上海是我国的经济中心,城市集中式水源地及原水系统供水规模约1 500万m³/d,居国内前列。由于黄浦江上游、长江陈行和青草沙三座大型集中式水源地位于太湖流域下游和长江入海口,独特的自然地理和区位条件使城市供水水源面临水质和安全保障两大隐忧。就水质而言:黄浦江上游水源有机污染严重,部分指标常年超Ⅲ类标准,部分指标季节性超标;长江口水源水质相对较好,但每年冬春季节遭受咸潮入侵,春夏季节要防止库内藻类暴发。从安全保障角度而言:无论长江还是黄浦江上游水源均位于开放式、多功能河流,突发性、流动性风险难以避免,而且水源地均处于流域的最下游,上游来水污染风险难以把控。

　　 在青草沙水源地原水系统建成之前,上海市黄浦江上游和长江陈行两大水源原水系统各自独立调配运行;青草沙水源地原水系统建成后,与黄浦江上游和长江陈行原水系统形成了三大原水系统互联互通的格局。由于缺乏多水源条件下水量水质优化调配关键技术,因此,未真正取得多水源互联互动的运行效果,难以有效应对重大事故。本次研究全面调查收集全市黄浦江、长江各水源基本状况和原水系统运行资料,按照不同水源的特点和面临的风险,提出原水系统水量水质统筹调配运行技术方案,为上海城市“两江并举、多源互补”的规划战略提供支撑。

　　 青草沙水源地原水系统工程规划供水规模719万m³/d,包括1座取水泵闸、1座水库、6座输水泵站,向14座水厂供应原水。

　　 青草沙原水系统为枝状输水。始端出水有两个方向,分别向长兴岛和陆域输水。其中,岛域方向输水11万m³/d,采用2根DN1 200钢管;陆域方向输水708万m³/d,采用2根盾构DN5 500/DN5 840(过江管),重力输送原水至浦东五号沟泵站。五号沟泵站为陆域输水枢纽泵站,泵站出水后向三个方向输送,分别为凌桥方向(60万m³/d)、严桥方向(440万m³/d)以及金海川沙南汇方向(208万m³/d)。凌桥方向为1根DN2 200输水管,供水对象为凌桥水厂和闸北水厂。严桥方向为2根DN3 600输水管,中途有严桥、临江和徐泾3座输水泵站,供水对象为杨树浦水厂、居家桥水厂、陆家嘴水厂、南市水厂、临江水厂、长桥水厂及徐泾水厂。金海方向为2根DN2 800~1 800输水管,供水对象为金海水厂、川沙水厂、航头水厂、南汇北水厂及惠南水厂,中途有金海、南汇北2座输水泵站。

　　 青草沙水库位于长江口江心,按照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002),对近年来青草沙取水口24项基本项目和5项补充项目的年均值进行评价。除总氮为Ⅴ类以下,汞为Ⅲ类外,高锰酸盐指数、总磷和粪大肠菌群为Ⅱ类,其余水质指标为Ⅰ类;5个补充项目全部合格。水质监测数据显示,青草沙水库原水藻细胞数量居高不下,且具有明显的季节变化特征。夏秋季节(7~11月份)高于冬春季节(12~6月份),其中8月份最高。

　　 陈行水源地原水系统工程供水规模为206万m³/d,由2座取水泵站、1座水库和2座输水泵站组成,向5座水厂供水。

　　 陈行原水系统为枝状输水。始端出水为1座泵站向两个方向输送原水。其中,一路输水为2根DN1 200,供水对象为月浦水厂,供水规模为40万m³/d。另一路为DN2 700和DN2 400输水管,供水对象为泰和水厂、吴淞水厂、闸北水厂以及罗泾水厂,规模为166万m³/d,中途有1座泵站。

　　 陈行水库位于长江口南支南岸,按照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002),对陈行水库近年来取水口24项基本项目和5项补充项目年均值进行分析评价。除总氮为Ⅴ类及以下,汞、总磷为Ⅲ类外,溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮和粪大肠菌群为Ⅱ类,其余水质指标为Ⅰ类;5个补充项目全部为合格。

