沁水縣張峰水庫(kù)引水工程方案比較

上官麗霞

（晉城市水利局水產(chǎn)站 山西晉城 048000）

1 沁水縣用水現(xiàn)狀

沁水縣位于山西省東南部，晉城市西北部，中條山東北，黃河支流沁河中游。沁水縣域現(xiàn)狀供水為區(qū)域供水，縣城范圍內(nèi)供水由自來水公司提供，目前為城市供水的市政給水水源分為截潛流自供水源和機(jī)井提水水源，供水形式為經(jīng)過消毒凈化后直供縣城供水管網(wǎng)，消毒凈化方式為二氧化氯發(fā)生器對(duì)水質(zhì)進(jìn)行消毒凈化。縣城用水均取用淺層水,易被污染，據(jù)近年來觀測(cè)，現(xiàn)有水源水位呈每年嚴(yán)重下降趨勢(shì)，各處淺層水源受污染情況較為普遍，各處地表水源井基本上都減少了一半，且由于為直供水，水中有輕微含沙現(xiàn)象；自備水井多,使用效率低,不利于水資源的利用和保護(hù)；部分給水管道管徑小且陳舊，不能滿足現(xiàn)用水量的需求。對(duì)縣城來說也存在水源和水質(zhì)問題，多用的是淺層水，水質(zhì)易被污染。供水安全性差，常因停電而停水。

鑒于以上背景，為適應(yīng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展和人口不斷增長(zhǎng)的需要，解決沁水縣城和周邊村鎮(zhèn)的用水問題已刻不容緩。

2 供需水量分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：到2020年沁水縣城、周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民生活用水日用水量約為0.75萬m3,年用水量約為280萬m3。根據(jù)沁水縣的發(fā)展規(guī)劃，工業(yè)用水測(cè)算需水總量350萬m3，考慮污水處理后水的回用，不足部分引水補(bǔ)充，測(cè)算工業(yè)用水需補(bǔ)充水量220萬m3。根據(jù)上述測(cè)算結(jié)果，每年需從張峰水庫(kù)調(diào)水500萬m3，按每天抽水16 h計(jì)，從張峰水庫(kù)取水流量為0.237 m3/s，考慮水量損失，設(shè)計(jì)流量取0.25 m3/s。

3 引水線路比較

由于供水工程的特殊性，一般不得間斷供水，管線不宜少于2條，當(dāng)有安全貯水池或其它調(diào)蓄功能措施時(shí),也可建一條輸水管線，由于該工程位于山區(qū)，沿線山高溝深，溝谷狹窄。因此輸水線路方案主要考慮單管輸水線路的比較方案。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦吻闆r，選擇兩種路線方案：一種是在庫(kù)區(qū)取水，采用二級(jí)泵站取水的西線方案；另一種是在張峰水庫(kù)引水渠道孔必取水口取水至縣城蓄水池東線方案。兩方案的布置見圖1。

3.1 西線方案

3.1.1 線路設(shè)計(jì)

西線方案線路從張峰水庫(kù)庫(kù)區(qū)到沁水縣城蓄水池，沿線主要經(jīng)過的村莊有北彎村、料姜莊、張山凹林場(chǎng)、大尖山林場(chǎng)、石橋村、東莊村和柿園莊，輸水干管全長(zhǎng)18.64 km，起點(diǎn)高程750 m，終點(diǎn)高程1050 m，地形揚(yáng)程300 m，實(shí)際最大高差333.8 m。樁號(hào)0-580～2+496輸水干管直徑0.6 m，地面高程從749.40 m提至903.80 m，起點(diǎn)設(shè)一級(jí)提水泵站，末端設(shè)調(diào)節(jié)池；樁號(hào)2+496～6+450輸水干管直徑0.6 m，地面高程從904.20 m提至1 083.80 m，起點(diǎn)設(shè)二級(jí)提水泵站，末端設(shè)調(diào)節(jié)池；樁號(hào)6+450～18+059輸水干管直徑0.6 m，地面高程從1084.20 m提至1 050 m，末端設(shè)3萬m3蓄水池。

圖1 線路比較圖

3.1.2 水頭損失計(jì)算

由于輸水管線揚(yáng)程較大，采用剛性較強(qiáng)的管道有利于管道抗壓、抗磨損。

式中：i—管道單位長(zhǎng)度的水頭損失（水力坡降）；

R—水力半徑，R=D/4，m;

ν—管道流速，m;

n—管道的粗糙系數(shù)；取0.011；

D—管道直徑，m。

不同管徑每千米沿程損失計(jì)算見表1。

表1 每千米水頭損失計(jì)算表

從表1中可看出，管道水力坡降相差8.68倍，因此損失揚(yáng)程相差也大。由于工程輸水管線地形揚(yáng)程較大、干管地形總高差513.3 m，輸水管線長(zhǎng)，因此管道沿程損失應(yīng)選擇損失小的管徑較合理，可降低揚(yáng)程，減少運(yùn)行成本費(fèi)，因此主管線確定管徑為DN600 mm，流速為0.885 m/s。西線管道總水頭損失為23.73 m。

