水資源優(yōu)化配置城市供水體系建設(shè)探析
——以四川省邛崍市為例

姜 影，薛祥山，周影烈，王建富，楊 鋼，張中元

(1.北京清控人居環(huán)境研究院有限公司，北京 100083；2.常州智建工程管理有限公司，江蘇 常州 213000)

城市水資源是城市發(fā)展的命脈，供水系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。近年來各大城市對(duì)水源、水量分配及供水設(shè)施的保障要求越來越高，同時(shí)也越發(fā)重視水資源規(guī)劃和供水保障體系規(guī)劃的編制，以期科學(xué)指導(dǎo)和推動(dòng)供水事業(yè)。因此，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，完善供水體系，確保供水安全是亟待解決的重要問題。邛崍市水資源量相對(duì)較豐富，但區(qū)域分配不均，對(duì)其進(jìn)行水資源優(yōu)化配置，合理分配水量，可有效提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)水優(yōu)用。此外，對(duì)供水體系進(jìn)行系統(tǒng)分析，充分論證水源和供水設(shè)施建設(shè)，優(yōu)化供水格局，可有效保障供水安全并提高供水系統(tǒng)運(yùn)行可靠性[1- 7]。

1 水資源量及供用水現(xiàn)狀

邛崍市位于成都市西南部，隸屬成都市“西控”、“南拓”范疇，境內(nèi)共有9條河流，河網(wǎng)密布，年徑流總量為9.91億m3，可利用量為5.328億m3。邛崍市多年平均水資源總量為10.7億m3，可利用量約為7.36億m3。人均水資源量為5353m3，單位國(guó)土面積水資源量為77.4萬(wàn)m3/km2，水資源總量相對(duì)較豐富。

邛崍市主要以地表水供水為主，采用蓄、引、提相結(jié)合，大、中、小型工程兼?zhèn)涞乃Y源供水體系。共有19個(gè)供水廠，總供水能力約為17萬(wàn)m3/d，其中城區(qū)供水來自城市自來水廠，農(nóng)村供水以臥龍水廠為主，主要供給平原集中發(fā)展鄉(xiāng)鎮(zhèn)，山區(qū)則為一鄉(xiāng)鎮(zhèn)一水廠。用水主要集中在生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境幾個(gè)方面，總體符合三條紅線4.4億m3的總量控制指標(biāo)。但隨著邛崍市招商引資的進(jìn)行、開發(fā)區(qū)和工業(yè)園區(qū)的興建，工業(yè)用水增加迅速，供用水矛盾逐漸凸顯。

2 問題分析

邛崍市水資源總體較豐富，但存在時(shí)空分布不均、供需分配不均衡，供水體系不完善等問題。主要體現(xiàn)在三方面。

(1)總體降雨量豐沛，但時(shí)空分布不均，年內(nèi)季節(jié)性差異大邛崍市多年平均降水量約為1040.5mm，降雨量自西向東逐漸遞減。最大年降雨量1378.2mm，最小838.3mm。年內(nèi)降雨主要集中在6—9月，豐水期約占全年降雨量的70%，枯水期僅占全年7.3%。

(2)水源單一

市域內(nèi)供水廠都是單一水源，缺乏第二水源。出現(xiàn)緊急情況時(shí)，無(wú)法保障正常供水，存在供水風(fēng)險(xiǎn)。其中，城市自來水廠水源為南河石河堰地表水，為單水源且上游存在沿途污染風(fēng)險(xiǎn)。臥龍水廠水源為境外的百丈水庫(kù)，水源保護(hù)管理困難，水質(zhì)無(wú)法得到有效保障，存在安全隱患。

(3)供水保障率差

近幾年邛崍市為落實(shí)成都“西控”“南拓”要求，全力融入天府新區(qū)建設(shè)國(guó)家中心城市衛(wèi)星城目標(biāo)，城鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)迅速發(fā)展，需水量大幅增加，部分水廠已超負(fù)荷運(yùn)行，臥龍水廠最為突出。臥龍水廠供市域東部13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和2個(gè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，供水主干管已接近飽和，水廠實(shí)際供水已超負(fù)荷，但仍無(wú)法滿足用水需求。隨著工業(yè)園區(qū)逐漸建成，服務(wù)人口及范圍隨之?dāng)U增，供水壓力持續(xù)增加，供水安全保障威脅也愈發(fā)突顯。城區(qū)水廠雖滿足供區(qū)用水總量需求，但由于部分管網(wǎng)管材不達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)漏損、爆管現(xiàn)象。同時(shí)，隨著城市的快速發(fā)展，部分管道管徑不足，水量分配不均衡，供水保證率低，亟需改造。因此，邛崍市需統(tǒng)籌并優(yōu)化配置水資源，合理提升、改造供水設(shè)施，按“合理開發(fā)，優(yōu)水優(yōu)用”的原則，提高供水保障率，確保供水安全，整體提高水資源利用率[8- 10]。

