搜索
基于运营的供水系统设计理念王杭州珠海水务集团有限公司摘要：近年来，由于水质标准提高，水源污染也越发严重，而相关设计规范并没有及时修订，如何保障到户水质安全成为行业不可回避的问题。本文通过分析供水系统的特点、提出系统设计的目标，从系统的观点提出基于运营的设计理念。关键词：供水系统特点目标运营设计理念1前言据2014年3月中旬环保部发布的数据显示，我国有2.5亿居民的住宅区靠近重点排污企业和交通干道，2.8亿居民使用不安全饮用水。管网二次污染、水源地污染的情况非常严重，让人触目惊心。据监察部的统计显示，近10年来我国水污染事件高发，水污染事故近几年每年都在1700起以上。全国城镇中，饮用水源地水质不安全涉及的人口1.4亿人。世界上已有40%的河流发生不同程度的污染，且有上升趋势。我国江河湖泊的污染状况令人堪忧，监测表明，我国城市地下水已普遍受到不同程度的污染，其中受到较严重污染的城市占64%，较污染的城市占33%。2012年上半年，全国地表水环境质量总体为轻度污染。一类二类三类水质断面比例为51.5%，劣五类水质断面的比例为15.5%。七大水系中，除长江和珠江水质相对好些，淮河为轻度污染，黄河、松花江和辽河为中度污染，海河为重度污染湖泊的水质更不乐观，只有洱海和鄱阳湖满足三类水质标准，白洋淀和滇池是劣五类水，巢湖和洪泽湖是五类水。满足106项指标的水是否安全？清华大学刘文君说，国家饮用水标准指标有106项检测，其中9项指标是日测的，42项是月测的，其他的64项是各省政府可以根据实际情况确定检测频度。如果水源有其他的污染，检测的范围和频度就应该加强。水源的污染要进行风险识别，要去梳理潜在风险，如果有这种风险，应该多测几次，而不是偶然地去测。“106项指标是针对原水没有受污染的情况制定的，如果水源已经受到明显的污染，仅符合106项指标是不够的。”他举例，工业区的化学污染物可多达几十万种，都未包含在106项的水质指标内，不能以106项指标作为饮用水水质的最终标准。至2012年，中国自来水供给从水源地到水龙头，至少有5个政府部门、9部标准对水质做出了规定。然而，即便是出厂达标的自来水，也无法保证家中的水龙头流出的饮用水是洁净安全的。我们应以系统的眼光考虑水质管理问题，建立起从源头到用户水龙头的水质保障管理体系，确保供水安全。2供水系统特点2.1整体性供水系统是由原水生产、原水输配、水厂生产、净化水输配和用户五者紧密连接起来的一个系统，任何一个环节配合不好，都会影响供水系统的安全、稳定、可靠和经济运行。2.2同时性水的生产、输送和使用是同时完成的，既不能中断，又不能大量储存，必须是用多少，供多少，是典型的连续生产、连续消费的过程。2.3随机性水量变化、设备异常情况、水质、水压的变化以及事故的发生，随时都在变化着，而且发展迅速，波及面大。因此，在生产过程中，需要适时调度，要求适时安全监控，随时跟踪随机事件动态，以保证水质及系统安全运行。2.4冗余性为应对突发事件，原水系统和净化水系统均有较大的冗余，如珠海原水系统是供水量的4倍。因此,我们应以系统观点来考虑设计问题，整个系统最优是我们的目标。3设计目标3.1水质目标要考虑达标或优质？水质满足106项要求是否安全？水质分界点在哪里(出厂？管网？用户）?不同分界点对工艺流程要求不同.3.2经济要考虑运行成本、水价、系统效率。3.3可靠系统的冗余度多少？是否需要多水源和双电源保障？需要环网供水？目前我们的供水系统仍然没可靠性计算公式。以上三大目标互为约束，如何才能合理？目标：在保障水质和安全的前提下尽量提高效率，降低成本，从而降低价格。4供水系统设计需要考虑的问题要从水源、水厂、管网、用户系统考虑。4.1水源地水质饮用水水源保护区划分技术指引（HJ/T338-2007)“地表水饮用水源一级保护区的水质必须满足GB3838中的Ⅱ类标准要求，且补充项目和特定项目应满足该标准规定的限值要求。地表水饮用水源二级保护区的水质必须满足GB3838中的Ⅲ类标准要求，并保证流入一级保护区的水质满足一级保护区水质标准的要求。