解决城市供水高峰供需矛盾、节约运行成本技术途径探讨
摘要:解决城市用水高峰时用水供需矛盾,节约能源，除提高给水厂的生产能力外,还可以兴建大容量重力水池,充分发挥其调节功能。此种情况主要适用于以地下水为水源的给水系统。另外配合对散落在城市的所有生活水池进水采取流量、水位控制措施,广泛使用调压节流装置均衡管网末端用户用水流量,来达到均衡管网高峰用水量,满足高峰期城市生活用水要求
关键词:节约,造价,城市给水管网,调节,水池
前言
随着城市的快速发展，城镇用水量迅速增加，特别大型工厂、学校用水量较为集中，引起给水管网供需紧张，另外随着能源价格的提高，各水厂的动力费用成本大大增加，主要有以下两方面的原因:首先是城市给水的总供给量小于总需求量,城市给水厂生产能力的提升速度跟不上城市规模的扩张步伐,或者是在用水高峰特别是夏季时出现供需紧张的状况。但因城市给水厂的数量、规模及生产能力是经过多方规划论证确定,留有一定的发展余地并提前实施建设，实际这种情况不多;其次,虽然城市给水的总供给量大于总需求量,但在用水高峰时由于管网设施能力跟不上,都将导致供需紧张,这种情况则较为普遍。
各大城市为了缓解或解决供需矛盾,节约费用。各地通常采取以下几种办法:新建及扩建给水厂,提高生产能力;扩展及改造城市给水管网,提高输水能力和调节能力,以及减少管网漏失水量;提高水厂设备效率，限制企业使用高耗水耗能生产设备,提倡使用节水节能生产设备;在广大住户中推广使用节水型卫生给水设备;提高用水付费标准,实行阶梯水费，采取经济手段间接限制用水量;宣传节约用水,增强节约用水观念等。无疑,采取上述办法是可行的、有效的。理论上说,通过加大水厂与管网的供水能力是可以解决供需矛盾的。除采取上述办法外,本文从给水专业的角度出发,力图通过一些简单易行的技术措施,达到缓解与改善城市给水管网供需矛盾、提高城市给水管网调节能力经济运行节能的目的。
1现状与问题
城市给水厂的建设规模以其最高日用水量作为设计依据,事实上总供水能力明显超过最高日用水量的城市不在少数,但不仅感到用水紧张,而且随着电费的涨价，运行动力费用支出明显增多，仅靠提高水价不能达到效益最大化。究其根本原因是给水厂的供水能力与管网的输水及调节能力不足的综合体现,仅仅依靠给水设备本身具备的功能是难以完全解决的。而提高城市给水管网自身的调节能力是解决当前城市用水供需矛盾、节约运行成本的最经济办法。
很多城市给水管网中遍布规模大小不一的二次增压设施,这些设施包括容量少则数十多则数百立方米的储水池,其容量大部分(约2/3)为消防储备用水,小部分为生活调节储备用水。以烟台市莱山区为例,目前全区自来水用水量6万m3/d,最高日用水量约为8万m3,其中生活用水占75%,工业用水25%,此区域大学、居民比较集中，白天用水高峰时，自来水公司水厂需开足生产能力全速运转,其他时间则需要降低生产能力;另外根据电业部门有关文件,工业用电实行峰平谷阶梯电价，白天用水高峰正处在峰值电价，电价最高，夜间23：00~次日5：00用水处于低谷，而此时电价也处于谷值。此部分差价电费（即动力费用节约）没有被利用，经济效益没有被利用。(城区内(指单位及小区)储水池总容量约3万m3(其中消防储备约2万m3为平时不可动用,其余1万m3为生活调节容量),1万m3即为城市给水管网中的总调节容量。这部分分散在各城区和建筑物内储水池的调节容量基本处于闲置状态，另外供水公司自身建设的给水调节构筑物容量也很大。可见,城市给水管网系统内存在着巨大的调节潜力。一般来说,目前储水池进水基本是随用随补,其调节容量尚未被利用,调节容积仅仅作为事故时段内的生活储备,是一种很大的浪费。这种随用随补的进水方式,既不能使水池的进水错开城市用水的高峰时段以降低高峰用水时对城市供水的压力,也不能充分利用水池的调节容积,是一种落后的进水方式。一方面是城市给水管网的调节能力不足,并没有合理调节功能，没能节约费用。另一方面是大量的储水池调节容量处于闲置未利用状态,理论上不能说管网的现状是合理的。以烟台市莱山区为例,若能充分利用管网中的生活用水调节容量,年节约动力费用120万元。
2提高城市给水管网调节能力
从以上的讨论可知,解决高峰用水时的供需矛盾除了加大水厂与管网的供水能力外,一方面在于充分利用管网内的调节水池容积以满足高峰用水时的需要;另一方面需要改善随用随补的进水方式以使得管网内调节水池的进水与高峰用水时段错开,不发生水池与用户“抢水”的现象。为了达到以上目的,提出以下几项技术措施。
2.1供水公司可根据详细调查资料和合理预测城市管网设施中的调节水量，兴建大容量高位水池构筑物，主要靠重力供水，根据谷值电价时段及以下论述合理推算水池最经济容量。这种供水模式大大节约费用，调节用水量大，给水系统压力较稳定。
