20180722智慧水务资料包05智慧管网09澳門自來水股份有限公司水力模擬軟件的水質分析

水力模擬軟件的水質分析及管網調度應用－澳門大學橫琴新校區吳玉麟澳門自來水股份有限公司供水營運部摘要：簡單介紹水力模擬軟件的應用，包括構建水力模型需要輸入的運作數據，通過運算得到流量、流速、壓力、水齡、餘氯等，從而指導供水調度管理和水質分析研究。2013年7月開始對澳門大學橫琴新校區供水，新的供水區域帶來新的挑戰，使用水力模擬軟件找出新調度模式，經過試運行後調整調度配合用水模式的改變，從2014年8月開始澳門大學橫琴新校區供水模式續漸穩定。最後分享使用水力模擬軟件的經驗，介紹其優點與局限性。關鍵字：水力模擬軟件、水質、供水調度UsingHydraulicModelingSoftwareinWaterSupplySystemManagementandWaterQualityAnalysis---UniversityofMacauinHengQinNgIokLonTheMacaoWaterSupplyCompanyLimitedOperationsDepartmentAbstract:ThethesisindicatestheimportanceofHydraulicModelingSoftwareinwatersupplysystemmanagementandwaterqualityanalysis.Itexplainswhatweneedtoinputwhenbuildinghydraulicmodel.AnditalsoshowsanapplicationofHydraulicModelingSoftware,thenewcampusofUniversityofMacauinHengQin.Finally,itsharestheexperienceofusingtheModelingSoftware,theadvantagesandlimitations.Keywords:HydraulicModelingSoftware,waterquality,watersupplysystemmanagement1.水力模擬軟件的意義過去根據操作經驗，指導閥門調節、水廠出水等運作，從而達到供水調度及改善水質的目的，但同時難免會有調度效果未如預期或出現意料之外的狀況，對供水穩定產生影響。使用水力模擬軟件（HydraulicModelingSoftware）可以模擬現實管網的情況，利用實際運行數據進行校正，從而可以比較準確地模擬出不同調度方案對供水穩定的影響以及作出多種調度方案的效果比較，提供指導性的參考，故現時已經使用於多項大型工程中，實行供水調度的科學管理。圖1.水力模擬軟件（HydraulicModelingSoftware）介面圖，圖中不同顏色表示全澳管網餘氯分佈3.1水力模擬軟件介紹及應用水力模型的基礎是根據供水的水泵開啟模式、閥門控制模式、管網資料及結構、用水模式等構建而成。所以構建模擬現實情況的水力模型需要輸入以下一些數據包括供水模式、管網資料、用水模式、水力模型運算模式等。供水模式的數據包括水泵特性曲線(PumpCurve)、運行模式等；圖2.水泵特性曲線和運行模式(PumpCurve&Operations)管網資料是從地理信息系統(GIS)中導入的管網座標、高程、管徑等數據，也包括閥門的種類和開關狀態、電動閥門的開啟模式等；圖3.管道和閉門資料(PipeData&ValveData)用水模式包括用水量和用水模式的數據，用水模式有居民用水、商業用水、工業用水、市政用水、個別區域、VIP用戶等分類；圖4.用戶用水模式(DemandPatterns)水力模型中也有多種運算模式，主要使用的模式是水齡模式(Age)，即水在管道中的停留時間和成份模式(Constituent)，同時也需要輸入模擬時間長度。