地表水饮用水源准保护区的水质应保证流入二级保护区的水质满足二级保护区水质标准的要求。地下水饮用水源保护区水质要求地下水饮用水水源保护区（包括一级、二级和准保护区）水质各项指标不得低于GB/T14848中的Ⅲ类标准。”根据《2011年广东省水资源公报》显示，全省共监测38个引用水源地，水质为Ⅰ~Ⅲ类的占68.4%，Ⅳ~劣Ⅴ类的占31.6%，其中河流水源地24个，Ⅰ~Ⅲ类19个；水库类水源地14个，Ⅰ~Ⅲ类7个。主要污染项目为粪大肠杆菌、氨氮和总氮，水源地水质无法满足要求。4.2水质标准提高新版GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》正式强制实施，对饮用水的检测项从35项增加到了106项，而《城市供水水质标准》（CJT206-2005）规定：采样点包括居民经常用水点（即水龙头）。4.3设计规范与新标准不相匹配《室外给水设计规范》GB50013-2006（2006-01-18发布）GB5749-2006于2006-12-29颁布。规范规定：水源水质按照标准为Ⅱ类，出厂、管网水是按照原水质标准（35项）进行设计施工；而现在新的水质标准提高，同时水源污染越来越严重，按照Ⅲ类标准评估，仍有许多水源地不达标，因此原水水质时有超达标现象。按照《室外给水设计规范》设计的供水系统如何保障水质达标？4.4可靠性目前，对于供水系统可靠性教科书上没有专门的计算公式，也没有指标，无法进行评价。4.5经济我们一般专注于水质和安全，对于系统的经济问题考虑较少，但实际运行后，关注点在于经济。因此，在设计阶段时要考虑将来的经济运营问题。5基于运营的设计理念5.1水质5.1.1水源最为重要①水源地规划——系统观念：用水量、经济发展程度、流域状况、水质变化趋势。被称为“百年战略”的青草沙水库，在其建成的第三年，就引起了水务系统人士对其水质恶化的担忧。目前通过投加次氯酸钠和活性炭来解决藻类问题。珠海水源地规划。咸潮（90年代未上到斗门大桥、98年到平岗）、取水点上移（竹银91年规划2011年建成）、多水源、江库联通、库库联通（见图1）。图1珠海市水源点变迁图流域水质变化。如目前珠江流域水质变化：上下游较差、中间段较好；咸潮不断上溯、污染由上而下。图2西江流域下游出现藻类本地局部水质变化。例如珠海水库水质变化每年都在发生变化。②水源地保护水源保护可节省大量投资和运行费用。案例：美国纽约实施凯兹基尔和特拉华水系水源保护项目，比投资修建水净化厂节约了大笔开支。流域保护计划花费仅为5亿美元，但是，该计划的实施为纽约市节省了60亿美元水净化厂建设费用和每年3亿美元的运行维护费用。③水权我们赖以生存的河流，应不分上下游，都是我们共同的母亲河，而目前存在一种思潮，认为上游地区的人民为保护水源做出牺牲，下游的人民应为上游进行补偿，这不符合自然法则，就如我住在楼上，我家污水流到楼下，与我无关，谁叫你住我楼下，这是强盗逻辑，现在的情况就是如此。作为上游城市，我们树立保护流到下游的水不受污染是我们应尽的责任，上游出现突发事故，各地政府应加强信息沟通，及时向下游通报事故信息，采取有效应急预案。共同面对危机和处理危机。④水资源开发利用现在的流域已不是自然生态了，流态早已处于人为的无序状态，长此下去，流域水质堪忧。为此，亟需规范流域的无序开发行为，使流域休养生息，须强化流域管理，流域调度须常态化，流域赖以生存的就是水，各行各业的开发行为必须服从水的调度。“也只有这样，在保证流域健康生存的前提下，发电、航运、供水、生态等的效益才可能最大化。”水资源为人类服务这一属性毋庸置疑，但是人类在消费自然资源的时候，必须对大自然存有敬畏之心，应该强调资源的承载力，改变人定胜天、为所欲为的开发格局。5.1.2水厂①水厂工艺流程要与水源水质相匹配实例：珠海乾务水厂一期12万m3/d，2008年4月投产，采用机械混合、折板絮凝、平流沉淀、V型滤池工艺。