基于液位控制下的水池(箱)水齡估算方法及優(yōu)化建議

耿 冰

(上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，上海 200082)

1 研究背景

追求高品質(zhì)飲用水，是供水行業(yè)永恒的主題和為之奮斗的目標(biāo)[1]。上海供水主管部門擬提出2035年全面實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)飲用水的規(guī)劃奮斗目標(biāo)[2]，深圳也啟動(dòng)了在鹽田區(qū)設(shè)置高品質(zhì)飲用水示范區(qū)的實(shí)踐工作[3]。而二次供水作為城市供水系統(tǒng)的“最后一公里”，保障其水質(zhì)安全對整個(gè)供水體系具有重要意義。二次供水系統(tǒng)主要由埋地街坊管道、樓宇立管、水池、水箱、水泵、閥門及水表(流量計(jì))等設(shè)施構(gòu)成。水池(箱)作為二次供水的重要環(huán)節(jié)，扮演著重要的角色。就上海市而言，其中心城區(qū)就約有14萬個(gè)屋頂水箱，7 000多個(gè)地下水池[4]。其作為重要的調(diào)蓄設(shè)施，常因?yàn)槊芊獠煌耆⒉馁|(zhì)老舊和水齡過大使得內(nèi)部水質(zhì)存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。大多數(shù)水池(箱)由于采用浮球閥隨用隨補(bǔ)運(yùn)行模式，未充分利用水池(箱)的調(diào)蓄容積，也沒有結(jié)合用戶的實(shí)際用水需求和市政管網(wǎng)的調(diào)度方式進(jìn)行優(yōu)化，不利于降低水齡、保障供水水質(zhì)[5]。另外，很多老舊小區(qū)的儲(chǔ)水設(shè)備在當(dāng)初建設(shè)時(shí)普遍存在容積過大的情況，部分老舊小區(qū)屋頂水箱的儲(chǔ)水容積甚至足夠本棟居民48 h以上的用水需求。如此大的容積勢必造成過高的水齡，從而影響總氯、亞硝酸鹽及微生物等水質(zhì)指標(biāo)[6]。因此，部分水司嘗試采用液位控制補(bǔ)水水池(箱)的調(diào)蓄功能，以降低水齡，減小水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。截至2018年7月底，上海某水司已改造、接管二次供水小區(qū)4 000余個(gè)，涉及屋頂水箱逾5萬只，如何控制水齡保障水質(zhì)成為現(xiàn)階段的重要目標(biāo)之一。而精確的水齡計(jì)算往往需借助模型及大量的監(jiān)測儀表來實(shí)現(xiàn)，即便是國內(nèi)發(fā)達(dá)地區(qū)的水司，面對成千上萬個(gè)水箱水池，也難以利用該方法獲得水齡數(shù)據(jù)。

針對以上問題，本文介紹一種基于液位控制下的水池(箱)估算方法，得出液位控制二次供水水池(箱)的水齡，同時(shí)根據(jù)推導(dǎo)公式中相關(guān)參數(shù)，提出相應(yīng)水池(箱)優(yōu)化方案。

2 研究方法

2.1 液位控制補(bǔ)水水池(箱)工作原理

本文中水齡指的是單位體積飲用水在水池(箱)的平均停留時(shí)間，為了方便對其的控制，上海某水司在部分改造小區(qū)采用液位控制補(bǔ)水取代傳統(tǒng)浮球閥補(bǔ)水模式。水池(箱)安裝液位控制閥以及液位傳感器，閥門根據(jù)液位信號(hào)邏輯進(jìn)行開閉。如圖1所示，液位控制補(bǔ)水模式工作原理為：水池(箱)液位從關(guān)閥停補(bǔ)液位下降至開閥補(bǔ)水液位過程中，進(jìn)水閥持續(xù)關(guān)閉，出水管正常出水；當(dāng)水池(箱)液位觸及或低于開閥補(bǔ)水液位后，進(jìn)水管閥門打開并補(bǔ)水，出水管正常出水，直至液位達(dá)到關(guān)閥停補(bǔ)液位，閥門關(guān)閉。

圖1 液位控制補(bǔ)水模式Fig.1 Water Replenishment Mode under Liquid Level Control

2.2 液位控制補(bǔ)水水池(箱)液位變化規(guī)律

當(dāng)居民用水量較為穩(wěn)定時(shí)，其液位數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖2可知，在連續(xù)的一周時(shí)間里，采用液位控制補(bǔ)水的水池(箱)能夠快速完成補(bǔ)水。在進(jìn)水管閥門關(guān)閉期間，液位下降平緩近似一條斜線，用水情況較為穩(wěn)定。補(bǔ)水時(shí)間間隔相近，具有周期性。

圖2 某小區(qū)水箱液位變化情況Fig.2 Change of Water Tank Level in a Community

3 水齡的推導(dǎo)

3.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

由于液位控制補(bǔ)水水池(箱)的補(bǔ)水時(shí)間極短，且居民各時(shí)段用水量較為平衡。假設(shè)閥門開關(guān)時(shí)間不計(jì)，且補(bǔ)水時(shí)間較短弱化其影響，流態(tài)對水齡影響極小，且補(bǔ)進(jìn)的水和存水在水池(箱)中充分均勻混合。居民用水量在一定的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，則圖2可以簡化為圖3。

圖3 液位控制補(bǔ)水水池(箱)水齡計(jì)算圖Fig.3 Water Age Calculation Chart of Liquid Level Control in Water Pool (Tank)

