白沙洲水廠配水系統改造相關問題探討

胡小琴

（武漢市給排水工程設計院有限公司 武漢 430020）

白沙洲水廠配水系統改造相關問題探討

胡小琴

（武漢市給排水工程設計院有限公司 武漢 430020）

白沙洲水廠位于武漢市武昌西南郊洪山區，始建于1973年，取水水源為長江，2014年完成新一期改造后，現狀總設計規模為 80×104m3/d。白沙洲水廠配水系統改造前，原水管道系統存在主要問題為安全性較差、配水不均勻、氣阻嚴重及廠區內局部原水管段輸水能力不足等，以上問題直接影響到水廠的正常生產運行、調度和成本控制，因此對原水系統進行改造。通過增加配水池、局部更換改造現狀原水管、調整原混合器結構等項目的實施，已有效地降低了原水系統的安全隱患、減少了原水系統的電能損耗，廠區各凈水系統的運行負荷將得到較大的均衡，處理效率將得到有效提高。

白沙洲水廠，原水管系，配水池，混合器

1.項目背景

白沙洲水廠以長江為取水水源，采用浮船取水，共有鋼制取水躉船三艘，總設計取水規模為80×104m3/d，其中1#船取水規模30×104m3/d，2#船取水規模30 ×104m3/d，3#船取水規模20×104m3/d。

新一期擴建工程完成后，白沙洲水廠總設計規模為80×104m3/d。廠區內共有五期凈化構筑物，其中一、三、五期設計規模為20×104m3/d，四、五期設計規模為10×104m3/d，除二期采用柵條絮凝斜管沉淀池＋雙閥濾池凈化工藝外，其余均采用網格絮凝斜管沉淀池＋V型濾池工藝形式。

由三艘取水船接出的原水管道在長江堤內灘地上互相連通，堤外原水主干管分為五大進水系統，即五個進水點，管道系統布置如下：

（1）至二期構筑物的原水管道，單獨采用DN1200管道穿堤后，沿進廠道路敷設至凈化構筑物處。（2）至一期、三期、四期及五期構筑物的原水主干管道，堤外部分管徑分別為DN1200、DN1400及DN1600各一根，三條干管采用DN1400連通管連通。其中接至新一期及五期構筑物的原水管，采用兩根DN1300管道翻堤后，合并為一根口徑為DN1800～DN1600主干管道，向新一期及五期構筑物配水；接至三期、四期構筑物的原水管，采用一根DN1600穿堤管過堤后，在堤腳附近分接兩根DN1200主干管，分別向三期、四期構筑物供水。分析白沙洲水廠原水系統改造前布置，存在的主要問題如下：

（1）原水輸水管系安全性較差

原水管道與各期凈化系統建設同步進行，受建設制約的條件較多，各期管道建設難以統籌考慮，逐步形成現有的原水輸水系統。由于各期原水輸水管道進行了連接，缺乏必要的安全檢修措施，且部分管材為混凝土管，導致系統存在較大的安全隱患。

（2）現狀原水管配水不均勻

受建設條件制約，各期管系水頭損失差異較大，且無必要的配水設施和合理的調整流量手段，導致各期凈化單元相互間配水均勻性較差，給生產運行調度帶來一定難度。

（3）現狀原水管氣阻嚴重

由于在堤內原水管相互聯接過于復雜，且管道埋設深度不一、配件設置差異過大，導致管道阻力和氣阻較大。根據水廠實際運行情況及多次現場調查，現狀兩根DN1300翻堤管道氣阻嚴重，該翻堤管上排氣閥所設DN15旁通管需常年開啟以輔助排氣。

（4）廠區內局部原水管段輸水能力不足

經分析計算，凈水廠原水輸水主干管對應其設計規模，存在如下問題：三期凈化單元原水管管徑偏小，其流速較其他各期原水管流速明顯偏高，水力坡降為一期、五期的兩倍左右，為二期、四期的三倍以上。由于各原水管系互相聯接，各凈化單元進水水面標高一致，水力坡降差異過大，特別是三期凈化單元水頭損失過大，造成其進水量不足。如要滿足三期達到設計負荷，會提高整個原水輸水系統水頭損失，增加了運行電耗。

通過分析、歸納現狀原水管道存在主要問題有：安全性較差、配水不均勻、氣阻嚴重及廠區內局部原水管段輸水能力不足。上述問題直接影響到水廠的正常生產運行、調度和成本控制，提出對原水管道系統進行改造。

