L市属于重度缺水地区, 水资源的短缺已成为影响和制约社会和经济发展的主要因素^[1]。为了解决L市水资源紧缺的问题, 从2008年开始, L市已连续6年调用河北四库应急水源水, 并已成为常态水源^[2]。根据《L市“十二五”水务规划》, L市还将逐步利用黄河水、丹江口水库水甚至淡化海水等外调水源来解决L市水资源短缺问题^[3]。从L市供水形势来看, 生活用水刚性需求增速加快, 2014年L市城区最高日供水量达到310万m³, 城区实际供水量已经接近现有能力的极限。这对供水调度、水处理工艺、水质监测等工作提出了更高的要求。

南水北调中线工程是解决L市水资源紧缺的根本措施, 地跨河南、湖北两省的丹江口水库是南水北调中线工程的水源地^[4]。南水北调中线工程输水干线全长1 273km, 采用明渠输送^[5]。面临水源多样化、水质复杂化的严峻形势, 水质安全控制、供水调度、管网水质稳定输配的难度和风险加大。南水北调水源于2014年12月进入城市供水序列, 水源的变化会影响城市供水的水质安全。因此, 针对水源频繁切换的供水形势, 供水调度优化控制是确保水资源的合理使用、满足城市用水需求、实现安全稳定供水的重要保证^[6]。

自2011年开始, 应用WaterCAD软件进行给水管网优化调控工作, 为复杂管网的管网优化、闸门调控、水厂优化运行提供了一定的理论支持, 辅助并优化了调度工作。多个模拟分析报告在实际运行中得到了验证, 模拟结果与实际情况基本吻合。因此, 利用此软件进行模拟分析是可行的。

通过进行外来水源及L市给水管网水质现状的调研, 并利用现有水力模型和数值模拟技术研究供水水力特征、模拟水质变化范围, 分析水质在供水过程中的变化规律, 为优化设备运行参数提供科学依据。

南水北调通水后, L市将面临的水源频繁切换可能引起管网水质变化的问题, 参考水质部门研究的水源切换对管网铁腐蚀产物释放影响的研究结果, 了解到不同水源切换时有可能打破给水管网内长期所形成的管垢与水之间的平衡, 引起管网水中铁腐蚀产物的释放量增加, 导致用户端水质恶化, 如浊度、色度升高、产生异臭味等问题^[7]。

南水北调工程通水后, 即L市地表水、丹江口水库水和黄河水、河北四水库水、L市地下水等将成为未来的主要供水水源。L市城市供水水源呈现出多样性和复杂性, 为了保障多水源供水条件下的饮用水质安全, 需要把握多水源水质特征。从表1中看出, 这些水源水质有其各自不同的特点, 如市地下水的硬度和碱度较高, 硫酸根和氯离子浓度较低;丹江口水库水pH较本地水库水高等。

从数据可知, 南水北调水源与本地水库水源相比, 氯离子、硫酸根较低, pH较高。总体来讲与本地水库水源的水质较为相似。

南水水源与河北水源的水质共同特征为冬季低温低浊;夏季可能出现较高藻类、有机物、色臭味, 这些因素会加大水厂工艺负荷。主要控制指标为浊度、藻类、臭味、微生物、消毒副产物、有机物, 同时考虑L市管网的生物稳定性及化学稳定性, 在应对突发性水质污染事件、水体内源性水质突发变化和不可预见性的水质变化等方面, 对外调水源的处置往往处于被动。两水源不同的是, 河北水源有低碱度、高硫酸盐问题, 而南水北调水源潜在风险包括长距离输水, 微量有机物污染、微生物迁移的风险。

