深圳市二次供水設(shè)施改造工程設(shè)計(jì)探討

彭小軍, 許擁軍, 楊 蕓

(深圳市利源水務(wù)設(shè)計(jì)咨詢有限公司, 廣東 深圳 518000)

2019 年12 月印發(fā)的《深圳市建設(shè)中國特色社會主義先行示范區(qū)的行動(dòng)方案》(2019—2025 年)》提出,到2025 年率先實(shí)現(xiàn)自來水全市直飲。 城市直飲水全覆蓋的實(shí)現(xiàn),需從源頭到用戶龍頭全流程管控,包括水源建設(shè)、供水集約化及水廠工藝升級、老舊市政管網(wǎng)更新、優(yōu)質(zhì)飲用水入戶工程(指小區(qū)埋地管、明裝主管、水表組及表后管改造工程)。 隨著市政供水設(shè)施及管網(wǎng)系統(tǒng)不斷升級,二次供水設(shè)施改造工程的實(shí)施,將重點(diǎn)解決供水系統(tǒng)“最后一公里”用戶龍頭水質(zhì)安全及水壓保障問題。

為規(guī)范指導(dǎo)二次供水設(shè)施的設(shè)計(jì)及建設(shè),2020年深圳印發(fā)的SJG 79—2020《二次供水設(shè)施技術(shù)規(guī)程》。 本文探討二次供水設(shè)施改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn),總結(jié)二次供水設(shè)施改造的難點(diǎn),提出優(yōu)化的合理性建議,為城市二次供水設(shè)施改造提供有意義的借鑒。

1 二次供水設(shè)施現(xiàn)狀分析

(1)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低,供水短板凸顯

泵房空間小,環(huán)境悶濕,衛(wèi)生條件差,設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)低,噪音大,故障率高且穩(wěn)定性差,用電成本高。

(2)供水設(shè)施老化,存在水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)

泵房內(nèi)管道多為鍍鋅鋼管,腐蝕嚴(yán)重,已引起“黃水”“紅水”等污染事件;供水水箱采用鋼筋混凝土材質(zhì),與水發(fā)生反應(yīng),影響水的酸堿度;余氯衰減導(dǎo)致微生物繁殖,增加水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)。

(3)生消水池合建,水力停留時(shí)間長

生活和消防水池合建,水體流通性差,停留時(shí)間長,余氯衰減嚴(yán)重,抑制細(xì)菌生長能力的削弱。

(4)智慧化與自動(dòng)化程度低,耗時(shí)耗力

泵房缺乏多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測、安防系統(tǒng)、自控平臺等管理措施,巡檢工作量大,管理效率低。

(5)責(zé)任單位缺乏專業(yè)管理人員,履職不到位

泵房管理職責(zé)在物業(yè)單位,而供水設(shè)施本身有其綜合性及復(fù)雜性,物業(yè)單位缺乏專業(yè)管理人員,大多數(shù)泵房無法有效管理,履職不到位情況普遍。

2 二次供水設(shè)施改造內(nèi)容

通過對居民小區(qū)二次供水設(shè)施進(jìn)行調(diào)查、評估,確定改造范圍。 二次供水改造的紅線范圍為泵房內(nèi)所有供水設(shè)施,起點(diǎn)和終點(diǎn)為泵房進(jìn)出水管道與二次供水設(shè)施的接駁處。 建設(shè)內(nèi)容包括加壓水泵,存在水質(zhì)安全隱患的水池(箱)及配套設(shè)施(溢流管、放空管、通氣管、玻璃管液位計(jì)、爬梯等),水泵進(jìn)出水管道及其附屬設(shè)施(閥門、電接點(diǎn)壓力表、多功能止回閥、水錘消除器、壓力變送器等),電氣控制系統(tǒng)(水泵配套的雙電源柜、PLC 柜、變頻柜等控制系統(tǒng)),紫外線消毒設(shè)施增設(shè),泵房裝飾環(huán)境提升(地面及墻體裝修優(yōu)化、泵房隔音、吊頂裝飾等),智慧化平臺建設(shè)(增設(shè)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)、安防視頻系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)等安防及智慧管理系統(tǒng)等)。

3 工程設(shè)計(jì)技術(shù)重難點(diǎn)