通過運算水力模型可以得到各種對供水調度管理、水質分析研究有用的數據，例如管道的流量、流速、壓力、計算管網中的水齡、模擬在管網中投放物質後的濃度和散播範圍。圖5.水力模型能計算多種數據(ResultsofPipes)圖6.其中一條管道的流量和水齡計算結果(Flow&Age)水力模擬軟件能夠指導管網的設計，幫助我們測試以及對比各種調度方案、模擬工程影響，尋找出最佳的調度方案以配合未來的發展；水力模擬軟件也能用於水質分析研究，模擬在管網中投放污染物的影響範圍、計算管網餘氯等。圖7.其中一條管道的流量和成分(餘氯)計算結果(Flow&Concentration(ResidualChlorine))2.實例：澳門大學橫琴新校區澳門大學橫琴新校區的供水管網系統於2012年6月動工，2013年7月，應澳大校方的要求，對新校區提供有條件的臨時特別供水。新校區的飲用水全賴連接路氹區與橫琴島的河底隧道內兩條分別為1#DN400和2#DN300管道供應，整個管網大致呈環狀圍繞新校區。於臨時特別供水初期，從實時監測系統上發現新校區內的供水是由兩條管道同向供應，共同由澳門方向進入橫琴島，這樣會在新校區管網內出現壓力平衡而導致流量低、流速緩慢甚至停滯，俗稱「水尾」或「死水」的管道不流通情況，嚴重影響供水水質。圖8.澳門大學橫琴新校區臨時特別供水初期供水流向示意圖為了解決以上管網不流通情況，計劃實現新校區管網水流向呈迴轉方向流動，即飲用水從北面1#DN400管道進入新校區，到達新校區後逆時針方向流至南面2#DN300管道回澳門，並進入聯生工業區。我們利用水力模擬軟件，並根據現有的閥門開關、管網佈局、實際用水量等資料，通過模擬調整新校區內以及其周邊的閥門，得出貼近計劃供水狀態的初步運行資料，為續後的現場調節閥門工作提供了指導性的參考。圖9.新調度模式下澳門大學橫琴新校區供水流向示意圖圖10.水力模擬軟件模擬新調度模式3.1測試新調度模式澳門整體供水方向大致由北向南，青州水廠、大水塘水廠1，2，3期均位於澳門半島偏北部地方，離島區除路環外供水主要來自友誼大橋和西灣橋的兩條DN800管，故離島區最南部的聯生工業區是整個離島區的「水尾」。經過橫琴新校區後進入聯生工業區的管網餘氯較低，為防止影響聯生工業區的水質，故將管網的壓力平衡點控制在橫琴2#DN300管道至聯生工業區之間，使整個澳門大學橫琴新校區形成迴轉方式流動。2013年8月31日開始執行調度工作，首先關閉位於橫琴側1#DN400管道與2#DN300管道之間的連通管道，再減低位於石排灣圓形地DN600管上的閥門開度，以減少氹仔50米高位水池對聯生工業區和石排灣區的供水及減低壓力。由此使得1#DN400管道的壓力比2#DN300管道高，實現供水方向由北面1#DN400管道進入新校區，逆時針方向流通新校區後至南面2#DN300管道回澳門，大大加強新校區內流動性。因為澳門大學橫琴新校區未投入使用，直至2014年7月1日才開始正式將澳門大學整體搬入橫琴，2014年8月尾開始入學，而聯生工業區和石排灣區的用水量較低難以接受大量低餘氯供水，所以暫時維持2#DN300管道向澳門方向流量每天400m3，水流方向有小幅度變化。預期隨後日子聯生工業區用水量會跟隨路氹城區多個新賭場的建築及落成後的工業需求而有所上升；另外石排灣公屋於2013年4月開始分階段入伙，但因為其他種種問題導致入伙緩慢，但用水量必將會有所上升。待聯生工業區和石排灣區用水量上升後將能夠通過閥門調度提高橫琴新校區2#DN300管道的流量。圖11.測試新調度模式期間1#DN400和2#DN300管道的流量(m3/day)(流量正數為往橫琴方向，負數為往澳門方向)3.2其他地區的工程及水質問題影響2014年4月17日，因聯生工業區和石排灣區的工程需要，必須完全打開石排灣圓形地DN600閥門來加強對該區的供水能力，令橫琴新校區2#DN300管道水流方向改變，由澳門方向進入橫琴新校區。