南水北调水源水质的特点都和水质的化学稳定性有关, 然而目前对于多种水源切换供水条件下管网水质的变化机制尚不清楚, 难以对水源切换的影响效应做出准确的预测并制定合理的水源调度方案。为了明确L市集中不同水质特征的水源切换对该市给水管网水质的影响情况, 从L市不同给水管网区域内挖取了运行中的旧铸铁管道, 并运输至丹江口中试基地, 建立了管网中试模拟系统。研究发现, 切换为丹江口水库水源后, L市地下水受水区的管网铁释放量大大升高, 出现了较明显的“黄水”现象。而地表水受水区为主的管道对水源切换有较强的适应性, 没有出现“黄水”现象。出现“黄水”的管道铁释放随时间逐渐降低, 经过2~3个月后“黄水”现象消失, 出水达标。在中试的基础上, 并结合上面提到的南水水源水质与本地水库水质较为相似这点因素, 可以预测南水北调水源的出厂水对L市管网的影响没有河北水源出厂水所造成的影响大, 并且原地下水受水区域可能发生“黄水”现象。水源频繁切换实施时, 应综合考虑不同水质的化学特性、不同供水的管网管垢特征以及管网水力分布状况等因素, 制定合理的水源切换调度策略。

市区水厂使用南水北调水源布局如图1所示, J水厂位于L市的北部, 是地表水水厂, 目前部分取用南水北调水源, 处理能力171万m³/d;I水厂位于L市的东北部, 是地下水水厂, 处理能力48万m³/d;C水厂位于L市的中西部, 是地下水和地表水的混合水厂, 目前地表水全部取用南水北调水源, 处理能力39万m³/d;T水厂位于L市的西部, 是地表水水厂, 目前部分取用南水北调水源, 处理能力38万m³/d;K水厂位于C水厂西北部, 是地表水水厂, 目前全部取用南水北调水源, 处理能力8万m³/d。

从市政配水管网来看, 地下水厂以及南水北调配套工程新建水厂的供水区域将是水质变化风险最大的区域。南水北调水源进L市后, G水厂全部使用南水北调水源, 故针对G水厂这个市区“最不利点”展开研究, 制定优化控制对策。

南水北调配套工程新水厂的运行可能导致某些管段内水流速度及流向发生突变或扰动, 造成短时间的水质恶化, 色度、浊度和细菌等指标值上升。G水厂的运行将大大缩短出厂水输送到用户终端的时间, 导致南部配水管网的水力停留时间和水质发生很大变化, 由于水质特征的差异可能导致输配管网内铁腐蚀产物的释放, 造成自来水中铁含量升高, 从而产生管网“黄水”现象, 影响供水安全。南水北调工程实施后, 中心城部分地下水厂将改为应急、调峰、调蓄水厂, 现有的配水管网需要适应南水北调水进L市后的配水要求。

为有效降低南水北调水源进L市后市区管网出现“黄水”的风险, 以G水厂30万m³/d为例, 利用管网水力模型进行了模拟。模拟条件设定为市区需水量270万m³/d, 分析管网中调度控制闸门不同状态下的节点压力及G水厂供水范围的变化, 制定出南水北调水源调控方案, 同时考虑管网闸门状态 (是否分区供水^[8]) 和G水厂供水区域 (是否覆盖东南开发区) , 模拟分析5个不同的运行状态。节点压力结果如表2。

状态1:如图2所示G水厂30万m³/d, 1号联络闸门开启, G水厂出厂水不进东南开发区。如图2, 此状态模拟的主要模拟是观察节点压力是否均衡。G水厂供水量增加, 需水量不变, 故减少J水厂及I水厂的供水量。由于L市地形西高东低, 占供水能力一半的J水厂处于管网北部, 管网的压力一直是东北高, 西南低的运行状态。G水厂投入运行, 打破了以前南部没有大型水厂的供水模式, 调整各水厂出水量后, 南部测压点压力上升, 北部测压点、中东部测压点和东北部测压点压力下降。市区管网压力趋于均衡。此状态下G水厂出厂水覆盖了更多3号管线外部区域, 城中心老旧管线居多, 南水北调水源易引起水质问题, 执行关闭1号联络闸门。

状态2:G水厂30万m³/d, 1号联络闸门开启, G水厂出厂水进东南开发区。状态1的G水厂水进入3号管线内部区域, 是在水不进东南开发区供水区域的条件下, 为保证方案的严谨性, 模拟打开东南开发区的控制闸门, 让水进入东南开发区, 判断东南开发区是否可以分流进入3号管线的G水厂出厂水。效果如图3。从图中可以看到G水厂水还是部分进入了3号管线内部区域, 故还应执行关闭1号联络闸门。压力数据中, 东南开发区压力升高, G水厂距离东南开发区短, 由G水厂直供东南开发区节能, 且提供的供水压力高。同时G水厂出厂及西南测压点的压力也有所下降, 也达到了节能减排的效果。