举简单例子说明：莱山区日用水流量3万m3/d,供水公司水源地水质较好，采用地下水源，井群遥控一级泵站取水送至水厂附近2KM山顶兴建的水池。根据谷值蓄水量等经计算水池容量1.5万立方米。经电业局的批准，水厂实行峰、谷、平时电价，峰时电价0.8421元/度、谷时电价0.2526元/度、平时电价0.5614元/度。水厂共有提水井（泵）20眼（台），单泵提水量80吨/时，潜水电泵型号250QJ80-120-45KW，水厂小时最大供水量1600吨。降耗节支核算：
a完全利用谷值时段提水，电费支出核算：
（1）每度电提水量：1.78吨，每吨水耗电：0.563度。
（2）每方水电价0.142元/吨（谷值电价0.2526元/度）。
b、完全利用平值时段提水，电费支出核算：
（1）每度电提水：1.78吨/度，每吨水电耗：0.563度。
（2）每单方电价：0.316元/吨（平值电价：0.5614元/度）。
单方水节约值：∆=0.316元/吨-0.142元/吨=0.174元/吨
c、完全利用峰值时段提水，电费支出核算：
（1）每度电提水：1.78吨/度，每吨水电耗：0.563度。
（2）每单方电价：0.474元/吨（平值电价：0.8421元/度）。
单方水节约值：∆=0.474元/吨-0.142元/吨=0.332元/吨。
d、若按谷值时段最大供水能力估算节约值：
（1）、谷值较平值时提水节约：Q*∆=1600吨/h*8h*0.174元/吨=2227.2元。
即水厂谷值时段提水比平值时段提水日节电费2227元，年节电费：365日*2227元=81.3万元。
（2）、谷值较峰值时提水节约：Q*∆=1600吨/h*8h*0.332元/吨=4250元。
即水厂谷值时段提水比平值时段提水日节电费4250元，年节电费：365日*4250元=155.1万元。
(3)、谷值比峰值节约率：55.06%;谷值比峰值节约率：70.04%.
供水公司建设水池虽然一次性投资较大，但经济效益巨大，根据经验在3~5年内即收回建设成本。因此，节约效益巨大。
2.2城区储水池的进水管上设置流量控制装置为避免储水池进水流量过大造成“抢水”,流量控制装置应能够在一定的时间内基本做到平均进水,在时间上分段控制进水流量,以避开用水高峰时段,利于城市给水管网的均衡供水,起到调节用水高峰的作用。其关键是确定储水池的平均进水流量。
事实上,目前较难准确控制储水池平均进水流量,或者说采取的技术措施在经济上不合算、可靠性不尽人意。
笔者认为,没有必要准确控制储水池平均进水流量而采取造价高、结构复杂及维护不便的技术及设备,只要能够将进水流量控制在预定的范围内并保持大体稳定,就可以满足要求。
2.3、城区储水池的进水控制采用大落差水位自动控制装置。目前,低位储水池(水箱)的水位控制装置通常采用浮球阀或液压水位控制阀,浮球阀这种控制方式会较快磨损密封组件导致水位控制装置关闭失灵,造成水量流失。液压水位控制阀并没有从根本上改变上述状况,也不能起到所要求的利用水池调节容积的作用。而采用大落差水位自动控制装置具备以下主要特点是:①改变目前储水池随用随补的进水方式,采用大落差水位进水,即当水池内水位下降到设定的低水位时,才开启装置进行补水,落差水位高度可预先设定,也可根据现场要求设定;②大幅度提高水位自动控制装置的使用寿命;③在城市给水管网用水高峰时段(约2h),能够自动停止储水池从管网进水,以错开用水高峰,并具有强制自动进水功能;④具备水力自动控制功能。
这种大落差水位自动控制装置不但能有效减少进水开关动作次数,显著提高水位自动控制装置的使用寿命,而且具备调节进水功能,为充分利用储水池(水箱)的可调节容积提供了必要条件。而且,采用大落差水位自动控制装置更加有利于水池进水有序替换,间接提高用水卫生品质。
2.4大力推广带调压节流装置的卫生用水设备设计规范规定,给水系统对于办公水压超过0.45MPa、住宅水压超过0.35MPa时均应进行垂直分区。一般来说,卫生用水设备的最佳工作水压在0.15MPa左右。过低的水压可能不能正常使用或者舒适性不够,过高的水压容易损坏卫生用水设备,也会造成大量水的浪费。因此应大力推广使用结构简单、动作可靠有效、使用寿命长、价格低廉、安装方便的节流装置,动态的调压节流,使出水流量不随管网供水压力而变化,达到均衡及节约用水的双重目的。
可以预见,大面积推广使用带节流装置的给水设备,将最大限度降低城市给水管网的高峰用水流量,有效缓解及改善管网用水紧张状况。
3结语
城市给水管网调节能力的充分发挥离不开管网设施的完善与有效的管理,因地制宜，供水公司建设高位水池采用重力供水，响应国家节能低碳要求挖潜节能效益巨大。除此之外,新技术新设备的采用亦不可或缺。新的流量控制装置、大落差水位自动控制装置及调压节流卫生用水设备等的采用对提高管网的调节能力、缓解高峰时段城市给水管网的供需矛盾不仅意义重大,在经济上也是可行的。
参考文献：
[1]陈耀宗，姜云源，胡鹤钧，等.建筑给水排水设计手册[M]；.北京：中国建筑工业出版社。1992.