3.1 “兩項(xiàng)工程”施工時(shí)序不同,系統(tǒng)銜接難

二次供水設(shè)施改造與優(yōu)質(zhì)飲用水入戶工程,簡稱“兩項(xiàng)工程”。 對泵房內(nèi)二次供水設(shè)施進(jìn)行改造時(shí),已實(shí)施優(yōu)質(zhì)飲用水入戶工程的中高、高層小區(qū)的供水管網(wǎng)系統(tǒng)未分區(qū),后續(xù)立項(xiàng)實(shí)施的二供泵房設(shè)計(jì),加壓水泵組依據(jù)現(xiàn)狀樓層及用戶進(jìn)行優(yōu)化分區(qū),會出現(xiàn)水泵分區(qū)與供水系統(tǒng)無法匹配的情況。 最典型的“低位水箱→工頻水泵→高位水池→居民用戶”供水模式,上行下給供水,減壓閥分區(qū)供水,是本次討論如何實(shí)現(xiàn)“兩項(xiàng)工程”銜接的重點(diǎn)。 二次供水工程需要優(yōu)化設(shè)計(jì)思路,增加合理供水分區(qū),新建低區(qū)或中區(qū)管道,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立分區(qū),降低能耗,同時(shí)可取消其屋頂水箱供水,僅保留消防供水功能。

3.2 二次供水方式調(diào)整,衍生節(jié)能降耗問題

據(jù)深圳供水企業(yè)供水用戶信息統(tǒng)計(jì),二次供水改造工程實(shí)施前,高位水箱供水方式占比約33%,變頻調(diào)速供水方式占比45%,疊壓供水方式占比22%,按照SJG 79—2020《二次供水設(shè)施技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行二次供水改造后的泵房,低位水箱(池)+變頻供水的方式占比90%,征得供水企業(yè)同意后實(shí)施疊壓供水的占比為10%。 加壓設(shè)備更新升級,水泵及電機(jī)效率提高,自控系統(tǒng)更加智能化,水泵切換運(yùn)行更加靈活,但部分泵房加壓及配套電氣設(shè)施總耗電量并未降低,反而增加,其中水泵設(shè)備的用電量一般占比泵房總用電量的80%以上,二次供水方式的調(diào)整,帶來節(jié)能降耗問題,如何選擇合理的供水設(shè)計(jì)方案,是二次供水工程關(guān)聯(lián)能耗的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.3 水力停留時(shí)間長短,影響供水水質(zhì)

通過流體力學(xué)模擬水池的水力狀態(tài)可知[1],未設(shè)導(dǎo)流墻(板)的水池,水池內(nèi)流態(tài)表現(xiàn)為紊流狀態(tài),池內(nèi)邊緣區(qū)水體流動(dòng)緩慢,形成死水區(qū),即便增設(shè)導(dǎo)流墻(板),當(dāng)?shù)臀凰?池)水體停留時(shí)間過長時(shí),隨著水體中余氯的衰減,水質(zhì)二次污染的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。 選擇合適的水力停留時(shí)間,確保水池出水滿足GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的末梢水總余氯值不小于0.05 mg/L。

3.4 水池內(nèi)部材質(zhì)問題,存在水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

結(jié)合現(xiàn)場踏勘可知,現(xiàn)狀低位水池(箱)分混凝土水池和不銹鋼水箱兩種,其中混凝土水質(zhì)內(nèi)壁材質(zhì)主要有瓷磚、水泥、涂料三種,不同內(nèi)壁材質(zhì),對于余氯衰減及水體pH 值影響不同,余氯余值和pH 大小均會影響HOCl 濃度,消毒能力下降,池壁微生物滋生,出水水質(zhì)存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 泵房設(shè)備運(yùn)行,引發(fā)噪音污染

水泵房噪聲是由水泵運(yùn)行噪聲和電機(jī)噪聲引起的綜合噪聲源,屬于低頻噪聲(頻率在500 Hz 以下的聲音),特點(diǎn)是穿透力極強(qiáng)、衰減緩慢、聲波較長、其衍射波能輕易繞過障礙物。 水泵房內(nèi)的噪音應(yīng)符合GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,居民住宅屬于1 類聲環(huán)境功能區(qū),晝間環(huán)境噪聲限值為55 dB(A),夜間噪聲限值為45 dB(A)。 二次供水工程設(shè)計(jì)將降噪作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制,避免帶來噪音污染。

3.6 泵房智慧化水平低,安防系統(tǒng)缺失

現(xiàn)狀泵房建設(shè)年代久,水質(zhì)在線監(jiān)測缺失,自控系統(tǒng)軟件需升級,智慧化水平低,與深圳二次供水工程智慧化、智能化的要求存在差距;建立二次供水?dāng)?shù)據(jù)化、信息化系統(tǒng)是智慧水務(wù)智控平臺的核心。