　　 黄浦江上游引水工程供水规模为500万m³/d,为枝状重力流渠(管)输水系统。原水取自黄浦江后经提升纳入调压池,然后由3.75m×3.25m四孔主输水干渠输送原水。在16.6km后有支渠接出,支渠为3.90m×3.25m二孔;主输水干渠经DN4 000黄浦江越江顶管与临江泵站调节池相接。临江泵站为中途提升泵站。原水经水泵提升后,主输水线路为3.00m×2.50 m三孔输水渠至严桥泵站,严桥泵站出水后主干渠为2.80m×2.50m三孔。

　　 黄浦江上游松浦大桥取水口位于黄浦江干流松浦大桥附近,按照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002),对近年来水质24项基本和5个补充项目指标年均值分析,铜、锌、氟化物、硒、砷、镉、铬(六价)、铅、氰化物、挥发酚、阴离子表面活性剂和硫化物为Ⅰ类,五日生化需氧量为Ⅰ~Ⅱ类,溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、总磷在Ⅲ类,氨氮、汞和矿物油在Ⅲ~Ⅳ类,粪大肠菌群为Ⅳ~Ⅴ类,总氮(TN)劣于Ⅴ类。5个补充项目全部合格。

　　 图1为上海城市水源地及原水系统布局。

　　 上海城市多水源原水系统水力模型采用Infoworks WS供水系统模型。该模型软件主要特点为:①将关系数据库、水力引擎以及空间分析工具相结合,提供了一个一体化的供水管网模拟软件环境;②与SCADA实时数据接口的自适应性,可实现模拟值与实测值的比较分析;③模拟系统运行工况,核实运行控制措施,实现机泵优化调度。

　　 模型所用基础资料主要涵盖青草沙水库、陈行水库、黄浦江上游松浦原水厂调压池结构尺寸、标高和运行水位,所有原水输水系统管(渠)管径、断面规模、关键阀门,以及18座水厂进水构筑物结构尺寸、进水流量、水位标高,五号沟、金海、严桥、临江、泰和等主要原水增压泵站所有机泵扬程、流量参数等。其中水库、原水受水水厂作为模型的边界条件,分别由水库水位、进厂原水量的实测数据来定义。原水输水管渠、泵站信息主要以GIS数据为基础,结合现场调研数据修正概化到模型之中。详见图2所示。

　　 上海城市原水系统表现为长距离管道输水形式,其输水的水头损失主要为沿程水头损失。根据我国《室外给水设计规范》(GB 50013-2006)的推荐,本模型采用达西公式计算沿程水头损失,见式(1)。

　　 式中H_j,H_i———管道两端节点水头值,m;

　　 L———管道长度,m;

　　 D———管道内径,mm;

　　 λ———沿程阻力系数,无量纲;

　　 ζ———局部阻力系数,无量纲;

　　 Q———管道流量,m³/s;

　　 A———πD²/4,mm2;

　　 g———重力加速度,9.80665m/s²。

　　 λ值是水头损失计算的关键,一般采用经验公式计算得出。基于柯列勃洛克-魏特公式与实际圆管的阻力试验结果吻合良好,不仅包含了光滑管区和完全粗糙管区,而且覆盖了整个过渡粗糙区,因此,本次模型采用该公式,如下所示:

　　 式中λ———为综合阻力系数;

　　 Re———雷诺数;

　　 D———管道内径;

　　 e———综合当量粗糙度。

　　 本次原水系统水力模型计算表明,大型原水输水管线中综合当量粗糙度变化程度比自来水管道剧烈、频繁。以管径为DN2 200的凌桥支线在2013年6~9月和2014年1~4月综合当量粗糙度(e)变化情况为例,2013年6月青草沙水库出水口次氯酸钠投加浓度为1.2mg/L,9月为1mg/L,凌桥支线原水输水管平均综合当量粗糙度为4 mm;2014年1~3月青草沙水库出水口次氯酸钠投加浓度为1mg/L,4月为1.2mg/L,凌桥支线输水管平均综合当量粗糙度为1mm。见图3和图4。

