18萬(wàn)m3/d的供水需求，現有水庫容量不足日最高供水量的8%，水庫容量極小，調度要求較高，需要經(jīng)常調節渾水量與清水量間的匹配程度方能達到要求。

       B水廠(chǎng)取水口位于通安鎮街西村，取水在太湖，距離水廠(chǎng)約14.5km的距離采取DN1400與DN1200雙管并聯(lián)供水。管線(xiàn)建于上世紀90年代，由于年限久遠，管線(xiàn)老化。廠(chǎng)內為了避免運行過(guò)程中爆管突發(fā)事件，對渾水管的輸水流量和壓力作了嚴格的限制。

2.結果與討論

       水廠(chǎng)內水量影響按照性質(zhì)不同，可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影響分兩個(gè)方面。具有盛水功能的濾池、沉淀池、清水庫、水塔是通過(guò)水量存儲的形式來(lái)影響水量，筆者稱(chēng)之為靜態(tài)影響。具有水量調節功能的一泵房、二泵房是通過(guò)流量變化來(lái)影響水量，筆者稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)影響。這兩方面作用對調度工作影響較大，須合理掌握其中規律。

2.1 靜態(tài)影響

       清水庫的水位標高是調度過(guò)程中時(shí)常關(guān)心的問(wèn)題，直接反應水庫的實(shí)際水量。水庫水位過(guò)低將降低供水的安全性能，會(huì )導致水庫被抽干，無(wú)水可供的生產(chǎn)事故，水位過(guò)高會(huì )導致水位溢出，浪費清水量。清水庫前的沉淀池、濾池、沖洗水塔、配水井等構筑物均具有盛水功能，因此這類(lèi)構筑物水位的高低將直接影響入庫清水量，影響清水庫的水位標高。在濾池的設計參數中有100mm左右的保護高度，因此濾池、沉淀池及配水井具有0.1∑Si左右的調節能力。

       以B水廠(chǎng)為例，廠(chǎng)內沉淀池與濾池總影響面積為5250.36 m2，水位每波動(dòng)0.1m時(shí)，水量將相差525 m3。如此大的水量存儲量會(huì )引起原水流量變化的反應遲鈍現象。2012年某日夜間，進(jìn)廠(chǎng)原水4200m3/h，出廠(chǎng)清水量3800m3/h，1h內清水庫水位無(wú)任何變化，期間相差400 m3/h不知去向。經(jīng)過(guò)調查發(fā)現濾池水位比日常水位高出了8cm左右，開(kāi)大濾池出水閥門(mén)后該項問(wèn)題得到了很好的解決。該現象的主要原因是，濾池出水閥門(mén)限制了濾池出水，使得濾池水位抬高，同步引起沉淀池水位抬高，從而導致水量的滯留現象，進(jìn)而影響水庫水位遲遲不上升。這種現象在變水位變速過(guò)濾的水廠(chǎng)（如普通快濾池）時(shí)常會(huì )發(fā)生，因此對于使用變水頭變速過(guò)濾的水廠(chǎng)調度過(guò)程中須重點(diǎn)關(guān)注此種現象的發(fā)生。調度人員如不能很好地理解這方面的影響，只追蹤渾水流量，可能導致濾池水位的溢出，卻不能增加清水庫水位，進(jìn)而會(huì )影響調度運行安全。

       作為調度人員應該充分熟知從工藝最前端配水井至最尾端清水庫的構筑物表面積及有效調節高度，從而更好地分析出各類(lèi)水量不匹配的具體原因，調度過(guò)程中不能僅盯清渾水量差。

       靜態(tài)影響因素雖然有滯水的不利因素，但是如果利用妥當，發(fā)揮其有利因素也有利于生產(chǎn)調度。當出現渾水量短時(shí)間內偏大，則可以通過(guò)夾小濾池閥門(mén)，抬高濾池、沉淀池水位，來(lái)調整清渾水量差。以B水廠(chǎng)為例，沉淀池與濾池能夠具有525 m3的調節能力，當遇渾水量短時(shí)間偏大，或者渾水管檢修等突發(fā)事件時(shí)，可以利用這525 m3的蓄水功能來(lái)增大水量的保有量。

2.2 動(dòng)態(tài)影響

       動(dòng)態(tài)影響即為各類(lèi)流量所造成的影響。從制水工藝的最前端至清水庫的最尾端，會(huì )產(chǎn)生流量變化的位置主要在各個(gè)構筑物相連的部位。配水井與沉淀池，沉淀池與濾池，濾池與清水庫間均存在限制水流順利流入下一個(gè)構筑物的可能。配水井與沉淀池，沉淀池與濾池間均為管渠相連，管渠口徑完全符合設計流量運行要求，運行過(guò)程中各類(lèi)閥門(mén)均處于敞開(kāi)狀態(tài)。從水量角度，配水井、沉淀池與濾池可以視為一體構筑物，這3個(gè)構筑物中的任何一個(gè)構筑物水位的抬升都會(huì )引起其他2個(gè)構筑水位的一同變化，這3個(gè)構筑物不會(huì )限制水量的傳輸。