4 技術(shù)難點(diǎn)解決措施

4.1 優(yōu)化供水分區(qū),兩項(xiàng)工程契合

以深圳市某30 層小區(qū)為例,該小區(qū)優(yōu)質(zhì)飲用水入戶工程已竣工,二次供水改造前為上行下給的供水模式,即地下水池+工頻泵→屋頂水箱→用戶,見圖1。

4.1.1 合理分區(qū),增設(shè)加壓設(shè)施

二次供水改造時(shí),根據(jù)樓層及供水用戶情況重新分區(qū),其中低區(qū)為2 ～10 層,中區(qū)為11 ～20 層,高區(qū)為21～30 層。 依據(jù)分區(qū)服務(wù)人口數(shù)量,新建管徑合理的中、低區(qū)加壓管道,連接中、低區(qū)泵,擬新建分區(qū)管道與主供水管道(現(xiàn)狀供至屋頂水箱的管道)沿著相同路線,埋地或明裝至管道井。

4.1.2 優(yōu)化立管設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)分區(qū)獨(dú)立

保持現(xiàn)狀下行供水管,底部與管道井內(nèi)中區(qū)加壓管相連,在設(shè)計(jì)高區(qū)與中區(qū)分區(qū)處(20 層)安裝干管減壓閥和分區(qū)閥門,20 層以上原下行供水管為高區(qū)立管,20 層以下原下行供水管為中區(qū)立管。 新建一根低區(qū)立管,底部與管井內(nèi)低區(qū)加壓管接駁,頂部與中區(qū)管相連,連接處設(shè)減壓閥、分區(qū)閥門,各分區(qū)頂部設(shè)復(fù)合式微量排氣閥。 二次供水工程完成前,維持原上行下給供水模式,二次供水工程完成后,拆除分區(qū)閥門及主管減壓閥,三個(gè)分區(qū)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立供水。

4.1.3 改造前后系統(tǒng)銜接,確保供水穩(wěn)定與安全

現(xiàn)狀供水方式為上行下給,主供水管到達(dá)水箱后,由水箱出水下行至各層用戶。 在水箱進(jìn)水管和出水管之間安裝連通管及閥門,在水箱進(jìn)水管(連通管三通后)加裝計(jì)量水表及倒流防止器,水箱出水管后安裝閥門。 二次供水實(shí)施前,連通管閥門關(guān)閉,水箱出水管閥門開啟,保障用水安全與穩(wěn)定;二次供水實(shí)施后,水箱出水管閥門關(guān)閉或法蘭封堵,連通管閥門開啟,取消水箱生活功能,僅保留消防功能。

4.2 拓寬設(shè)計(jì)思路,深挖降耗空間

4.2.1 優(yōu)化水泵選型,合理參數(shù)配置

全面收集現(xiàn)狀供水?dāng)?shù)據(jù),準(zhǔn)確計(jì)算水泵流量及揚(yáng)程,確保水泵參數(shù)與實(shí)際用水變化曲線貼切,確保水泵效率可滿足水泵規(guī)定最低點(diǎn)效率,保障同型號多臺水泵并聯(lián)時(shí),可在高效區(qū)的末端運(yùn)行。 結(jié)合泵房全天供水水量曲線及效率值可知[2],夜間低峰用水時(shí)段,水泵效率較低,單位供水量能耗數(shù)值較高,水泵運(yùn)行不在高效區(qū)間,此時(shí),二供設(shè)計(jì)應(yīng)合理配置輔助加壓水泵,增強(qiáng)因需水量變化靈活調(diào)整供水能力。 目前,“全流量高效變頻調(diào)速方法”相比較常見的變頻調(diào)速供水設(shè)備節(jié)約能耗約40%。

4.2.2 復(fù)核供水條件,疊壓供水再研究

根據(jù)《二次供水設(shè)施技術(shù)規(guī)程》,疊壓供水的技術(shù)要求需滿足:市政供水管徑不小于300 mm,高峰期市政供水壓力值不小于0.28 MPa,市政供水管為引入管管徑2 倍以上,啟動(dòng)或切換疊壓設(shè)備,市政供水管網(wǎng)壓力瞬間變動(dòng)值小于0.02 MPa 等。 同等供水條件下,高峰期頻繁進(jìn)水時(shí),低位水池(箱)自由水頭進(jìn)水時(shí)的流量引起的波動(dòng),對市政管網(wǎng)的瞬間壓力影響大于疊壓供水。

