南陽(yáng)市桐柏縣安棚鎮(zhèn)飲水解困工程設(shè)計(jì)

劉 偉，韓 罡，陳梅枝

(河南省桐柏縣水利局，河南 桐柏 474750）

0 引言

為貫徹落實(shí)黨的“統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)”的總體要求，保障農(nóng)村飲水安全，中共桐柏縣委、桐柏縣人民政府決定利用國(guó)債資金建設(shè)集中供水工程，以改善農(nóng)村飲水困難狀況。 安棚鎮(zhèn)位于桐柏縣城西北35 km，唐河縣、桐柏縣、泌縣3 縣結(jié)合部，地形自東向西，由低山、丘陵過(guò)渡為平地，自然面積95.3 km2，耕地面積0.35 萬(wàn)hm2。 全鎮(zhèn)有16 個(gè)行政村、175 個(gè)村民小組，人口3.1 萬(wàn)，主要?jiǎng)趧?dòng)力23 640 人，其中14 個(gè)行政村屬于苦咸水區(qū)。 2010 年建造的一座大型水廠， 主要解決尹莊村、泰山廟、胡崗村、嶺東村4 個(gè)村6 764 人、大牲畜1 358 頭、小牲畜3 640 頭及區(qū)域內(nèi)學(xué)校師生員工的飲用水安全問(wèn)題。 集中供水工程采用機(jī)井為供水水源，配套安裝潛水電泵、變頻控制設(shè)備、增壓穩(wěn)壓設(shè)備、消毒設(shè)備、水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備，利用輸水管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自來(lái)水入戶。

1 用水量與供水規(guī)模

1.1 設(shè)計(jì)人口、牲畜數(shù)量

人口、牲畜有一定的自然增長(zhǎng)率，用水量也會(huì)逐年增加。 為了正確地反映客觀規(guī)律，人口、牲畜按15 年后規(guī)劃數(shù)計(jì)算，人口自然增長(zhǎng)率為7‰，牲畜自然增長(zhǎng)率為12‰。 依此計(jì)算供水量和管網(wǎng)流量，則： 設(shè)計(jì)人口P1=9 764×（1+0.007）15=10 841 人；設(shè)計(jì)大牲畜數(shù)P2=1 358×（1+0.012）15=1 624 頭； 設(shè)計(jì)小牲畜數(shù)P3=3 640×（1+0.012）15=4 353 頭。

1.2 給水量計(jì)算

（1）居民生活用水量。 最高日居民生活用水定額按照《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》選取，q1=50L/（人·d）。據(jù)此，居民生活日用水量Q1=10841×50=542.05×103L。

（2）飼養(yǎng)畜禽用水量。 供水工程主要以保障人畜飲用水安全為主。 根據(jù)用水標(biāo)準(zhǔn)，大小牲畜的用水定額分別為：q2=40 L/（頭·d），q3=20 L/（頭·d）[1]。則飼養(yǎng)大小牲畜日用水量分別為：Q2=1624×40=64.96×103L，Q3=4353×20=87.06×103L。

（3）給水量計(jì)算。 本工程采用全日制供水，每日取水時(shí)間Tp=6 h，變化系數(shù)Kh取2.5。 經(jīng)計(jì)算，最高日設(shè)計(jì)給水量Qd=1.2×（Q1+Q2+Q3）=832.96 m3；最高日平均時(shí)給水量Qcp=Qd/T=832.96/24=34.7 m3； 最高日最高時(shí)給水量Qmax=2.5×Qcp=2.5×34.7=86.76 m3；水源給水泵給水量Qp=Qd/Tp=832.96/6=138.82 m3；配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量Qt=Qmax=86.76 m3。

2 配水管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)

配水管網(wǎng)采用樹(shù)枝狀管網(wǎng)布置。 按照供水區(qū)域的分布情況，兼顧維修安裝方便，管線走向盡量沿橋、公路、溝渠、機(jī)耕路等布置，以最短的管線提供最大供水范圍[2]。 在進(jìn)入各村的干管進(jìn)口處，均設(shè)置一座閘閥、水表井。 供水到每一用戶，并各設(shè)置一個(gè)水表，便于計(jì)量。

2.1 管段設(shè)計(jì)流量計(jì)算

樹(shù)枝狀管網(wǎng)的管段設(shè)計(jì)流量，可按其沿線出流量的50%加上下游各管段沿線出流量計(jì)算。 管網(wǎng)中所有管段的沿線出流量之和應(yīng)等于最高日最高時(shí)用水量。 各管段的沿線出流量，可根據(jù)人均用水當(dāng)量和各管段用水人口、用水大戶的配水流量計(jì)算確定。 即

式中：qL為管段的沿線出流量，L/h；R 為管段的用水人口，人；Q 為用水大戶的配水流量，L/h；q 為人均用水當(dāng)量，L/（h·人）。

人均用水當(dāng)量的計(jì)算式為

q=1000（W-W1）·Kh/(24P)