原水系统见图3，2009年1月开始向水库调水。2010~2012年水质逐年变差，特别是藻类增多，藻细胞个数达5亿个，水厂现有工艺流程无法处理，出厂水浊度超标。图3乾务水厂原水系统图图42010—2013年乾务水库藻类变化图目前该厂正在扩建16万m3/d流程，原设计院推荐用高密度澄清池和平流沉淀+气浮工②水厂工艺选择由于各地水源水质不同，同时又达不到Ⅱ类，此外，设计规范又是按照Ⅱ类原水和原来的水质标准来编制，如何确定处理工艺？应通过实验来确定工艺，同时要对将来的原水水质变化进行判断，采取合适的工艺。要密切关注我们能感知的指标：浊度、色度、臭味影响。5.1.3用户端水质达标①出厂浊度要低根据法国和日本的经验（表1），要保证用户水龙头达标，需要考虑管网生长环对水质的影响出，出厂水浊度一定要比标准低得多。浊度变化表表1国家标准出厂水（平均值）管网水（平均值）用户水龙头法国1.50.050.360.9（18倍）日本10.11（10倍）②管网管材、设备要满足要求；管径不宜过大，流速要适合，太低的流速影响水质，要进行水龄计算。③二次供水管材、设备要满足要求；水池不宜过大；消防与生活系统分开；根据所处位置考虑投加消毒剂。5.2经济5.2.1水资源费各地标准不同，需要区别对待，水资源费高的地方可考虑排泥水回用，但要评估风险，同时要进行经济对比，要考虑计量方式的影响。5.2.2泵站许多泵站出现高效泵实际运行效率低，变频效率不高的情况，通过对泵站的设计资料分析，进行合理选型、工况校核，在满足工况的情况下使设计的运行能耗最低。实例1：珠海平岗泵站——高效泵实际效率低？工程设计时，管道流阻系数选择偏大，管道水头损失计算值偏大。设计数据为流量100万立方米/日，水泵扬程为63米，故选择6台水泵，额定工况点扬程为62米，流量7000立方米/时，效率89%，配套功率1600kW。但实测流量为100万立方米/日时，扬程为45米，造成实际运行时水泵工作点远离额定工作点，水泵效率较低（η=40%~75%)。实例2：广昌泵站——变频效率不高？广场泵站一期共设5台水泵，扬程为57米，额定流量6660立方米/时，效率87%；配套电机功率1600kW，效率95.6%，变频器η=96.7%。实际运行结果表明，当扬程高于41米时，不通过变频器运行，效率比变频运行高，原因是变频器消耗的能量比变频后节省的能量要高。因此在选用变频时要考虑变频器的效率问题。5.2.3水厂①泵房实际效率低，变频效率不高，如何选用变频泵（见上面泵房部分）。②工艺各构筑物间尽量不使用管道连接，过水断面尽量大（安全、节能）；工艺尽量常规，减少能量消耗。③排泥水回用根据水资源紧缺程度、水资源费、原水成本、水质考虑是否回用。污泥处理系统要根据水质设计规模，不然每天运行时间短，造成浪费。5.2.4管网①合理布局——管网布局决定系统的安全和经济性，管径大可以节能，但有水质风险，同时投资大。压力每降低1米，千吨水节省3.5~4度电。②管网问题：管线设计、敷设不合理；管路存在瓶颈；水厂供水半径过大；管道排气不畅，产生气堵；管网较高的来水压力和能量被泄放到泵站的储水池中；管网加压泵站设置；管网水损大、管网阀门等。案例：珠海市西水东调工程：输水管线：管径2.4m，全长21.0公里，其中PCCP管11.0公里，钢管10公里。设计每日向广昌泵站输送100万m3原水时平岗到广昌前池所需水泵扬程约为63m，实际45m，实际效率仅为75%。（1）关注管网水头损失。研究结果表明，长距离、大口径的PCCP原水输水管摩阻系数n值取0.012较为合适。（《给水排水设计手册第1册常用资料第二版》中，满流钢筋混凝土圆管水力计算摩阻系数n取值0.013）。当输水管线沿途基础资料不明确的情况下，局部水头损失可按总水头损失的10~20%考虑。（2）关注排气阀。管网合理配置排气阀，减少爆管事故，减少设施维修量，延长资产寿命，减少能源消耗，提供更稳定的服务。（3）关注阀门。不同种类阀门，摩阻系数不同。不同厂家，摩阻系数不同。我们往往忽视管网数量