當(dāng)市政供水條件均符合技術(shù)要求,能保證連續(xù)供水,高保障率,且征求供水企業(yè)同意后,可通過管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型對擬采用疊壓設(shè)備周邊區(qū)域的供水情況進(jìn)行水力模擬,分析不同工況下水力條件,適當(dāng)考慮疊壓供水在二次供水中的使用,依據(jù)《給排水設(shè)計(jì)手冊》第二冊《建筑給水排水》表1—40,疊壓變頻供水的能耗小于1,可達(dá)到較理想的節(jié)能降耗目的。

4.2.3 借力市政壓力,推廣應(yīng)用新技術(shù)

水泵吸水管分兩路,一路是低位水池(箱),一路是市政壓力直供。 射流輔助裝置安裝在水泵吸水管道上,市政來水經(jīng)過射流裝置,產(chǎn)生負(fù)壓,負(fù)壓處聯(lián)通水池來水,水泵進(jìn)水即可利用市政壓力供水,又可使用水池貯存清水。 當(dāng)供水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),帶壓的市政供水與低位水池(箱)供水經(jīng)過射流輔助裝置,混合后以定量揚(yáng)程供至水泵吸水口,充分利用市政壓力,降低泵房水泵揚(yáng)程,市政供水與低位水池(箱)并聯(lián)供水,降低低位水池(箱)二次污染風(fēng)險(xiǎn),該技術(shù)已在工程實(shí)踐中使用,節(jié)能效果約20%。

4.3 水力停留時(shí)間

根據(jù)朱玉蘭等[3]試驗(yàn)表明,當(dāng)水體中的微生物生長指數(shù)GI＜0 時(shí),微生物可被余氯滅活;當(dāng)水體中的微生物生長指數(shù)GI＞0 時(shí),微生物有繁殖趨勢,水箱出水存在微生物超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。 許擁軍[4]研究表明,按照完全推流式水箱進(jìn)水余氯濃度最不利工況0.05 mg/L 的情況下,通過研究在一定的衰減系數(shù)下,余氯不斷衰減,GI先降低后不斷上升,水力停留時(shí)間臨近7.2 h,水體中的微生物生長指數(shù)GI接近于0,水質(zhì)開始存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

依據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》3.8.3 章節(jié):“生活用水低位貯水池的有效容積,當(dāng)資料不足時(shí),宜按建筑物最高日用水量的20%～25%確定?！痹谑姓芫W(wǎng)無法正常補(bǔ)水的情況下,為保障貯水池水量充足,按照最高日用水量的25%確定有效容積,平均水力停留時(shí)間為6 h,既符合國標(biāo)參數(shù)要求,又可確保停留時(shí)間內(nèi)微生物生長指數(shù)GI＜0,保障水質(zhì)安全。

同時(shí),為加快自來水在水箱(池) 中的流動(dòng)性[5],大幅度減少死水區(qū),確保水箱各處水體都可在6 h 內(nèi)得以換活,應(yīng)優(yōu)化水箱(池)內(nèi)部結(jié)構(gòu),首選進(jìn)水口與出水口成對角布局,提高水力效率,避免短流或回流出現(xiàn),設(shè)置導(dǎo)流板,導(dǎo)流板長度應(yīng)大于水池長度的3/4,根據(jù)需要適時(shí)增加導(dǎo)流板數(shù)量。

4.4 水池內(nèi)部材質(zhì)問題

結(jié)合相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[6],選取混凝土、涂料、食品級瓷磚、不銹鋼作為水池內(nèi)部材質(zhì),同樣進(jìn)水水溫、余氯、pH 環(huán)境下,余氯衰減系數(shù)及pH 變化由大到小依次為:混凝土＞涂料＞食品級瓷磚＞不銹鋼;混凝土及涂料在水體中釋放耗氯性物質(zhì),加速余氯衰減。 在使用加氯消毒的自來水中,消毒劑有效成分是HOCl,pH 升高會使得HOCl 的比例下降,造成壁面附近的消毒能力下降[7]。

