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给水排水原水互连互通,超大型城市饮用水多水源连通方案

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导读 以解决当前长江陈行和青草沙区域水源地原水系统存在的主要问题为出发点,结合上海市水源地原水系统长远期需求,提出上海市原水互连互通方案,为提高整个上海城市水源地原水系统安全保障能力,发挥技术引领和基本保障功能。研究建立了全市原水系统水力耦合模型,基于模型对上海市多水源现状及连通需求进行分析,并提出近、中、远相结合的原水连通方案。对全市多水源现状及连通需求分析发现,陈行原水系统总体供水能力不能满足区域水厂规模和实际水量需求;新环境下长江口咸潮仍是威胁陈行水库和青草沙水库取水安全保障的重要因素。通过研究推出方案为长江陈行水库区域多水源连通方案推荐与宝钢水库连通;长江青草沙与陈行水库连通方案推荐库管连通;黄浦江上游与长江原水互联互通系统工程方案推荐“中置线”方案。

导读

以解决当前长江陈行和青草沙区域水源地原水系统存在的主要问题为出发点,结合上海市水源地原水系统长远期需求,提出上海市原水互连互通方案,为提高整个上海城市水源地原水系统安全保障能力,发挥技术引领和基本保障功能。研究建立了全市原水系统水力耦合模型,基于模型对上海市多水源现状及连通需求进行分析,并提出近、中、远相结合的原水连通方案。对全市多水源现状及连通需求分析发现,陈行原水系统总体供水能力不能满足区域水厂规模和实际水量需求;新环境下长江口咸潮仍是威胁陈行水库和青草沙水库取水安全保障的重要因素。通过研究推出方案为长江陈行水库区域多水源连通方案推荐与宝钢水库连通;长江青草沙与陈行水库连通方案推荐库管连通;黄浦江上游与长江原水互联互通系统工程方案推荐“中置线”方案。


经过三十多年的规划建设,上海形成了“两江并举、集中取水、水库供水、一网调度”的水源地原水系统格局,城市供水水源及原水系统总供水规模1 335万 m3/d,位列世界前茅。其中,黄浦江上游金泽水库-原水连通管-引水工程系统规模351万 m3/d,青草沙水库原水系统规模731万 m3/d,陈行水库原水系统规模228万 m3/d,东风西沙水库-原水系统规模25万m3/d。上海城市供水水源及原水系统现状面临的主要问题:一是城市水源地易受突发水污染威胁,原水总氮等指标超标;二是长江水源地陈行水库库容偏小,难以抵御咸潮严重入侵影响,输水泵站总体供水能力不能满足水厂规模和实际水量需求;三是金泽水库、青草沙水库存在藻类风险,青草沙原水系统部分管道输水能力下降等问题。市政府批复的《上海市供水规划(2019-2035年)》指出,规划形成全市一张原水连通管网系统,将长江青草沙、陈行和黄浦江上游原水系统互连互通,实现互济互补,满足城市安全、优质、智慧供水需求。因此,开展本次研究是进一步提高上海城市水源及原水系统安全保障,为建设绿色生态、安全韧性的具有世界影响力的社会主义现代化国际大都市提供支撑的需要。


Part 1

原水系统输水能力及现存主要问题分析

1.1 原水系统输水能力分析

上海城市原水输水系统情况复杂,不仅有压力流,还有重力流,不仅有圆形输水管,还有矩形断面输水渠道,材质上不仅有钢管,还有钢筋混凝土。考虑到英国Wallingford ICM水力模型软件可以真实地模拟矩形管、明渠、自重力流等传统供水模型,难以模拟的“疑难杂症”,本研究在Infoworks WS Pro供水水力模型软件基础上,选用Infoworks ICM水力模型软件在上海城市原水系统水力模型中进行原水系统输水能力的分析。


1.1.1 管道输水能力分析

管道输水能力主要是考察其管道内壁粗糙系数,一般而言在相同管径条件下,粗糙系数越小,管道输水能力越强。通过高峰日和低峰日两个模型对上海城市原水系统主干管渠的粗糙系数(采用曼宁系数N值)核算,结果如表1所示。


