张雪  徐艳青  李新华  李琴

( 苏州市自来水有限公司，215002 ) 

摘要：清水库容量不足会导致清浑水量匹配困难，小容量清水库厂级调度模式的研究对于指导水厂调度，节约生产能耗，降低劳动强度意义明显。在对南方某小容量水库水厂调度分析的基础上，重点探讨了厂级调度的静态因素及动态因素影响程度及应对措施，并建立了相关数学模型。结果表明：静态影响因素具有有滞水特性，当出现浑水量短时间内偏大，则可以通过夹小滤池阀门，发挥静态因素性能来调整清浑水量差；滤池对水量传输限制是动态影响的主要因素，调度过程中须灵活应用各方面手段；生产试验结果验证了调度数学模型的准备性，对调度具有一定的指导价值。

关键词：饮用水；水量调度；清水库

       水厂调度优化能够节省运行成本，保护自然资源，提高服务质量，从而获得更高的经济效益和社会效益。对于厂级调度而言，其主要任务是利用水库容量来调节清浑水量差，实现清浑水量的同步匹配。浑水流量的频繁变化不但会加重泵站员工的工作负担，而且会导致浑水管道压力的频繁波动，极易引起爆管，这对浑水管道的运行极为不利。面对流量实时变化的清水，如想做到浑水量不变或者尽量少作动作，就必须有足够的清水库容积来调配清浑水量差额。根据规范要求[1-4]，当管网无调节构筑物时，在缺乏资料情况下，可按水厂最高日设计水量的10~20%确定，小型水厂建议取大值。对于日供水能力24万m3/d的水厂，其清水库容积至少应为2.4万m3，可以满足3000m3/h清浑水量差下8h的调配。对于水库容量不足的水厂而言，为了满足清浑水量间的调配，使浑水能够跟上浑水量变化就必须采用调节浑水量大小来满足二者之间的流量变化。如何在水库容量不足的条件下，尽可能地减少浑水泵房的动作，采用何种调配方式来保证浑水管线的运行安全是供水人员必须关注与解决的，为此笔者以水厂实际生产调配为背景，研究并分析了小容量清水库下厂级调度，以期为水厂的运行管理提供理论参考。

1.研究背景

       B水厂地处苏州城区西北部。总设计规模30万m3/d供水量，清水库容量为3.6万m3。期工程于1990年6月27日投产，供水量设计为15万m3/d。二期工程于1995年6月投产，供水量设计为15万m3/d。

       2012年苏州市自来水公司对B水厂进行升级改造，将一期工艺及1.5万m3清水库全部拆除。改造期间以二期工艺进行运行，剩余清水库总量为2.1万m3，实际有效容积仅为1.3万m3。面对15~18万m3/d的供水需求，现有水库容量不足日最高供水量的8%，水库容量极小，调度要求较高，需要经常调节浑水量与清水量间的匹配程度方能达到要求。

       B水厂取水口位于通安镇街西村，取水在太湖，距离水厂约14.5km的距离采取DN1400与DN1200双管并联供水。管线建于上世纪90年代，由于年限久远，管线老化。厂内为了避免运行过程中爆管突发事件，对浑水管的输水流量和压力作了严格的限制。

2.结果与讨论

       水厂内水量影响按照性质不同，可以分为静态和动态影响分两个方面。具有盛水功能的滤池、沉淀池、清水库、水塔是通过水量存储的形式来影响水量，笔者称之为静态影响。具有水量调节功能的一泵房、二泵房是通过流量变化来影响水量，笔者称之为动态影响。这两方面作用对调度工作影响较大，须合理掌握其中规律。

2.1 静态影响

       清水库的水位标高是调度过程中时常关心的问题，直接反应水库的实际水量。水库水位过低将降低供水的安全性能，会导致水库被抽干，无水可供的生产事故，水位过高会导致水位溢出，浪费清水量。清水库前的沉淀池、滤池、冲洗水塔、配水井等构筑物均具有盛水功能，因此这类构筑物水位的高低将直接影响入库清水量，影响清水库的水位标高。在滤池的设计参数中有100mm左右的保护高度，因此滤池、沉淀池及配水井具有0.1∑Si左右的调节能力。