状态3:G水厂30万m³/d, 1号联络闸门关闭, G水厂出厂水进东南开发区。在状态2的基础上, 关闭1号联络闸门。从图4可以看到, G水厂出厂水流到了4号桥附近。表2显示, 关闸后西部、南部测压点的压力均有所升高。

状态4:G水厂30万m³/d, 1号联络闸门关闭, G水厂出厂水不进东南开发区。如图5, 由于东南开发区在G水厂投产前, 一直是I水厂、J水厂的共同供水区域, I水厂是地下水水厂, 由于L市地下水受水区的管网铁释放量大, 故东南开发区若使用南水北调水源存在风险, 可能发生“黄水”现象。所以, 在状态3的基础上, 调控管网闸门, 使G水厂出厂水不进东南开发区, 降低由供水水质引起的风险。但从表2的压力数据也看到, 由于减少了G水厂的供水范围, 西南部的管网压力都有所升高, 这对于节能降耗是不利的。

状态5:G水厂30万m³/d, 1号联络闸门关闭, G水厂出厂水不进东南开发区, 开启2号控制闸门。如图6, 由于状态4的管网压力偏高, 故在状态4的基础上, 开启2号控制闸门, 优化西部管网压力。从表2的压力数据可以看到, 优化后西部管网压力有明显下降, 但由于供水范围的限制, 西南部的压力还是偏高, 到3个月后, “黄水”现象消失, L市管网适应南水北调水源水质后, 再次调控1号联络闸和5号控制闸门, 扩大G水厂的供水范围至东南开发区和3号管线内, 即可解决管网压力偏高问题。

依据上述模拟的G水厂5种工况的供水范围及数据。运用到实际中, 调控管网闸门, 将G水厂供水区域控制在3号管线以外, 使出现“黄水”的风险降至最低。实际关闭DN200~1 600管线闸门16座。随着G水厂投入及供水量的增加, 西南部地区压力大幅增加, 使市区压力趋于均衡, 降低了耗损。依据模拟调控方案, 对G水厂供水区域控闸进行调整, 逐步打开了1号联络闸门, 扩大G水厂供水区域。

利用WaterCAD给水模型模拟软件的浓度分析功能, 计算多个水厂的供水范围, 即模拟市区管网所有水厂在不同需水量条件下的供水范围。在某水量条件下, 通过模拟技术优化调控, 控制其在供水范围内不发生“黄水”, 特别是原地下水供水区域变成南水北调水源供水区域为重点地区。与水源追踪功能只能追踪一个水厂的供水范围不同, 浓度分析功能可使所有水厂的供水范围在同一延时模拟 (Extended Period Simulation, EPS) 内呈现, 更为直观、清楚地了解市区的供水全局。可以同时模拟多个水厂在同一时间段下的供水范围。

统筹L市各水厂、各水源具体情况, 制定使用南水北调水源初期调度方案。由于二环内老旧管线较多, 管网适应性差, 二环内管线一部分是J水厂的供水范围, 故对J水厂采用不同水源的混合勾兑应急技术, 同时控制G水厂的供水区域在二环以外, 减小初期入管网水质的腐蚀性。

针对《南水北调供水调度保障方案》, 结合软件的浓度分析功能, 调整模型上的闸门, 控制G水厂供水区域, 分别分析G水厂10万m³、15万m³、25万m³、50万m³时, 每个南水北调受水水厂的供水范围。各方案需水量、各水厂水源使用量、水源配比方案见表3。

根据上文提到的G水厂运行模式, 把预测的市区需水量及市区各水厂的水泵开停信息录入至模型中。

南水北调水源供水范围方案1~方案4, 模拟计算结果如图7~图10所示。

方案1:在控制G水厂供水区域的前提下, G水厂取用南水北调水源10万m³/d、并采取白天供水, 夜间不供水的运行方式、J水厂使用南水北调水源28万m³/d (南水北调水源与本地水源比例为1∶4) 、C水厂6万m³/d (南水北调水源与本地水源比例为1∶4) 、T水厂5万m³/d (南水北调水源与本地水源比例为1∶3.4) 、南水北调日取水量为49万m³的条件下, 进行模拟的结果如图7。