表1 上海城市原水系统主干管渠曼宁系数N核算


表中数据显示,青草沙原水系统中,过江管、严桥调压池-南市水厂、陆家嘴水厂、杨树浦水厂和居家桥水厂低峰日、高峰日模型工况各管(渠)道粗糙系数达到0.020左右,高于设计值(0.013)50%;大桥泵站-曹行高峰日模型工况粗糙系数达到0.023左右,高于设计值77%,这些输水系统实际能力减弱明显。其余输水管粗糙系数均低于0.013。由此判断青草沙原水系统大部分输水管供水能力基本处于合理范围之内。


陈行原水系统各主干输水管系统中,陈行水库-月浦水厂管道高峰日、低峰日模型工况时粗糙系数为0.026和0.023,陈行水库-霜竹路压力监测点(DN1 200与其复线)高峰日、低峰日模型工况时粗糙系数在0.054~0.074,较设计值偏大,主要原因是调流阀门控制导致。其余管道粗糙系数在0.011~0.013,与设计值0.013接近,由此判断陈行原水系统主干输水管供水能力基本处于合理范围之内。


黄浦江上游连通管粗糙系数在0.011~0.013,与设计值0.013接近,由此判断黄浦江上游连通管供水能力处于基本合理范围之内。


1.1.2 泵站能力分析

本次研究对原水系统中各主要泵站供水能力进行分析,各泵站主要情况如表2所示。


表2 上海城市原水系统泵站情况


(1)青草沙原水系统泵站。主要分析五号沟泵站。该泵站设计供水能力708万m3/d左右,分为凌桥、严桥和金海3个供水方向。其中,严桥方向规模440万m3/d,实际最高日水量为364万m3/d,供水能力有富余。金海方向规模208万m3/d,实际最高日水量为124万m3/d,供水能力有富余。凌桥方向规模60万m3/d,实际最高日水量为62万m3/d,供水能力不足。


(2)陈行原水系统泵站。主要分析第一和第二输水泵站。2座泵站设计供水能力228万m3/d,供水分为嘉定、月浦、罗泾和泰和4个方向,现状受水水厂总规模300万m3/d,实际最高日水量为241万m3/d,总体供水能力不能满足水厂规模和实际水量需求。进一步分析,陈行第一泵站设计供水能力为62万m3/d,供嘉定方向,嘉定实际水量58万m3/d,因此,第一泵站能满足需求。第二输水泵站设计供水能力为166万m3/d,其范围内的受水厂(不含凌桥水厂)现状规模198万m3/d,大于第二输水泵站能力。为缓解供水压力,将闸北水厂作为陈行水库原水系统和青草沙水库原水系统联合供水方式。常规情况下,闸北水厂两大原水供水比例为5∶5,但陈行第二输水泵站供水规模166万m3/d仍小于第二输水泵站范围内的受水厂规模184万m3/d。由于在实际运行过程中,高峰时段并非所有水厂都满负荷运行,从2017年来最高日水量分析,第二输水泵站范围内的受水厂(不含凌桥水厂)最高日水量为146万m3/d,因此,陈行原水系统才能满足供水需求。


(3)黄浦江上游原水系统泵站。主要分析金泽输水泵站。该泵站设计供水能力351万m3/d,现状受水水厂总规模301万m3/d,实际最高日水量为220万m3/d,总体供水能力能满足水厂规模和实际水量需求。


1.2 现存主要问题分析

(1)青草沙原水系统中,过江管、严桥调压池至南市水厂、陆家嘴水厂、杨树浦水厂和居家桥水厂的管(渠)道输水能力相比设计能力下降。


(2)陈行输水泵站总体供水能力不能满足供水范围内水厂规模和实际水量需求。


(3)原水系统之间互联互通能力较为欠缺,难以实现大流量互济互补。


Part 2

原水系统连通需求分析

2.1 水源地格局

《上海市供水规划(2019-2035年)》明确了“两江四库”的水源地格局,水源地规划供水规模不小于1 600万m3/d。其中,黄浦江上游水源地金泽水库主要向等区域供水,供水规模按照500万m3/d控制。长江水源地青草沙、陈行和东风西沙3座水库,主要向主城区、浦东新区南片、嘉定、宝山和崇明三岛等区域供水,规划供水规模不低于1 100万m3/d。各水源地及原水系统设施能力按照“多源联动、一网调度”的需求适当留有余量。规划全市水源地全部达到国家集中式生活饮用水水源地标准。