3.2 水齡計(jì)算

本文僅估算生活飲用水經(jīng)過單一水池(箱)后的水齡變化情況， 因此假設(shè)打開閥門時(shí)進(jìn)水的水齡為0，設(shè)水池(箱)平均補(bǔ)水周期為T，總有效容積為V，單次補(bǔ)水水量為x，存水水量為y，則V=x+y。令補(bǔ)水水量占總的有效容積比例為a[a=x/(x+y)]，存水水量占總的有效容積比例為b[b=y/(x+y)]。則初始時(shí)刻，首次水池(箱)內(nèi)充滿水且水齡為0 h，經(jīng)過T時(shí)間，內(nèi)部液位不斷下降至開閥補(bǔ)水液位，此刻水齡也變?yōu)門；而打開閥門后，新補(bǔ)充的水與存水混合，使得水齡在補(bǔ)水瞬間得到降低，變?yōu)閎T；再經(jīng)過T時(shí)間，存水又由bT增加至bT+T，然后依次循環(huán)。水池(箱)內(nèi)水齡變化推導(dǎo)過程如表1所示。

表1 補(bǔ)水周期下的水齡情況Tab.1 Water Age under the Replenishment Cycle

(1)

(2)

其中：tmin——水箱補(bǔ)水穩(wěn)定運(yùn)行一定時(shí)間后最短水齡，h；

tmax——水箱補(bǔ)水穩(wěn)定運(yùn)行一定時(shí)間后最長水齡，h；

V——水池(箱)有效容積，m3；

q——平均用水量，m3/h；

b——存水水量占總的有效容積比例。

由式(1)～式(2)可知：當(dāng)水池(箱)內(nèi)的水充分混合，忽略補(bǔ)水過程中的干擾，最長水齡由有效容積與平均用水量決定；而最短水齡除了與有效容積和平均用水量有關(guān)之外，還與開閥補(bǔ)水液位的高低(存水水量占比)有關(guān)。

3.3 優(yōu)化方案

基于上述水齡估算公式推導(dǎo)得出以下水齡控制建議。

由式(2)可知，考慮到水池(箱)的最長水齡，如果需對其降低，在保障居民高峰用水需求的同時(shí)，盡可能降低水池(箱)有效容積，且地下水池有條件時(shí)宜采用生消分離模式。

由式(1)～式(2)可知，當(dāng)原有水池(箱)容積過大(容積達(dá)到最高日用水量及以上)，且本身結(jié)構(gòu)受現(xiàn)場環(huán)境限制無法改變時(shí)，可加裝液位控制閥，降低關(guān)閥停補(bǔ)液位和開閥補(bǔ)水液位。降低開閥補(bǔ)水液位可以有效減小水箱有效容積，從而降低最長水齡；降低關(guān)閥停補(bǔ)液位可以有效減小最短水齡。但是在降低液位的同時(shí)，由于相關(guān)規(guī)范對出水管高度有下限要求，單純一味降低液位會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水管下方水的低循環(huán)區(qū)域占比過大，進(jìn)水水量小，無法充分混合產(chǎn)生死水區(qū)，反而影響水質(zhì)。因此，對于新建水池(箱)，設(shè)計(jì)容積一定時(shí)，底面積不宜過大，否則后期會(huì)制約通過降低液位控制水齡的空間。當(dāng)液位控制無法達(dá)到水齡控制需求，但具備施工條件，也可以采用取消、合并或改建部分水池(箱)等方式。

實(shí)際情況下，當(dāng)補(bǔ)水間隔時(shí)間T較小時(shí)，尤其是夜間11點(diǎn)—早晨5點(diǎn)用水量較少時(shí)，水池(箱)存在不補(bǔ)水情況。而根據(jù)估算公式所計(jì)算的水齡可能低于6 h，此時(shí)水齡最不利情況可采用最大補(bǔ)水時(shí)間間隔。當(dāng)補(bǔ)水間隔T較大時(shí)(尤其大于24 h)，由于補(bǔ)水過程中時(shí)間占比小，且隨時(shí)間增加混合更為均勻，此刻通過公式估算得到的水齡值可能高于實(shí)際水齡。

4 結(jié)論與展望

通過本文所推導(dǎo)的估算公式，可以在相關(guān)監(jiān)測設(shè)備缺乏條件下，快速根據(jù)水池(箱)現(xiàn)有尺寸、水位以及用水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算液位控制二次供水水池(箱)水齡情況。若水齡過高，從實(shí)際操作難易角度出發(fā)，可優(yōu)先嘗試通過液位控制閥。當(dāng)液位控制無法達(dá)到水齡控制需求時(shí)，可以通過改造水池(箱)結(jié)構(gòu)縮小容積，合并或取消水池(箱)等。

針對水池(箱)補(bǔ)水模式最常見的為浮球閥進(jìn)水，而浮球閥會(huì)根據(jù)液位降低不同，導(dǎo)致閥門開度不同，影響進(jìn)水流量，同時(shí)，浮球閥隨用隨補(bǔ)時(shí)間較短，很難達(dá)到內(nèi)部水體均勻混合。因此，采用上述公式進(jìn)行水齡估算時(shí)，存在一定偏差。而采用時(shí)間控制，作為水池(箱)補(bǔ)水方式時(shí)，此刻T更為恒定，水齡估算僅根據(jù)上下液位變化值，進(jìn)行略微調(diào)整即可。

但是二供水齡控制只是保障龍頭水質(zhì)達(dá)標(biāo)的必要條件，溫度和材質(zhì)的影響也十分重要，同時(shí)，二次供水的水齡控制一定程度還會(huì)對市政管網(wǎng)的水齡產(chǎn)生影響，如何更好將二供水齡優(yōu)化與市政管網(wǎng)水齡優(yōu)化相結(jié)合，可能是水司未來關(guān)注的焦點(diǎn)。