式中：W 為村或鎮(zhèn)最高日用水量，m3/d；W1用水大戶的用水量之和，m3/d；Kh為時(shí)變化系數(shù)；P 為村或鎮(zhèn)設(shè)計(jì)用水人口，人。

2.2 配水干管計(jì)算

（1）根據(jù)地形，選擇控制點(diǎn)，要求控制點(diǎn)的服務(wù)水頭為8 m。

（2）確定干管線路，進(jìn)行配水干管水力計(jì)算。 干管水力計(jì)算包括管道設(shè)計(jì)內(nèi)徑和水頭損失。 管道的設(shè)計(jì)內(nèi)徑可按下式確定。

式中：D 為干管內(nèi)徑，m；Q 為干管管段設(shè)計(jì)流量，m3/s；V 為干管的經(jīng)濟(jì)流速，0.6～1.2 m/s。

根據(jù)管段流量選定管徑后，各管段的水頭損失可按《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》SL310-2004 規(guī)定計(jì)算。 其中，沿程水頭損失計(jì)算式為

式中：i 為單位管長(zhǎng)水頭損失，根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》SL310-2004，對(duì)于UPVC、PE 等硬塑料管[3]，i=0.000915Q1.774/D4.774；L 為計(jì)算管段的長(zhǎng)度，m。

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)算，總水頭損失H=1.1h1。

（3）計(jì)算配水干管各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)水頭。 控制點(diǎn)水壓標(biāo)高等于控制點(diǎn)地面標(biāo)高加控制點(diǎn)服務(wù)水頭，干管各節(jié)點(diǎn)服務(wù)水頭等于該節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高減該節(jié)點(diǎn)地面標(biāo)高。 節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高從控制點(diǎn)逆水流方向倒著推算。 上一節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高等于下一節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高加上兩節(jié)點(diǎn)之間管段的水頭損失。 干管各節(jié)點(diǎn)服務(wù)水頭均應(yīng)大于控制點(diǎn)的服務(wù)水頭。

2.3 配水支管計(jì)算

通過(guò)干管的計(jì)算，支管起點(diǎn)的水壓標(biāo)高均為已知數(shù)，支管終點(diǎn)的水壓標(biāo)高為該點(diǎn)地面標(biāo)高加該點(diǎn)最小服務(wù)水頭。由此可求出支管的平均水力坡度。于是，根據(jù)i=0.000915Q1.774/d4.774，可以確定支管的管徑為

d=（0.000915Q1.774/i）1/4.774

2.4 入戶管道

入戶管道均采用Φ20mm 的PE 管。

3 供水設(shè)施設(shè)計(jì)

3.1 水泵選型

水泵揚(yáng)程H＝1.1×（H自+H動(dòng)+H輸損+h揚(yáng)損）

式中：H自為節(jié)點(diǎn)自由水頭，20.69 m；H動(dòng)為動(dòng)水位埋深，112 m；h輸損為輸水管水頭損失，2.06 m；h揚(yáng)損為局部水頭損失，按30%h輸損計(jì)，0.62m。

H＝1.1×（20.69+112+2.06+0.62）＝148.91m。

水泵流量Q＝40 m3/h，管道內(nèi)徑D=100 mm。 根據(jù)單井出水量及居民最高日最高時(shí)用水量以及水泵廠家的產(chǎn)品性能等綜合考慮，確定選擇水泵出水量為40 m3/h，揚(yáng)程為169 m，電機(jī)功率30 kW，水泵型號(hào)為200QJ40-169/13。

3.2 氣壓罐選型

安棚鎮(zhèn)飲水安全工程計(jì)劃采用無(wú)塔供水壓力罐作為調(diào)蓄設(shè)備，對(duì)壓力罐的最低工作壓力和調(diào)節(jié)容積，應(yīng)分別計(jì)算確定。

3.2.1 壓力罐最低工作壓力的計(jì)算

壓力罐最低工作壓力應(yīng)滿足配水管網(wǎng)最不利用戶接管點(diǎn)和消火栓設(shè)置處的最小服務(wù)水頭要求。其計(jì)算式為

壓力罐通過(guò)電接點(diǎn)壓力表和自動(dòng)控制柜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 為切實(shí)保證供水壓力，可適當(dāng)提高壓力罐的最低工作壓力。 在安裝調(diào)試時(shí)，可將壓力罐的電接點(diǎn)壓力表壓力下限值設(shè)定為0.20 MPa。

3.2.2 壓力罐的容積計(jì)算

（1）壓力罐內(nèi)水的調(diào)節(jié)容積。 壓力罐內(nèi)水的調(diào)節(jié)容積可按下式計(jì)算：

式中：Vx為壓力罐內(nèi)水的調(diào)節(jié)容積，m3；β 為容積附加系數(shù)，取1.25；C 為安全系數(shù)，1.0～1.3；qb為罐內(nèi)為平均壓力時(shí)水泵的出水量，應(yīng)等于或略大于最高日最高時(shí)用水量的1.2 倍，m3/h；nmax為水泵在1 h內(nèi)的最多啟動(dòng)次數(shù)，取9 次。