可以看出由于G水厂配水量小, 占总供水量的比例为4%, 即使不关闭1号联络闸门和东南开发区控闸, G水厂供水范围也进入不到3号管线以北和东南开发区。G水厂的供水范围含11km的供水管线, G水厂的供水范围置换了部分原J水厂、T水厂的供水范围, 在使用南水北调水源前, 这部分区域内管线由本地地表水源和地下水源供给, 切换成100%南水北调水源后, 水质易产生变化, 特别是未喷涂小口径无内衬铸铁管管线, 供给2km, 这部分管道的内壁管垢易受外界水质的影响, 而使水质产生变化, 水质可能产生变化的水量为140m³。

其余4座供水能力在30万m³/d以上的水厂供水范围如图7中所示, J水厂、I水厂、C水厂、T水厂的供水量占总供水量的比例分别为56%、17%、11%、8%。

方案2:G水厂再增加南水北调水源5万m³/d (取用量达到15万m³/d) 、采取全天24h供水的运行方式、T水厂再增加5万m³/d (取用量达到10万m³/d) 、其他水厂保持不变、南水北调取水量合计59万m³/d的条件下, 进行模拟的结果如图8。

由于G水厂水量增加, 其供水边界进入到1号管线以北和东南开发区, 由于此区域原多为地下水源供水区域, 100%南水北调水源进入此区域可能会产生水质变化, 为了让管网逐步适应南水北调水源, 先通过控制闸门阻止南水北调水源进入此区域, 故关闭模型上的1号联络闸门和东南开发区控制闸门。

从图8中可以看出, 随着G水厂供水量增加, 其供水量占总供水量的比例升至6%。G水厂的供水范围向西延伸, 其供水范围增加了31.8km的供水管线长度。这部分管线是原T水厂和J水厂的供水范围, 由于这两座的出厂水为本地地表水源和南水北调水源, 置换为G水厂的100%南水北调水源可能会产生水质变化, 由于不涉及地下水源, “黄水”现象预测不会严重, 水质可能产生变化的水量为0.2万m³。此外, G水厂分担了J水厂部分配水量, 这对平衡北部较高的管网压力是有利的。

I水厂的供水量减小, 其供水量占总供水量的比例减至14%。I水厂的供水范围减小了3.46km的供水管线长度。这部分管线成为J水厂和G水厂的新供水范围。地下水源置换为地表水源及南水北调水源可能会产生水质变化。这部分管线中涉及未喷涂小口径无内衬铸铁管线2.5km, 水质可能产生变化的水量为177m³。

方案3:G水厂取用量达到25万m³/d、K水厂启用南水北调水源4万m³/d、J水厂取用量达到45万m³/d (南水北调水源与本地水源比例为1∶1) 、其他水厂保持不变、南水北调取水量合计101万m³/d的条件下, 进行模拟的结果如图9。

可以看出, K水厂投入运行后, 其供水量占总供水量的比例为4%。J水厂西部的供水范围置换为K水厂的供水范围, K水厂以南水北调水源为唯一水源, 供水范围向K水厂的北部延伸至城市西北部居住区, K水厂的供水范围管线长度为45km。本地地表水与南水北调水源的混合供水区域切换为100%南水北调水源供水区域, K水厂供水范围内“黄水”现象产生的几率不大。由于K水厂毗邻T水厂和J水厂, 这2座水厂的出厂水都含有高比例的南水北调水源, 管网已经适应这种水源, 若管线切换为100%南水北调水源不会发生水质变化。加之K水厂的供水能力小, 故随着需水量和南水北调水源取用量的增加, 还可增加K水厂的供水量, 直至满负荷运行。

G水厂的供水范围增加了8km供水管线的长度, 其供水量占总供水量的比例升至9%。G水厂的供水区域的西部供水范围向北延伸, 与K水厂的供水范围叠加, G水厂和K水厂都为100%的南水北调水源, 混合后水质不会产生变化。