在其它條件相同的情況下,從控制微生物角度考慮,混凝土最差,不銹鋼最為理想,若不銹鋼貼片與混凝土池壁無法嚴(yán)絲合縫,則效果不佳。 涂料為高分子材料,長期在飽和水體浸泡有脫落、水解風(fēng)險(xiǎn),在溫差變化、干濕交替時(shí)出現(xiàn)的熱脹冷縮現(xiàn)象,由此會產(chǎn)生漆膜開裂導(dǎo)致防護(hù)層缺陷。 符合GB 4806.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)陶瓷制品》食品級瓷磚為混凝土水池內(nèi)部貼片材料,是較為合適的選擇,水池內(nèi)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)滿足《深圳市生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》(2018 年版)規(guī)定的限值要求,安全衛(wèi)生、感官愉悅、品質(zhì)優(yōu)良,可直接飲用的自來水。

根據(jù)深圳供水企業(yè)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),對二次供水監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。 二次供水設(shè)施改造后對濁度、游離氯、鐵離子有較大改善效果,水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率提升4.49%。

4.5 多重降噪,提高聲環(huán)境質(zhì)量

首先,水泵隔振:根據(jù)水泵功率大小,在水泵機(jī)組與基礎(chǔ)之間安裝JSD 型橡膠減震墊或ZD 型阻尼彈簧復(fù)合減震器。 其次,管道隔振:跟水泵連接管道的所有支、吊架用彈性連接代替剛性連接,水泵的進(jìn)出水口、穿墻處采用可曲撓單球或雙球合成橡膠接頭。 再次,物理吸音:借助珍珠巖或巖棉吸音材料,當(dāng)聲波進(jìn)入吸聲材料孔隙后,立即引起孔隙中的空氣和材料的細(xì)小纖維振動(dòng),由于磨擦和粘滯阻力,聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮鼙晃『秃纳⒌簟?最后,消音止回:水泵出水管道安裝靜音式止回閥,除防止水體倒流,也可消除停機(jī)等突發(fā)事故下液體流速的急劇變化,引發(fā)水錘現(xiàn)象,導(dǎo)致管道和設(shè)備振動(dòng)。

4.6 大數(shù)據(jù)時(shí)代,智慧化集成平臺

建立二次供水信息管理系統(tǒng),利用通信網(wǎng)絡(luò)集成泵房自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制系統(tǒng)、安防視頻系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)等,通過電腦端及移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)以及系統(tǒng)管理的自動(dòng)化、信息化,通過數(shù)據(jù)建模分析優(yōu)化運(yùn)行管理流程。 深圳市鹽田區(qū)2018 年率先啟動(dòng)居民小區(qū)二次供水設(shè)施提標(biāo)改造工作,實(shí)現(xiàn)智能供水、智能識別、人機(jī)互動(dòng)、能耗管理等一系列系統(tǒng)進(jìn)行有效集成,作為全國首個(gè)自來水直飲示范區(qū),改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示,減少人力成本的投入約80%,規(guī)避水質(zhì)污染的風(fēng)險(xiǎn)95%以上,降低漏水率達(dá)到90%,延長二次加壓設(shè)備使用壽命1.5 倍,“智慧水務(wù)+大數(shù)據(jù)”系統(tǒng)集成多維度管理,將供水運(yùn)維數(shù)據(jù)化、可視化、智慧化,實(shí)現(xiàn)少人或者無人值守管理模式。

5 結(jié)論與建議

通過對二次供水設(shè)施改造工程現(xiàn)狀分析,了解到本工程存在的問題以及改造的必要性,梳理需要改造內(nèi)容,從中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意的重難點(diǎn),主要涉及到兩項(xiàng)工程銜接、設(shè)備合理選型、混凝土水池內(nèi)壁貼片材質(zhì)選擇、水力停留時(shí)間設(shè)計(jì),噪音污染控制、智慧化泵房建設(shè);確保泵房內(nèi)外供水系統(tǒng)流暢,設(shè)備高效節(jié)能運(yùn)行,水質(zhì)安全得以保障,運(yùn)維狀態(tài)無擾民,同時(shí)基于二次供水信息管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“智慧水務(wù)+大數(shù)據(jù)”集成化、智能化,實(shí)現(xiàn)少人或者無人值守管理模式,提高管理效率。

上述技術(shù)措施討論,是基于深圳二次供水設(shè)施改造工程實(shí)施過程中積累的部分經(jīng)驗(yàn),可為后續(xù)的同類工程的實(shí)施提供一定的參考,同時(shí)部分技術(shù)措施也需結(jié)合實(shí)際水泵運(yùn)行進(jìn)一步商榷與研究,以便于更好的提供科學(xué)的依據(jù),更廣泛的推廣應(yīng)用。