工程直至2015年5月13日完成，完成後需要還原閥門的開度，因考慮減少閥門的調整次數，雖然聯生工業區和石排灣區用水量未有明顯上升，仍於當日重新調整石排灣圓形地DN600閥門，減低開度並至使橫琴新校區2#DN300管道水流固定往澳門方向，實行由使用水力模擬軟件得出的調度方案。圖12.1/3/2014至1/8/2014橫琴區和聯生石排灣區供水量(m3)圖13.1/3/2014至1/8/20141#DN400和2#DN300管道的流量(m3/day)(流量正數為往橫琴方向，負數為往澳門方向)2014年5月下旬，因調度方案實行後聯生工業區和石排灣區的用水量仍然處於較低水平，聯生工業區部分地區出現低餘氯並且細菌總數超標的問題，所以馬上調整石排灣圓形地DN600閥門，將管網的壓力平衡點控制在橫琴2#DN300管道至聯生工業區之間，以解燃眉之急。3.3新調度模式實際運行2014年7月1日正式開始將澳門大學整體搬入橫琴投入使用，其用水量也有所上升，需要嚴格要求供水水質達到標準，包括餘氯、濁度、細菌總數等參數。同時位於聯生工業區旁邊的石排灣公共房屋漸漸投入使用，使得該區用水量上升並且伴隨壓力降低。2014年8月1日，按照水力模型的結果重新控制石排灣圓形地DN600上的閥門，減低開度使壓力降低，加大橫琴1#DN400管道與2#DN300管道之間的壓力差，使澳門大學橫琴新校區形成流量和流速更高，流動性良好的供水環境。此舉有可能對聯生工業區水質產生影響，所以於調度後在該區持續進行水質監測，必要時於水質黑點進行沖喉放水。自新調度模式實際運行後，橫琴1#DN400管道與2#DN300管道流量漸趨穩定，2#DN300管道向澳門方向流量每天接近2000m3，而水質監測工作仍然同時進行，以防因未來用水量變化而產生的問題。圖14.1/6/2013至27/7/2015橫琴區和聯生石排灣區供水量(m3)圖15.1/6/2013至27/7/20151#DN400和2#DN300管道的流量(m3/day)(流量正數為往橫琴方向，負數為往澳門方向)圖15.1/6/2013至27/7/20151#DN400和2#DN300管道的壓力(atm)3.水力模擬軟件的特點及總結利用水力模擬軟件可以嘗試多種調度模式，測試其可行性與效果，作為研究供水調度的工具發掘出更多可能性。除了可以協助模擬工程影響、供水調度及水質管理等微觀供水指導之外，亦可從宏觀角度出發，對將來新發展區域的管網鋪設以及未來全澳供水佈局提供確實及指導性的參考，持續地為供水管網進行微觀及宏觀的合理調整，對供水水質、完善供水佈局、合理管網舖設等提供重要的參考，大大提高整體供水管網系統的有效營運。水力模擬軟件也存在一定局限性，使用模型可以設定閥門的開度以配合調度工作需要，但實際操作中難以確定閥門開度，只能夠達到近似開度或通過流量等參數變化而反映操作是否正確；供水控制室值班人員能夠通過實時流量、壓力等數據，在短時間內多次調整閥門或控制水泵以達到工作需要，水力模型雖然也可以通過流量、壓力、水位等控制閥門或水泵的開關，也難以模擬值班人員的微調操作；水力模型沒法模擬因管道水流方向改變而引起的濁度上升，所以實際工程中會分階段小心操作閥門，按需要對水力模型中顯示流向改變的管道進行現場濁度監測；水力模型的基本就是按照輸入的用水量及供水調度模式進行運算，供水模式能夠參考過往操作記錄，而用水模式則難以掌握，只能通過少量水錶數據實時傳輸系統推測；模擬未來的狀況需要通過用水量預測的協助，正確的預測對水力模擬結果有很大影響，而根據未來社會發展方向作出準確的用水量預測則是另一門挑戰。作者簡介：吳玉麟，男，現任澳門自來水股份有限公司供水營運部工程師，主要職務：供水營運數據分析、水質調查研究通訊地址：澳門青州大馬路718號，電話：[phone]，Email:[e-mail]