       對于濾池與清水庫之間，由于二者之間具有砂濾層與閥門(mén)調節的影響，往往會(huì )導致砂濾池出水與渾水量差別巨大。前面案例就很好地說(shuō)明了這個(gè)現象，400 m3/h的流量差額正是由于濾池閥門(mén)的影響，因此濾池對水量傳輸限制是動(dòng)態(tài)影響的主要因素。

       圖2為閥門(mén)及濾層污染對濾池出水流量的影響，當濾池剛經(jīng)過(guò)反沖洗，濾池出水閥門(mén)開(kāi)度往往較小，濾層較為清潔，過(guò)濾剛開(kāi)始階段閥門(mén)的局部損失是限制濾池出流量的主要因素，開(kāi)始階段濾池出水流量較為穩定。隨著(zhù)濾層污染的不斷加劇，濾層的水頭損失逐步變成了出流量限制因素，出水流量將下降。當降至一定程度，濾池出水流量降低時(shí)，工人通過(guò)增大濾池出水閥門(mén)開(kāi)度來(lái)增加出水流量，因此濾池出水流量將恢復。當出水閥門(mén)開(kāi)度達到100%時(shí)，濾層污染達到設計值時(shí)，濾池將進(jìn)行反沖洗。左邊1圖是V型濾池恒水位等濾速的運行模型，V型濾池通過(guò)不斷調節出水閥門(mén)，縮短濾層影響時(shí)間，使得濾速在小范圍內作波動(dòng)。所謂的等濾速也不是完全意義上的恒濾速，而是濾速變化較小。右邊2圖是普通快速池實(shí)際操作過(guò)程的一種情況，由于工人操作存在無(wú)規律性，常常會(huì )出現閥門(mén)開(kāi)度早晚及大小間的誤差影響。

        除濾池之外，動(dòng)態(tài)影響還包括沉淀池排泥，濾池反沖洗水等。當水廠(chǎng)出現短期的渾水量偏高時(shí)，可以通過(guò)提前排泥來(lái)減少渾水進(jìn)入濾池進(jìn)而進(jìn)入清水庫。當清水庫水位偏高時(shí)，可以通過(guò)夾小濾池出水閥，提前進(jìn)行濾池反沖洗來(lái)降低清水庫液位。以B水廠(chǎng)為例，每只沉淀池排泥可以實(shí)現250m3/(只.h)的流量抑制功能，水廠(chǎng)共有沉淀池4只，總排泥能力為1000m3/h。濾池的沖洗時(shí)間為6min，反沖洗強度為14L/(s.m2)，每只濾池的反沖洗水量為347.21 m3，共有濾池12只，通過(guò)反沖洗能調節的流量為4166.52m3，也就是說(shuō)可以72min內最大可調節4166.52m3的水量，當水庫水位過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)反沖洗濾池來(lái)進(jìn)行水庫液位的壓制。同時(shí)在水庫水位不足情況下，應避免濾池反沖洗的操作。

       清、渾水量差，沉淀池排泥、濾池反沖洗都能夠影響水庫水位的高低。B水廠(chǎng)水庫面積為6666.67 m2，水庫有效水位范圍0.5~2.5m，調節能力僅為13333.34m3。如果清渾水量差為2000m3/h時(shí)，1h內將引起0.3m左右的水位變化，但此時(shí)如果面對靜態(tài)因素影響，發(fā)生沉淀池與濾池貯水，將直接影響調度人員的水量判斷。

2.3數學(xué)建模

        以上分析得知，沉淀池、濾池及清水庫之間有式2.3-1及式2.3-3的水量關(guān)系，清水庫的變化與不但與清渾水量差有關(guān)，而且還與沉淀池、濾池的水位變化，沉淀池的排泥及濾池的反沖洗有關(guān)。

       式2.3-3可以用于指導水庫水位的調整，保障水庫安全。在實(shí)際的調度過(guò)程中，對于固定水廠(chǎng)△h清是有固定范圍，排泥與反沖洗往往是1d僅安排一次，因此在全面摸透清水一天內變化規律后，可以用式2.3-4來(lái)進(jìn)行渾水量的計算，指導實(shí)際生產(chǎn)。