2.2 原水水量需求

(1)黄浦江上游。黄浦江上游区域原水规划服务人口950万人,为满足用水需求,在金泽水库现状351万m3/d现状供水规模的基础上,规划规模达到500万m3/d。同时保留松浦原水厂备用取水口,黄浦江上游原水连通管两端同时具备规模为500万m3/d取水能力。


(2)长江。长江区域原水服务人口2 050万人,为满足用水需求,在青草沙水库731万m3/d和陈行水库228万m3/d现状供水规模的基础上,形成原水东线和原水西线。其中原水东线为现状青草沙原水系统,原水西线由规划青草沙-陈行原水连通工程与现状陈行原水系统组成。


青草沙-陈行原水东线向长兴横沙、主城片区和浦东新区南片水厂供水,主要满足长兴、闸北、凌桥、杨树浦、居家桥、南市、城镇、临江、长桥、徐泾、惠南、航头、南汇南、南汇北水厂等原水需求。规划供水规模为723万~738万m3/d,咸潮期供水水量为578.4万~590.4万m3/d。


青草沙-陈行原水西线负责向中心城区北部水厂和嘉定区水厂供水。规划总规模为478万~483万m3/d,咸潮期供水量为278.4万~282.4万m3/d。


2.3 风险因素

上海市供水水源全部在开放式、流动性、多功能河道附近,为抵御突发外源污染,建设水库。但流域上游工业污染、农业面源污染以及流动源污染,仍有风险需要防范。原水系统主要包括输水管和泵站两部分设施,由于上海市原水输水规模较大,泵站规模和原水主干管管径也相对较大。泵站如受到电网波动及设备故障跳车事件,就会造成停止供水,此外还存在管道爆管或定期检修等工况,也会影响管道过流能力,导致下游受水水厂的原水进水量不能保障。近年来,上海市水源地及原水系统屡屡遭受突发性水污染或因种种突发原因导致的非正常供水事件。


Part 3

连通方案研究

3.1 长江陈行水库区域多水源连通方案研究

宝钢水库、太仓浏河水库与陈行水库毗邻,水库连通可明显提高陈行区域原水安全保障能力。陈行陆域水库是原规划长江引水三期工程的二阶段建设工程,也在一定程度上提高陈行区域原水安全保障能力。


陈行-宝钢水库连通具有现状基础。基于宝钢水库功能与现状供水状况,有2套模式4个方案可供选择。模式一是经由现状翻水泵连通,按照现有借水协议翻水,根据两种调度原则形成方案一和方案二,在设计典型年咸潮期可供水量可从41.7万m3/d提高为73万~94.6万m3/d。模式二是在宝钢水库中隔出一小部分库容满足工业用水,其余大部分库容调整为与陈行水库联合供水,根据两种调度原则形成方案三和方案四,可供水量可进一步提高到97万~161万m3/d(含宝钢用水30万m3/d)。


在陈行水库现状取水能力和库容基础上,陆域水库建设方案将设计典型年咸潮期可供水量可由41.7万m3/d提高到103万m3/d。工程方案初步估算约17.4亿元(2005年价格水平)。


太仓浏河水库近期可在咸潮期间利用水库富余库容为陈行提供32万m3/d水量,远期随着浏河水库供水区用水提升,需结合太仓市白茆水库规划建设,利用浏河水库取水口和陈行水库取水口之间咸潮出现时间差,通过应急联动抗咸。工程方案初步估算约9亿元。


陈行水库+宝钢水库+新建陆域水库方案在设计典型年咸潮期可供水量最大为222万m3/d。


综合技术经济等多种因素,长江陈行水库区域多水源连通方案建议采用陈行与宝钢水库连通方案。


3.2 长江青草沙与陈行水库连通方案研究

对陈行和青草沙两座水库可供水量分析,得出结论是:陈行水库库容有限,难以满足区内原水需求;青草沙水库潜力大,通过库库或库管连通工程,可以大大缓解陈行水库现有库容严重不足的问题,提高陈行水库抗咸避污能力。


经研究分析,陈行和青草沙水库库库连通方案(见图1)可实现两座水库直接对接,优势是能直接提高陈行水库蓄咸避咸、蓄清避污的能力,但该方案新建过江隧道最大长度达 14.67 km,目前国内尚无先例,施工技术挑战性相对较大,方案投资和运行费用相对较高。