2.白沙洲水廠配水系統改造方案

2.1 系統方案選擇

針對存在的問題，白沙洲水廠原水管道系統的改造應提高原水管道系統輸水安全性，改善各期凈化單元配水均勻性，方便生產運行調度和管理，擬定以下兩個系統改造方案：

方案一：廠外原水管基本維持現狀，僅對現有混凝土管進行改造更換，增設必要的分段閥門，以提高系統安全性；通過局部管道改造（增設必要連通及分段閥門），改善各期凈化單元配水均勻性；改造廠區內部分使用年限較久的原水管道。方案二：通過管道改造（切斷堤內連通管），形成三條管系獨立運行，管系更為簡潔、明晰，方便了運行調度，同時也提高了系統安全性；在廠內選擇適當位置，采取適宜的配水形式，改善各期凈化單元配水均勻性；改造廠區內部分使用年限較久的原水管道。上述兩方案的主要區別在于，方案一必須增設必要的分段閥門，維持現有運行和配水方式；方案二切斷現有管系連通管，使各管系獨立運行，并增設新的配水設施。兩方案比較如下：

（1）安全性：

方案一通過在現狀連通管段上增設必要的分段閥門以提高安全性。但閥門本身亦是故障點，在堤內江灘上現狀連通管上設置的閥門數量越多，越不利于管道系統的日常運行維護。尤其在洪水位期間，當江灘淹沒的情況下出現故障時，閥門和管道的檢修將難以進行。方案二一方面配水前形成三條獨立管系，各管系之間互相獨立，當其中一條管系出現故障時，不影響其他兩個管系的正常輸水，輸水安全性高；另一方面，僅在三條獨立管系進配水設施前設置閥門，閥門位于堤外，日常檢修及維護不受水源水位影響；且閥門處于常開狀態，降低了系統的故障率。

（2）配水均勻性：方案一各系統進水量調節需調整閥門開啟度，難以準確控制，對各系統配水均勻問題的改善作用有限，且易造成閥門損壞。方案二在采取合適的配水方式的條件下，可大大改善各期凈化構筑物配水均勻性，方便運行管理調度。

（3）施工難易程度及對生產的影響：方案一在現DN1200甚至更大口徑管道上新設置閥門，共計12臺。施工難度較大，水廠停產時間較長，將大范圍影響城市正常供水，對正常生產運行影響較大。方案二對現狀管道的影響主要是斷、堵管，其施工難度較方案一的增加閥門要低，對正常生產運行影響程度亦較低。

白沙洲水廠原水管道改造，應首先確保提高輸水安全性，方案一中三條獨立管系的系統布局，明顯具有安全性優勢。在確保安全性的前提下，改造方案應改善現狀配水不均問題，方便運行管理。方案一采用現有配水方式，對均勻性改善作用非常有限；方案二采取合理的配水方式后，可很大程度改善配水均勻性（具體配水方式比較選擇詳下文）。與此同時，改造方案應力爭施工方便，盡量減小對正常生產運行的影響。

綜合以上兩方案比較，鑒于方案二在提高管道安全性、改善配水均勻性及降低施工難度等方面的優勢，推薦采用方案二。

2.2 配水形式選擇

對凈水廠原水管的配水形式，一般有管道配水和配水池配水兩種形式，分述如下：

配水池配水：設置配水井連通，采用可調堰板調節各期構筑物流量。三條取水船分別通過三條主干管直接接入配水井進水區，經堰板調節后進入配水區，并采用五條獨立管系分別接至各期構筑物。

管道配水：設置連通母管連通，并設置必要的分段閥門，以作管道及設備檢修之用。三條取水船分別通過三條主干管直接與連通母管碰接，碰接前均設置閥門；由連通母管分接五條獨立管系，分別接至各期構筑物，分接起端設置閥門。

若堤防有軟弱土層地基，需通過滲流、抗滑穩定來分析安全系數，確定加固堤防斷面以及處理措施，確保安全穩定計算指標符合規范要求。對于有軟弱土層的建筑物，其地基處理方案、基礎形式要在安全、技術可靠、經濟合理、施工方便、施工周期等方面進行充分比選后確定。當該持力層層厚較薄、下臥好土層時，可考慮換填黏土、水泥土、砂石墊層等方法進行處理；如持力層層厚較厚，考慮采用預制樁或者木樁進行地基處理，樁與樁間土形成復合地基。