       清水庫水位的恢復時(shí)間是調度過(guò)程中另外一個(gè)重要指標，這對于渾水量調配至關(guān)重要?；謴蜁r(shí)間主要跟清渾水量差、濾池濾速、閥門(mén)等因素相關(guān)，清水庫水位的恢復時(shí)間可以參見(jiàn)式2.3-5。

        式2.3-5表明，清水庫水位的恢復時(shí)間與濾池濾速、清水流量直接相關(guān)，渾水流量只是通過(guò)對濾池濾速影響而對其間接相關(guān)，因此當渾水流量調整過(guò)后，一定要對濾池閥門(mén)進(jìn)行相應的調節方能保證清水庫水位的快速反應，2.1節中的案例很好地解釋了這個(gè)現象。

2.4模型應用

（1）渾水量計算模型應用

        為了驗證模型的實(shí)用性能，特別選擇了2013年3月份某日進(jìn)行了渾水量計算模型應用試驗。實(shí)際水廠(chǎng)運行參數見(jiàn)表1

       在試驗前的一日，公司調度中心發(fā)布到水廠(chǎng)預案是第二天供水總量為12.8萬(wàn)m3/d。根據以往的生產(chǎn)數據發(fā)現，3月份臨晨1~7時(shí)水量占全天24.73%，8~16時(shí)占40.17%，17~24時(shí)占35.10%。根據水量推算，1~7時(shí)總水量為31673m3，8~16時(shí)為51461 m3，17~24時(shí)為44928 m3。先劈開(kāi)排泥與反沖洗的影響，如果在0點(diǎn)時(shí)刻水庫水位為1.5m，若想在7時(shí)提高至2.5m以上，根據式2.3-4計算渾水量31673÷7+952.38=5477.09m3/h。8~16時(shí)51461÷9-370.37=5347.52 m3/h。17~24時(shí)5616-416.67=5199.34 m3/h。由數據可知，17~24時(shí)流量最低，建議將排泥水放至該時(shí)段，流量增加值為125 m3/h。濾池反沖洗平均分至3個(gè)時(shí)段內，調整后流量分別為1~7時(shí)段5675.50 m3/h，8~16時(shí)為5501.84 m3/h，17~24時(shí)5497.95 m3/h，經(jīng)調整后各時(shí)段流量變化幅度≤180 m3/h，遠低于單臺變頻泵的調節幅度，而且濾池反沖洗平均分攤到各個(gè)班次，員工勞動(dòng)強度基本相當，渾水量調配方案符合調度要求。

（2）水庫水位恢復模型應用

       2013年3月份某日進(jìn)行了水庫水位恢復模型應用試驗。試驗前進(jìn)行濾池反沖洗，并加濾池閥門(mén)開(kāi)度夾小至50o，經(jīng)過(guò)實(shí)際測量得出濾池的正常濾速為6m/h，將濾池水位提高至高于正常水位10cm以上后，并將清渾水量調成4960 m3/h一致。根據式2.3-5計算得知t=∞，也就是清水庫水位不會(huì )增加。根據調度數據發(fā)現在1h內水庫水位無(wú)任何增長(cháng)，理論計算與實(shí)際相符合。隨后將濾池出水閥門(mén)調大，平均濾速調至10m/h，經(jīng)過(guò)12min左右后水庫水位提升了10cm，同時(shí)濾池液位降低了13cm左右，實(shí)際結果與式2.3-5理論基本一致。

3.結論與建議

       水庫是水廠(chǎng)調度中常用的水量調配工具，水庫容量偏低會(huì )常常致使調度工作難以開(kāi)展。

(1) 靜態(tài)影響因素雖然有滯水的不利因素，但是如果利用妥當，發(fā)揮其有利因素也有利于生產(chǎn)調度。當出現渾水量短時(shí)間內偏大，則可以通過(guò)夾小濾池閥門(mén)，抬高濾池、沉淀池水位，來(lái)調整清渾水量差；

(2) 清渾水流量、沉淀池排泥、砂濾池反沖洗是動(dòng)態(tài)影響的主要因素，其中砂濾池是動(dòng)態(tài)影響的關(guān)鍵因素，調節砂濾池出水流量對于調度至關(guān)重要；

(3)建議水廠(chǎng)調度建立配水井、沉淀池、砂濾池、清水池面積、容積等基礎資料；

(4)建議每半年測一次砂濾池濾速，每半年測一次排泥水及反沖洗水量；

(5)建議每年測試并分析濾池出水閥門(mén)開(kāi)度對出水流量的影響；

(6)清水量變化規律是渾水量的計算依據，建議水廠(chǎng)調度分析并建立清水量臺賬資料，并建立水量預測模型，以便于更好地進(jìn)行水量計算。

參考文獻

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