       以B水厂为例，厂内沉淀池与滤池总影响面积为5250.36 m2，水位每波动0.1m时，水量将相差525 m3。如此大的水量存储量会引起原水流量变化的反应迟钝现象。2012年某日夜间，进厂原水4200m3/h，出厂清水量3800m3/h，1h内清水库水位无任何变化，期间相差400 m3/h不知去向。经过调查发现滤池水位比日常水位高出了8cm左右，开大滤池出水阀门后该项问题得到了很好的解决。该现象的主要原因是，滤池出水阀门限制了滤池出水，使得滤池水位抬高，同步引起沉淀池水位抬高，从而导致水量的滞留现象，进而影响水库水位迟迟不上升。这种现象在变水位变速过滤的水厂（如普通快滤池）时常会发生，因此对于使用变水头变速过滤的水厂调度过程中须重点关注此种现象的发生。调度人员如不能很好地理解这方面的影响，只追踪浑水流量，可能导致滤池水位的溢出，却不能增加清水库水位，进而会影响调度运行安全。

       作为调度人员应该充分熟知从工艺最前端配水井至最尾端清水库的构筑物表面积及有效调节高度，从而更好地分析出各类水量不匹配的具体原因，调度过程中不能仅盯清浑水量差。

       静态影响因素虽然有滞水的不利因素，但是如果利用妥当，发挥其有利因素也有利于生产调度。当出现浑水量短时间内偏大，则可以通过夹小滤池阀门，抬高滤池、沉淀池水位，来调整清浑水量差。以B水厂为例，沉淀池与滤池能够具有525 m3的调节能力，当遇浑水量短时间偏大，或者浑水管检修等突发事件时，可以利用这525 m3的蓄水功能来增大水量的保有量。

2.2 动态影响

       动态影响即为各类流量所造成的影响。从制水工艺的最前端至清水库的最尾端，会产生流量变化的位置主要在各个构筑物相连的部位。配水井与沉淀池，沉淀池与滤池，滤池与清水库间均存在限制水流顺利流入下一个构筑物的可能。配水井与沉淀池，沉淀池与滤池间均为管渠相连，管渠口径完全符合设计流量运行要求，运行过程中各类阀门均处于敞开状态。从水量角度，配水井、沉淀池与滤池可以视为一体构筑物，这3个构筑物中的任何一个构筑物水位的抬升都会引起其他2个构筑水位的一同变化，这3个构筑物不会限制水量的传输。

       对于滤池与清水库之间，由于二者之间具有砂滤层与阀门调节的影响，往往会导致砂滤池出水与浑水量差别巨大。前面案例就很好地说明了这个现象，400 m3/h的流量差额正是由于滤池阀门的影响，因此滤池对水量传输限制是动态影响的主要因素。

       图2为阀门及滤层污染对滤池出水流量的影响，当滤池刚经过反冲洗，滤池出水阀门开度往往较小，滤层较为清洁，过滤刚开始阶段阀门的局部损失是限制滤池出流量的主要因素，开始阶段滤池出水流量较为稳定。随着滤层污染的不断加剧，滤层的水头损失逐步变成了出流量限制因素，出水流量将下降。当降至一定程度，滤池出水流量降低时，工人通过增大滤池出水阀门开度来增加出水流量，因此滤池出水流量将恢复。当出水阀门开度达到100%时，滤层污染达到设计值时，滤池将进行反冲洗。左边1图是V型滤池恒水位等滤速的运行模型，V型滤池通过不断调节出水阀门，缩短滤层影响时间，使得滤速在小范围内作波动。所谓的等滤速也不是完全意义上的恒滤速，而是滤速变化较小。右边2图是普通快速池实际操作过程的一种情况，由于工人操作存在无规律性，常常会出现阀门开度早晚及大小间的误差影响。

        除滤池之外，动态影响还包括沉淀池排泥，滤池反冲洗水等。当水厂出现短期的浑水量偏高时，可以通过提前排泥来减少浑水进入滤池进而进入清水库。当清水库水位偏高时，可以通过夹小滤池出水阀，提前进行滤池反冲洗来降低清水库液位。以B水厂为例，每只沉淀池排泥可以实现250m3/(只.h)的流量抑制功能，水厂共有沉淀池4只，总排泥能力为1000m3/h。滤池的冲洗时间为6min，反冲洗强度为14L/(s.m2)，每只滤池的反冲洗水量为347.21 m3，共有滤池12只，通过反冲洗能调节的流量为4166.52m3，也就是说可以72min内最大可调节4166.52m3的水量，当水库水位过高时，可以通过反冲洗滤池来进行水库液位的压制。同时在水库水位不足情况下，应避免滤池反冲洗的操作。

       清、浑水量差，沉淀池排泥、滤池反冲洗都能够影响水库水位的高低。B水厂水库面积为6666.67 m2，水库有效水位范围0.5~2.5m，调节能力仅为13333.34m3。如果清浑水量差为2000m3/h时，1h内将引起0.3m左右的水位变化，但此时如果面对静态因素影响，发生沉淀池与滤池贮水，将直接影响调度人员的水量判断。