　　 研究认为,原水输水管线中综合当量粗糙度不但与管道流量、流速相关,还与原水中添加的化学药剂浓度及温度等因素相关。为准确反映原水系统真实运行状况,研究选取上海城市原水供应量高峰日702万m³/d(2013年8月9日)、低峰日531万m³/d(2014年2月3日)和平均日637万m³/d(2013年12月31日),建立上海城市多水源原水输水系统典型工况水力模型,分别反映原水系统高流量负荷运行情况、一般流量负荷运行情况和低流量负荷阶段运行情况。在高峰日、低峰日和平均日工况下,以凌桥支线为例,综合当量粗糙度分别取5.5 mm、1.1mm和1.2mm。图5为2013年3月~2014年3月上海城市每日原水供应量。

　　 为准确考察模型的校核效果,选取了原水系统中的20余个节点,作为模型的关键节点。通过比较节点的模拟平均值、监测平均值、误差百分比和误差均方根等4项指标,误差百分比的计算公式如下:

　　 误差均方根的计算公式为:

　　 式中S(t)———在时刻t模型的模拟结果;

　　 L(t)———在时刻t监测系统的监测结果;

　　 n———模拟时段内时间步长的个数。

　　 经校核,3个典型工况模型中90%左右的关键节点平均误差百分比小于8%,达到预期效果。表1为高峰日模型关键节点模拟结果。

　　 上海市黄浦江上游、长江陈行和青草沙三大供水水源地,尽管取水水量有保证,但水源水质不尽相同,安全保障面临不同的潜在风险;三大原水系统尽管互联互通,但大口径输水管道和超大规模的枢纽型原水泵站也存在安全隐患。研究分析认为主要风险事件名称及特征如表2所示。

　　 基于重大水源事故、枢纽泵站停役、输水干管断管等极端情况,为尽量减少事故发生后对城市总体原水供应的影响程度,归纳形成事故工况及特殊工况下的原水供应方案框架,如图6所示。

　　 基于多水源调配控制条件,分析青草沙水库与陈行水库运行水位,应用原水系统水力模型,按照应对特殊工况和事故工况切换原水的要求研究制定原水调配方案。

　　 黄浦江上游水源向青草沙系统调配原水方案是多水源原水调配研究中最复杂的一个方案。研究通过高峰日水力模型模拟了当青草沙水源遭遇内源性或外源性严重水污染事件、青草沙至五号沟两根DN5 500/DN5 840管道双线故障或五号沟泵站停役,青草沙原水将被迫减量供水甚至停止供水的情况下,启用黄浦江上游松浦原水系统,分阶段、分步骤逐步恢复青草沙严桥支线以及金海支线所供水厂及原水构筑物的运行过程,实现黄浦江原水供应496万m³/d至青草沙系统严桥支线、金海支线(含川沙支线和南汇支线)陆域水厂。

　　 根据模型模拟的结果,黄浦江上游水源向青草沙系统调配原水的方案分为5个阶段,分阶段模拟结果如下。

　　 初始阶段需关停金海泵站、五号沟泵站、临江泵站等原水中途提升泵站。模型模拟松浦大桥原水泵站调压池水位为12.55 m,流量为34 330 m³/h,至曹行分支井的水位为9.95m。

　　 该阶段开启曹行分支井将黄浦江原水供应范围扩大至长桥水厂、徐泾水厂以及临江水厂。方案模拟显示,松浦大桥原水泵站增量运行,水量增加为102 988m³/h,调压池水位下降为6.50m。黄浦江上游原水进入曹行分支井后,分为南北两个水位,北分支井水位为5.51m,南分支井水位为5.57m。北分支出水向北进入长桥分支井,水位为5.19m,再分为徐泾水厂和长桥水厂两个方向。南分支出水向东朝临江泵站方向,供应临江水厂。北分支原水进入长桥水厂的进水水位为3.53m,进入徐泾泵站的站前压力为4.84m,经泵站增压后,出站压力为20.91m,进入徐泾水厂的进水水位为10.33m。南分支原水通过DN4 000越江(黄浦江)管道进入临江原水泵站,调节池水位为4.50m,经提升后分别输送至临江水厂,压力为16.05m。