3 水資源配置目標(biāo)函數(shù)及約束條件

3.1 目標(biāo)函數(shù)

(1)經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)：供水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大，即國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)最大

Max(GDP)=A1·X1+A2·X2+A3·X3

(1)

式中，X1—第一產(chǎn)業(yè)用水量；X2—第二產(chǎn)業(yè)用水量；X3—第三產(chǎn)業(yè)用水量。A1—單位水資源第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值；A2—單位水資源第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值；A3—單位水資源第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值。

(2)缺水量目標(biāo)：缺水量最小

Min(V)=X1+X2+X3+LSH+LST-TZ

(2)

式中，LSH—生活用水量；LST—生態(tài)用水量；TZ—總可用水量；其余符號(hào)意義同上。

3.2 約束條件

(1)可用水量約束：

TZ=T地表+T地下+T其他

(3)

式中，TZ—總可用水量；T地表—地表水可用水量；T地下—地下水可用水量；T其他—其他水源可用水量(如污水回用量、海水利用量等)。

(2)各部門用水量約束：

bi(i=1，2，3)

(4)

式中，Xi—第i用水部門的用水總量；i—第i產(chǎn)業(yè)；bi—第i用水部門的最低用水總量；di—第i用水部門的最大用水總量；其余符號(hào)意義同上。

4 水量?jī)?yōu)化配置結(jié)果

以2022年和2035年2個(gè)規(guī)劃水平年作為研究的時(shí)間尺度，對(duì)邛崍市的水資源進(jìn)行配置計(jì)算。基于上述目標(biāo)函數(shù)及約束條件，參考三條紅線控制指標(biāo)進(jìn)行反復(fù)調(diào)算，得出不同水平年的水資源優(yōu)化配置結(jié)果見表1。

表1 水資源配置結(jié)果表 單位：108m3

參考各用水部門用水配置比例，計(jì)算出規(guī)劃水平年2022年可供綜合生活用水量為0.63億m3，可供工業(yè)用水量為1.34億m3。各用水部門水量配置結(jié)果見表2，總體滿足用水需求。

5 供水體系分析

5.1 水源保障系統(tǒng)分析

鑒于邛崍市供水廠水源單一、供水保障率差等問題，提出城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)主水廠第二水源方案，建立雙水源供水模式。根據(jù)邛崍市實(shí)際情況進(jìn)行多個(gè)水源方案比選及可行性分析論證，經(jīng)論證后確定最優(yōu)方案，形成現(xiàn)有供水體系的第二水源系統(tǒng)，在遇特枯年或連續(xù)枯水年水量不足或突發(fā)供水事件時(shí)，可滿足各用水戶的基本用水需求。最優(yōu)方案如下：

(1)城區(qū)水廠——由玉溪河引水樞紐通過沙石支渠輸水至邛崍市北部陳祠堂水庫(kù)，將陳祠堂水庫(kù)與紅旗水庫(kù)進(jìn)行連通，通過輸水管道輸送至城市自來水廠，作為城區(qū)水廠第二水源，以此雙重保障城區(qū)的供水安全及供水保障率。

(2)臥龍水廠——利用水廠上游五綿山支渠從玉溪河引水至大山崗，將大山崗作為水源地，從大山崗接輸水管道至臥龍水廠，作為臥龍水廠第二水源。

5.2 供水片區(qū)劃分

綜合考慮邛崍市地形、流域、行政區(qū)劃、灌區(qū)等各方面因素，以地形、流域的影響因素為主導(dǎo)，結(jié)合邛崍市用水情況及行政區(qū)域統(tǒng)分性、組合性與完整性，將市域劃分為3個(gè)供水片區(qū)，如圖1所示。

圖1 邛崍市供水片區(qū)劃分及水廠建設(shè)布局圖

5.3 水廠建設(shè)布局

根據(jù)前述各部門水量配置結(jié)果、結(jié)合城市用水需求，臥龍水廠規(guī)模應(yīng)增加至25萬(wàn)t/d；西南山丘區(qū)建設(shè)3萬(wàn)t/d的天臺(tái)山水廠，供給西南地區(qū)用水。最終實(shí)現(xiàn)以臥龍水廠、城市自來水廠、天臺(tái)山水廠等三大水廠為主的“大水廠供水、大管網(wǎng)輸水、小水廠應(yīng)急備用”的城鄉(xiāng)一體、全域覆蓋供水格局。同時(shí)對(duì)部分年代久遠(yuǎn)、老化的設(shè)備進(jìn)行改造，以便在集中水廠緊急關(guān)停時(shí)起到應(yīng)急保障作用，確保供水安全。

5.4 供水管網(wǎng)分析

5.4.1 管網(wǎng)分區(qū)

供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量是將復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)分區(qū)供水，是進(jìn)行管網(wǎng)漏損分析和產(chǎn)銷差控制比較通用的做法，根據(jù)邛崍市地形及區(qū)域特征，以原有的城市供水自然經(jīng)營(yíng)區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)，將城區(qū)管網(wǎng)劃分為9個(gè)分區(qū)，如圖2所示。