以下主要對兩配水形式的安全性、配水均勻性以及經濟性分別比較如下：

a.安全性

配水池配水方案中，三根進水主管進入配水井后，于進水區設置隔墻，并采用孔洞連通，當其中一根進水管系出現故障時，可采取關閉閘板后檢修，以達到不影響其他兩個管系正常進水、正常配水的目的，提高系統安全性。由于配水井采用鋼砼結構，只要注意施工質量是可以保證其抗震和防滲的安全。進水閥門長期處于全開，其損壞和檢修機率很小。配水井內無轉動機械設備，且出水活動堰不需經常調節其損壞和檢修機率也很小。各閘門檢修部份基本處于水面上，檢修、操作方便。

管道配水方案中，連通母管與三根進水管、五根出水管碰接，通過設置分段閥門，可適當提高個別管段故障時的輸水保障率。但由于管道節點較多，母管上需設置的分段閥門多達7套，數量較多，事故出現的機率也將增大，且閥門檢修較閘門難度大。

b.配水均勻性

配水池配水方案中，通過計算配水井至各期構筑物進水點處的水頭損失，以合理確定配水井高度，并通過配水井進水區設置的可調堰板調節堰上水頭，保證各期構筑物水量分配的均勻性。

管道配水方案中，由于只能通過調節閥門開啟度進行流量調節，難以保證各期構筑物配水的均勻性，且不適當的增加了水頭損失和閥門故障。

2.3 配水池設計

新建配水井布置于凈水廠內現狀空地處。配水井由進水區、配水區和溢流區三部分組成，平面尺寸為：L×B=35.4×13.2m，有效水深 4.0m。通過試算，設計流量條件下，各期配水堰堰上水頭為 0.2m，此時 10×104m3/d規模對應的堰長為8.2m，配水井設置可調節出水堰門。

3.原水系統改造中需關注的問題

3.1 配水池設計

配水池采用堰式配水，通過調整堰上水頭的高度，可靈活控制各期的凈化水量負荷，是大型凈水廠中多期配水系統中應用普遍的一種配水形式。

通過白沙洲水廠配水池的實際運行效果，在條件合適的情況下，應適當加深配水池有效水深，以減小原水進入配水池的波動，保證堰上水頭相對穩定。

白沙洲水廠配水池中各期進水均采用電動可調堰，可以結合實際供水需求，合理調節堰高度，尤其在低流量需求情況下，通過整體調低堰頂高程，以降低取水凈揚程，達到節能的目的。

3.2 配水池后系統水頭損失計算

白沙洲水廠混合工藝采用管式混合器。配水池至各期絮凝池水頭損失均按閥門、混合器、彎頭、三通等配件逐個計算，其中管式混合器水損按廠家樣本進行選取。配水池調試過程中，通過實際測定管式混合器實際水損，均遠遠高于廠家樣本中1.0m左右的推薦值，導致配水池整體水位較高的情況下，才能正常進入絮凝池。配水池原設計超高1.0m，實際運行時，僅能保證0.3m左右。

4.結論及建議

（1）一般年限較舊的大型水廠，由于多期建設、管系隨各期建設等問題，普遍存在與白沙洲水廠類似的安全性較差、配水不均勻、氣阻嚴重及廠區內局部原水管段輸水能力不足等問題。在水廠規劃設計時，需合理考慮適當的配水形式，保證各期凈化系統水量均衡、高程銜接合理。

（2）配水池采用堰式配水，通過調整堰上水頭的高度，可靈活控制各期的凈化水量負荷，是大型凈水廠中多期配水系統中應用普遍的一種配水形式。

（3）配水池設計中，需關注配水池有效水深，建議條件適宜情況下盡量加深；在水量需求變化較大的情況下，配水池建議設置電動調節堰，以達到低流量時降低取水能耗的目的。

（4）配水池至后續處理單元之間的水頭損失，需按各工況流量復核計算。在混合工藝采用管式混合器時，需尤其關注管式混合器的實際過流水頭損失。

胡小琴，女，1981年9月出生，湖北武漢人，工作單位武漢市給排水工程設計院有限公司，職稱為市政給排水工程師，碩士研究生學歷。

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