　　 该阶段开启临江泵站,原水经由DN4 000过江管先后进入临江泵站调节池、调压池。方案模拟显示:松浦大桥原水泵站进一步增量运行,并提高调压池水位至9.80m,此时,曹行分支井南北两支水位分别为5.45 m及6.12 m,长桥分支井水位为5.36m。

　　 原水进入临江原水泵站调节池的水位为4.09m,分别向临江水厂和严桥原水泵站两个方向提升,进入调压池的水位为6.36m,流量为71 780m³/h;提升至临江水厂的压力为15.64m,流量为18 725m³/h。

　　 黄浦江上游原水经过严桥阀门井,进入严桥调节池,提升至调压池后输送至南市水厂、陆家嘴水厂、居家桥水厂以及杨树浦水厂等4座水厂。临江调压池出水经3孔管渠至严桥原水泵站调节池水位为3.34m,经加压后提升至严桥调压池的水位为13.75m,至南市水厂、陆家嘴水厂、杨树浦水厂及居家桥水厂的进厂水位分别为12.70 m、10.0 m、10.69m以及11.40m。

　　 该阶段开启严桥泵站至五号沟泵站的出水管道阀门,将原水输送至五号沟泵站,并通过站内拟建的超越管供应至金海水厂和金海原水泵站,恢复金海水厂的供水。方案模拟结果为:松浦大桥原水泵站进一步增量运行,调压池水位增至10.50m,供水量增加至187 251m³/h。此时,临江泵站的调节池水位为3.57m,临江泵站的调压池水位为8.69m,出水量为84 263 m³/h。严桥泵站的调节池水位为4.54m,严桥泵站的调压池水位为13.09m,出水量为84 263 m³/h,其中,至五号沟方向的流量为12 484m³/h。

　　 原水进入五号沟泵站内水位为12.91 m,通过拟建管径为DN2 400/DN2 600的超越管向金海水厂供水,金海水厂的进厂水位为12.66m。

　　 在金海水厂恢复供水后,通过启用金海原水泵站,恢复川沙水厂、惠南水厂以及航头水厂的供水,届时黄浦江上游水源向青草沙系统严桥支线、金海支线(含川沙和南汇支线)供水方案全部实现,受水水厂全面恢复供水,总流量为206 756m³/h。

　　 方案模拟最终结果为:松浦大桥原水泵站调压池水位提升至12.00m,临江泵站的调节池水位2.91 m,流量为122 649m³/h,临江泵站的调压池水位为9.54 m,流量为103 924m³/h,至临江水厂的压力为14.46m。原水进入严桥泵站的调节池水位为3.22m,经提升后进入严桥泵站调压池的水位为13.71 m,流量为103 924m³/h,另外一路往五号沟方向的流量为32 144m³/h。原水进入五号沟泵站站内水位为12.57m,再进入金海泵站的站前压力为11.05 m。金海泵站出口分为川沙方向及南汇方向,川沙方向经加压后出站压力提升至13.79m,进入川沙水厂的进厂压力为11.72m;惠南及航头方向的泵站出站压力分别为21.19 m及21.45 m,进入惠南水厂和航头水厂的进厂压力分别为13.4m及10.1m。

　　 上海城市多水源条件下原水调配技术研究以原水系统水力模型为载体,模拟分析并制定原水系统调配方案。研究表明:结合城市原水运管部门的实际调度,按照特殊工况和事故工况进行水源切换和备用水源启用等要求制定多种原水模拟供应方案,可为上海城市多水源原水水量水质实时运行调度决策提供技术依据。由于本次研究采用水力学模型是基于连续性方程、压降方程和能量方程,重点模拟原水系统中水量和压力变化情况,并未模拟水质变化情况,鉴于水质模型由一维平流扩散方程和节点混合方程组成,可以模拟水质指标变化情况,因此,今后将收集相关数据,建立水质模型进一步分析研究大型原水管线沿程损失系数与原水水质、化学药剂投加浓度以及温度、流速等定量分析研究。