方案4:G水厂取用量达到50万m³/d、J水厂取用量达到77万m³/d (南水北调与本地水源比例1.5∶1) 、其他水厂供水量保持不变、南水北调取水量合计166万m³/d的条件下, 进行模拟的结果如图10所示。

可以看出, 随着G水厂供水量的继续增加, 占市区总供水量升至17%, 供水区域沿南四环管线向东西两侧延伸, G水厂供水范围增加了16km的供水管线长度, 主要增加了西部的供水范围, 这部分供水管线属于T水厂之前的供水区域, 由于T水厂的出厂水中, 南水北调水源占比较多, 供水管线对南水北调水源适应性较强, 所以这部分管线发生水质变化的几率较小。东部为与I水厂的混合水, 由于I水厂的水源为地下水源, 水质可能发生变化, G水厂供水范围东部的混合区域中, 未喷涂小口径无内衬铸铁管的管线长度为260 m, 水质可能产生变化的水量为20m³。

G水厂达到满负荷运行后, 从水厂布局上来讲, G水厂负责供给市区的南部, 与北部J水厂的供给区域形成对置互补, 可有效缓解市区南部的低压问题, 并优化了城市供水系统布局, L市的东西南北4个方向都布置了主力水厂, 每个方位都具备50万m³的供水能力;从供水能力上来讲, G水厂并网运行后, 增加了50万m³的供水能力, 供水安全系数有1.07提高到1.09, 城市供水的安全保障性加强。

根据在水厂不同水量条件下对供水范围的模拟结果, 可以直观、完整地看到各水量方案下南水北调受水水厂供水范围的变化, 结合区域内管道流向发生改变, 节点压力发生较大变化、地下水供水区域变为南水北调水源供水区域, 管网中管道未喷涂层、未加内衬的特性, 可以确定出管网水质的重点监测区域, 得到适用于G水厂及市区各水厂供水区域内管网水质稳定的配水运行方式。通过模拟调控闸门把供水范围内发生“黄水”的几率降到最小, 得出优化调控方案。

基于模拟结果, 可全面了解调控方案对其他水厂的影响, 考虑到南水北调水源属于计划性取水, 制定出“南水北调水源逐步加量, 控制水厂供水区域”的实际运行方式。对于对于管网稳定性差的区域, 采用适当比例混合勾兑的方式实行水源置换 (J水厂的供水区域) , 同时水质部门跟踪该区域的管网管垢与生物膜腐蚀菌的变化情况, 3个月后不限制比例使用南水北调水源;对于同时使用本地水源和南水北调水源的互通性管网, 需要明确本地水源和南水北调水源的供水边界, 合理调控供水压力, 使南水北调水源不进入管垢稳定性差的管网区域 (对I水厂供水量的调控避免新水源进入I水厂供水区域而产生“黄水”现象) 。

L市部分水源切换为南水北调水源后, 应综合考虑不同水质的化学特性、不同供水的管网管垢特征以及管网水力分布状况等因素, 应用模拟技术指导和制定合理的水源切换调度策略, 得到以下结论:

(1) 通过对比南水北调水源、本地水源的水质差异, 预测出南水北调水源的出厂水对L市管网的影响, 并且预测出原地下水受水区域可能发生的“黄水”现象。

(2) 针对水源切换造成的铁离子析出问题的原因, 选用模拟软件的水源追踪功能进行分析, 设定了5种由供水量、闸门组合的状态方案, 得到不同方案下单一水厂的供水范围, 选出最优调控方案作为调度手段, 避免了南水北调水源进入城中心和原地下水水源与本地地表水水源的混合供水区域。

(3) 在模拟单一水厂供水范围的基础上, 根据取用南水北调水源调度运行方案, 选用模拟软件的浓度分析功能, 得到了4个方案的城区水厂供水范围, 根据模拟结果图分析了单一南水北调水源、单一地下水水源、混合水源供水区域的变化, 指出了由于供水范围发生变化影响的供水管线以及敏感供水区域, 统计出水质可能发生变化的水量, 验证了调度运行方案的可行性, 指出了修正方案需完善之处。