5.4.2 模型構(gòu)建及模擬計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)狀CAD圖形文件進(jìn)行供水管網(wǎng)拓?fù)湫畔浫耄賹?duì)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正確性進(jìn)行檢驗(yàn)，得到完整的現(xiàn)狀管網(wǎng)拓?fù)湫畔ⅲM(jìn)而結(jié)合管網(wǎng)建模需求，進(jìn)行管網(wǎng)簡(jiǎn)化計(jì)算。本研究經(jīng)簡(jiǎn)化后的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為191，管段數(shù)為315。最后，輸入水廠、泵站、閥門、摩阻系數(shù)等管網(wǎng)屬性信息，進(jìn)行水量分配，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)模擬計(jì)算。

在水力模擬計(jì)算過程中，一般采用新管的海曾-威廉C值，即130。但由于供水管網(wǎng)建設(shè)年限和管徑都對(duì)C值有不同程度影響，本次采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，結(jié)合相關(guān)管段阻力系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果，確定現(xiàn)狀管網(wǎng)C值為110。節(jié)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)參考邛崍地形及相關(guān)豎向規(guī)劃確定。根據(jù)以上分析，本模型共包含管道858個(gè)，節(jié)點(diǎn)542個(gè)，管道總長(zhǎng)度333.5km，如圖3所示。

圖2 中心城區(qū)供水管網(wǎng)分區(qū)圖

圖3 模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

5.4.3 模擬結(jié)果及管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整

經(jīng)模型模擬計(jì)算后，主城區(qū)部分管段流速為0.6～1.0m/s，局部管段流速超過1.0m/s，整體流速偏大，管道負(fù)荷過高。因此，需通過調(diào)整局部管網(wǎng)布局、管徑等方式進(jìn)行優(yōu)化布置，主要方案如下：

(1)沿西郊路(西河大橋以北)新建DN1000輸水管道，新增水量通過北部君平大道輸送至規(guī)劃新建地區(qū)，降低新增流量對(duì)老城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。

(2)對(duì)濱河路(現(xiàn)狀水廠出廠管網(wǎng)過河處至西河大橋段)進(jìn)行改造，改造后管徑為DN600；沿黃壩東路新建DN600供水管線。(3)結(jié)合綜合管廊建設(shè)，對(duì)君平大道、西環(huán)路、鳳凰大道管網(wǎng)進(jìn)行更新改造。

通過改造后流速工況模擬分析，相較于改造前流速分布更加合理，管道負(fù)荷進(jìn)一步降低。

5.4.4 最高日最高時(shí)工況分析

水量計(jì)算中，時(shí)變化系數(shù)采用1.4，則最高日最高時(shí)設(shè)計(jì)流量為2385L/s。各分區(qū)流量見表3。

表3 各分區(qū)流量計(jì)算一覽表

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，最不利點(diǎn)ID編號(hào)為294，自由水頭為28m，滿足服務(wù)壓力需求。城市水廠出流量為2130.9L/s，出廠壓力水頭為42.9m。由模型計(jì)算出的管網(wǎng)流速分布得出，大部分管道流速介于0.3～0.6m/s，部分管道流速為0.6～1.0m/s。同時(shí)，從模型中可分析出，城市水廠至規(guī)劃最遠(yuǎn)點(diǎn)總水頭線坡度平緩，自由水頭滿足水壓設(shè)定目標(biāo)。

5.4.5 消防與事故校核

研究區(qū)人口按32萬(wàn)人計(jì)，同一時(shí)間內(nèi)火災(zāi)2起，一起火災(zāi)設(shè)計(jì)流量按60L/s計(jì)算。最不利點(diǎn)水壓為27.2m，最大流速1.28m/s，滿足消防要求。

供水干管發(fā)生事故時(shí)，設(shè)計(jì)流量按城區(qū)遠(yuǎn)期(含發(fā)展備用地)最大時(shí)的70%考慮，即1669.6L/s，最大流速1.29m/s。滿足要求。

6 結(jié)論

本文針對(duì)邛崍市多水源多水廠的現(xiàn)狀，提出水資源優(yōu)化配置方案。經(jīng)配置后的各部門水量滿足用水需求，單位水資源發(fā)揮了更大效益，可為今后類似水資源分配決策提供參考依據(jù)。

在供水體系研究中，提出了雙水源供水模式及以三大水廠為核心的城鄉(xiāng)一體、全域覆蓋的供水格局。結(jié)合管網(wǎng)水力模擬分析，提出相應(yīng)改造方案，調(diào)整管網(wǎng)格局，優(yōu)化現(xiàn)狀管網(wǎng)，提高供水效率和供水保障率，保障城市供水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

供水體系建設(shè)綜合性較強(qiáng)、涉及面廣，仍需進(jìn)一步深入研究，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，全面實(shí)現(xiàn)水資源高效利用和城市供水體系的可持續(xù)發(fā)展。