所以，Vx=0.25×1.25×1.3×105/9=4.74 m3。

（2）壓力罐的總?cè)莘e。 壓力罐的總?cè)莘e可按下式計(jì)算：

式中：ab為氣壓罐內(nèi)最小工作壓力與最大工作壓力比，宜采用0.65～0.85。

所以，V=4.74/（1-0.65）=13.54m3

考慮到適當(dāng)加大壓力罐的容積，能夠有效降低每小時(shí)水泵的啟停次數(shù)，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，且降低運(yùn)行費(fèi)用，故該工程選用的壓力罐容積為15 m3。

3.3 消毒措施

本工程在對(duì)原水進(jìn)行次氯酸鈉消毒后，直接向用戶供水。 消毒設(shè)備采用WL50—III 型次氯酸鈉發(fā)生器。 該設(shè)備利用電解低濃度鹽水產(chǎn)生次氯酸鈉溶液，將生成的次氯酸鈉溶液加入到清水池，使之與水充分混合，從而達(dá)到消毒的目的。 次氯酸鈉發(fā)生器安置在管理房?jī)?nèi)，通過(guò)加藥軟管末端的注射器控制加藥量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加藥。 經(jīng)過(guò)消毒，出廠水游離性余氯不低于0.3 mg/L，管網(wǎng)末梢水游離性余氯不低于0.05 mg/L，達(dá)到了國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[4]。

3.4 水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)

水質(zhì)檢測(cè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由水質(zhì)信號(hào)采集器、余氯信號(hào)采集器、余氯超標(biāo)報(bào)警器、水質(zhì)日常常規(guī)自檢設(shè)備4 部分組成。

4 主要施工方法和技術(shù)措施

4.1 管道鋪設(shè)土方開(kāi)挖

管道鋪設(shè)土方開(kāi)挖采用機(jī)械與人工相結(jié)合方法，應(yīng)符合下列要求：（1）管道開(kāi)挖尺寸為0.5 m×0.8 m（寬×深），槽壁平整，邊坡坡度符合施工設(shè)計(jì)的規(guī)定。 （2）槽底高程的允許偏差應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 管道鋪設(shè)

（1）管道安裝前，應(yīng)對(duì)管材、管件進(jìn)行外觀檢查，清除管內(nèi)雜物。 （2）管道安裝宜先干管后支管。承插口管材，插口在上游，承口在下游，依次施工。（3）管道中心線應(yīng)平直，管底與槽底結(jié)合良好。 （4）管道連接后，除接頭外，應(yīng)覆土20～30 cm。

4.3 管道鋪設(shè)土方回填

給水管道施工完畢并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，管道鋪設(shè)應(yīng)及時(shí)回填。 回填時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）槽底至管頂以上50 cm 范圍內(nèi)，不得含有機(jī)物、凍土，以及大于50 mm 的磚、石等硬塊。 （2）冬季回填時(shí)，管頂以上50 cm 范圍以外可均勻摻入凍土， 其數(shù)量不得超過(guò)填土體積的15%，且凍塊尺寸不得超過(guò)100 mm。 （3）回填土的含水量宜控制在最佳含水量附近。 （4）對(duì)回填土應(yīng)逐層進(jìn)行壓實(shí)，且不得損傷管道。 回填土每層的壓實(shí)遍數(shù)，應(yīng)按要求的壓實(shí)度、壓實(shí)工具、虛鋪厚度和含水量，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。（5）分段回填壓實(shí)時(shí)，相鄰段的接茬應(yīng)呈階梯形，且不得漏夯。 采用木夯、蛙式夯等壓實(shí)工具時(shí)，應(yīng)夯夯相連。

4.4 閥門(mén)安裝

閥門(mén)必須有質(zhì)量合格證明文件、性能檢測(cè)報(bào)告和完整的安裝使用說(shuō)明書(shū)。 閥門(mén)安裝前，應(yīng)作強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗(yàn)。 試驗(yàn)應(yīng)在每批（同牌號(hào)、同類型、同規(guī)格）數(shù)量中抽查10%，且不得少于一個(gè)。 對(duì)于安裝在主干管上起切斷作用的閉路閥門(mén)，應(yīng)逐個(gè)進(jìn)行強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗(yàn)。

4.5 水表安裝

水表應(yīng)安裝在便于檢修且不受曝曬、污染和凍結(jié)的地方。 在安裝螺翼式水表時(shí)，表前與閥門(mén)應(yīng)有不小于8 倍水表接口直徑的直線管段，表殼距墻表面凈距為10～30 mm， 水表進(jìn)水口中心標(biāo)高允許偏差±10 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著飲水安全工程的建成和運(yùn)行，該區(qū)域居民由于水質(zhì)引起的發(fā)病程度顯著降低。 該工程在提高農(nóng)民身體健康水平的同時(shí)，也顯著地減輕了農(nóng)民醫(yī)療負(fù)擔(dān)，改善了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)狀況。

[1] 黃長(zhǎng)盾,歐陽(yáng)湘. 村鎮(zhèn)給水實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992：4-5.

[2] GB 50332-2002，給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] SL 310-2004，村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4] GB5749-2005，生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].