2.3数学建模

        以上分析得知，沉淀池、滤池及清水库之间有式2.3-1及式2.3-3的水量关系，清水库的变化与不但与清浑水量差有关，而且还与沉淀池、滤池的水位变化，沉淀池的排泥及滤池的反冲洗有关。

       式2.3-3可以用于指导水库水位的调整，保障水库安全。在实际的调度过程中，对于固定水厂△h清是有固定范围，排泥与反冲洗往往是1d仅安排一次，因此在全面摸透清水一天内变化规律后，可以用式2.3-4来进行浑水量的计算，指导实际生产。

       清水库水位的恢复时间是调度过程中另外一个重要指标，这对于浑水量调配至关重要。恢复时间主要跟清浑水量差、滤池滤速、阀门等因素相关，清水库水位的恢复时间可以参见式2.3-5。

        式2.3-5表明，清水库水位的恢复时间与滤池滤速、清水流量直接相关，浑水流量只是通过对滤池滤速影响而对其间接相关，因此当浑水流量调整过后，一定要对滤池阀门进行相应的调节方能保证清水库水位的快速反应，2.1节中的案例很好地解释了这个现象。

2.4模型应用

（1）浑水量计算模型应用

        为了验证模型的实用性能，特别选择了2013年3月份某日进行了浑水量计算模型应用试验。实际水厂运行参数见表1

       在试验前的一日，公司调度中心发布到水厂预案是第二天供水总量为12.8万m3/d。根据以往的生产数据发现，3月份临晨1~7时水量占全天24.73%，8~16时占40.17%，17~24时占35.10%。根据水量推算，1~7时总水量为31673m3，8~16时为51461 m3，17~24时为44928 m3。先劈开排泥与反冲洗的影响，如果在0点时刻水库水位为1.5m，若想在7时提高至2.5m以上，根据式2.3-4计算浑水量31673÷7+952.38=5477.09m3/h。8~16时51461÷9-370.37=5347.52 m3/h。17~24时5616-416.67=5199.34 m3/h。由数据可知，17~24时流量最低，建议将排泥水放至该时段，流量增加值为125 m3/h。滤池反冲洗平均分至3个时段内，调整后流量分别为1~7时段5675.50 m3/h，8~16时为5501.84 m3/h，17~24时5497.95 m3/h，经调整后各时段流量变化幅度≤180 m3/h，远低于单台变频泵的调节幅度，而且滤池反冲洗平均分摊到各个班次，员工劳动强度基本相当，浑水量调配方案符合调度要求。

（2）水库水位恢复模型应用

       2013年3月份某日进行了水库水位恢复模型应用试验。试验前进行滤池反冲洗，并加滤池阀门开度夹小至50º，经过实际测量得出滤池的正常滤速为6m/h，将滤池水位提高至高于正常水位10cm以上后，并将清浑水量调成4960 m3/h一致。根据式2.3-5计算得知t=∞，也就是清水库水位不会增加。根据调度数据发现在1h内水库水位无任何增长，理论计算与实际相符合。随后将滤池出水阀门调大，平均滤速调至10m/h，经过12min左右后水库水位提升了10cm，同时滤池液位降低了13cm左右，实际结果与式2.3-5理论基本一致。

3.结论与建议

       水库是水厂调度中常用的水量调配工具，水库容量偏低会常常致使调度工作难以开展。

(1) 静态影响因素虽然有滞水的不利因素，但是如果利用妥当，发挥其有利因素也有利于生产调度。当出现浑水量短时间内偏大，则可以通过夹小滤池阀门，抬高滤池、沉淀池水位，来调整清浑水量差；

(2) 清浑水流量、沉淀池排泥、砂滤池反冲洗是动态影响的主要因素，其中砂滤池是动态影响的关键因素，调节砂滤池出水流量对于调度至关重要；

(3)建议水厂调度建立配水井、沉淀池、砂滤池、清水池面积、容积等基础资料；

(4)建议每半年测一次砂滤池滤速，每半年测一次排泥水及反冲洗水量；

(5)建议每年测试并分析滤池出水阀门开度对出水流量的影响；

(6)清水量变化规律是浑水量的计算依据，建议水厂调度分析并建立清水量台账资料，并建立水量预测模型，以便于更好地进行水量计算。

参考文献

[1] 中华人民共和国建设部、中华人民共和国质量监督检验检疫总局.室外给水设计规范[M].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2006：37.

[2] 张玉先,张晓健.给水工程[M].北京：中国建筑工业出版社出版，2011.

[3] 郁瑞鎔.供水调度应急、预警信息平台的设计与实现[D]. 上海：上海交通大学，2012.

[4] 林伟华,徐少平等.供水调度监测系统功能设计与实现[J]. 电脑开发与应用.2005,18(8) :8-9.