图1 青草沙与陈行水库库库连通方案


经研究分析,陈行和青草沙水库库管连通方案(见图2)新增青草沙水库向陆域供水新的通道,增强了原水输水系统的安全性和调度灵活性,工程投资和运行费用相较库库方案低,但对陈行水库的直接调节作用较弱。


库库和库管连通两个工程方案各自具有优势,在宏观战略上均予以保留,在实施层面上可以优先考虑库管连通工程方案。


 

图2 青草沙与陈行水库库管连通方案


3.3 长江陈行与黄浦江上游原水连通方案研究

根据上海市城市总体规划和上海市供水规划提出的全市原水互补互济要求,结合城市水源地原水系统现状实际情况,以构建城市原水枢纽型环状网络为基本思路,提出黄浦江上游与长江原水互联互通系统工程两个方案,分别是“中置线”方案和“外线”方案。


“中置线”方案原水连通管考虑以陈行水库和松浦大桥泵站为起讫点,同时利用黄浦江上游引水二期工程渠道进行布设,并增设徐泾水厂原水复线(见图3)。研究推荐路由为潘泾路—S20外环高速—S4沪金高速。工程方案的主体内容为新建DN3 200~3 600管道55.5 km,新建陈行第三输水泵站、泰和、虹桥和颛桥等4座输水泵站,工程投资约40.8亿元。


图3 “中置线”原水连通管


“外线”方案原水连通管考虑以陈行水库和金泽水库为起讫点布设,全部为新建原水工程(见图4)。研究推荐路由为S7沪崇高速—S6沪翔高速—G15沈海高速—G1503绕城高速—G50沪瑜高速。工程方案的主体内容为新建DN1 200~3 200管道109.5 km,新建陈行第三输水泵站、沪翔和沪常等3座输水泵站,工程总投资约50.3亿元。


图4 “外线”原水连通管


通过两个方案在布局合理性、安全保障度、现状设施利用、方案适应性、运行管理和工程量投资费用等方面综合比较,本次研究认为“中置线”方案相对于“外线”方案更优。因此,本次研究推荐采用“中置线”方案。


Part 4

主要结论及建议

4.1 主要结论

(1)通过对宝钢水库、太仓浏河水库和原规划拟建陈行陆域水库的可供水量分析,综合技术经济等多种因素,长江陈行水库区域多水源连通建议采用陈行水库与宝钢水库连通方案。


(2)长江青草沙与陈行水库连通方案有两种,分别是库库和库管连通。鉴于库管连通方案新增青草沙水库向陆域供水新的通道,增强了原水输水系统的安全性和调度灵活性,工程投资和运行费用相较库库方案低,因此,在实施层面上优先考虑库管连通工程方案。但库库连通方案可实现两座水库直接对接,能直接提高陈行水库蓄咸避咸、蓄清避污的能力,因此建议该方案在宏观战略上予以保留。


(3)黄浦江上游与长江原水互联互通系统工程考虑两个方案,分别是“中置线”方案和“外线”方案。通过两个方案在布局合理性、安全保障度、现状设施利用、方案适应性、运行管理和工程量投资费用等方面综合比较,本次研究认为“中置线”方案相对于“外线”方案更优。因此,本次研究建议采用“中置线”方案,即以陈行水库和松浦大桥泵站为起讫点,同时利用黄浦江上游引水二期工程渠道布设原水连通管系统。


4.2 建议

为进一步提高上海城市水源及原水系统安全保障,充分体现 “二江并举、多源互补”的发展理念,本研究充分参考并借鉴相关研究成果,提出以下建议:

(1)水源连通角度。 鉴于技术经济等方面优势,建议有关部门与宝钢和太仓水库行政管理部门继续沟通协调,择机启动宝钢水库、太仓浏河水库与陈行水库连通方案。同时,规划控制青草沙与陈行水库连通工程,尤其是输水管规划管位和中途提升泵站规划用地,适时启动建设。


(2)原水系统角度。 为构建全市原水环状网络系统,建议结合市域西部地区城市规划和虹桥水厂项目,先期实施虹桥和颛桥输水泵站,以及原水西环线工程(泰和水厂至黄浦江上游引水工程渠道)。

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