3.2 東線方案

從張峰水庫(kù)引水渠道孔必取水口取水至沁水縣城蓄水池,沿線主要經(jīng)過的村莊有孔必、鄭莊、灣則、馬邑，輸水干管線路全長(zhǎng)23.8 km，起點(diǎn)高程650 m，終點(diǎn)高程1 004 m，地形揚(yáng)程354 m，輸水干管直徑0.6 m，起點(diǎn)設(shè)1級(jí)加壓泵站，在縣城常家灣（20+365）處設(shè)2級(jí)加壓泵站，末端設(shè)3萬m3蓄水池。東線管道總水頭損失31.67m。

3.3 工程方案的確定

（1）西線方案的特點(diǎn)：地形相對(duì)復(fù)雜，管線所經(jīng)地段多為土石山林區(qū)，占用耕地少，因而征地費(fèi)用低，但砍伐樹木較多。該方案沿線所經(jīng)村莊小、人口少，施工對(duì)當(dāng)?shù)馗蓴_小。該方案沿線幾乎沒有什么建筑，在輸水線路上為了降低揚(yáng)程及管線長(zhǎng)度，需打隧洞一處，洞長(zhǎng)5 202 m（樁號(hào)6+500～11+702），增加了施工難度及費(fèi)用；但該線路布置可以解決沁水縣西北地區(qū)包括樊村河鄉(xiāng)在內(nèi)的大部分地區(qū)的吃水問題；從投資上看，西線方案的總投資為8 962.75萬元。

（2）東線方案的特點(diǎn)：此方案的總投資為9 289.84萬元。該方案線路沿線地形相對(duì)較開闊，泵站設(shè)置少，運(yùn)行管理費(fèi)用小，但該方案線路較長(zhǎng),線路沿線所經(jīng)村莊大、人口多，占用耕地多，因而征地費(fèi)用也相應(yīng)的較高；管線需多次跨越國(guó)道，還需穿過灣則水庫(kù)，施工對(duì)當(dāng)?shù)馗蓴_大，施工和協(xié)調(diào)都比較困難；該線路布置僅可以解決沁水縣及周邊村莊用水，要解決西北地區(qū)包括樊村河鄉(xiāng)在內(nèi)的大部分地區(qū)的吃水問題還需重新鋪設(shè)管道；最主要的制約因素是從張峰水庫(kù)渠道取水供水保證率低。

（3）方案確定：通過兩方案的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比較，從沁水縣的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展考慮，認(rèn)為西線方案比較合理，便于施工，不影響工期，因此推薦此方案為工程實(shí)施方案。

4 選定線路提水泵站方案比較

取水泵站位置選在張峰水庫(kù)庫(kù)區(qū)，從目前已建的水庫(kù)取水工程并結(jié)合張峰水庫(kù)的實(shí)際情況來看，提水泵站方案比較了兩種：一種為岸邊固定式泵站取水；另一種為浮船泵站取水。

岸邊固定式泵站修建在岸邊水中，各種設(shè)施均固定設(shè)置，水泵安裝在最低設(shè)計(jì)水位以下，水泵負(fù)吸程運(yùn)行，水泵可自灌引水啟動(dòng)，從而大大提高了取水的可靠性，運(yùn)行管理方便。缺點(diǎn)是建筑面積大，在庫(kù)區(qū)施工難度也大；因泵房較深，水泵間通風(fēng)條件較差；檢修不便，工程造價(jià)高。

浮船泵站具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）既無復(fù)雜的水下工程，也無大量的土石方工程。船體既可在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，也可由造船廠制造。施工簡(jiǎn)便，工期較短。

（2）建筑材料和勞動(dòng)力少，基建費(fèi)用較低。

（3）適應(yīng)性能靈活性大。能隨水位漲落而升降；能適應(yīng)河道主流多變、河床變遷，或其他原因引起的取水點(diǎn)的變更；取水量發(fā)生變化時(shí)設(shè)備容易改裝；能適應(yīng)上馬快、供水要求迫切的工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)用水需要。

（4）便于引表層含沙量較低的水，且一次性投資也較低。浮船泵站取水也存在以下缺點(diǎn)：

（1）管理較麻煩。如隨著水位的漲落需要拆換接頭，移動(dòng)船位，收放纜繩和輸電線路。特別是洪水期間，操作頻繁，勞動(dòng)條件較差。采用搖臂式連絡(luò)管以后，操作管理得到改善，但在洪水期間需隨水位漲落經(jīng)常移動(dòng)錨鏈，仍感不便。

船體及其附屬設(shè)備的維修養(yǎng)護(hù)頻繁。鋼船水上部分每隔2年也需刷油防腐；鋼筋混凝土船雖維修較簡(jiǎn)，但其附屬設(shè)備、上層建筑仍要定期檢修維護(hù)，都給運(yùn)行管理帶來不便。

（2）浮船泵站取水，即將水泵安裝在移動(dòng)泵車或浮船上，受岸邊地形條件的限制，其泵站裝置、進(jìn)出水管路等設(shè)施的設(shè)置難度很大，冬季引水時(shí)受冰凍影響很大，運(yùn)行可靠性較差。

由于本工程的用水戶主要為居民生活用水，供水保證率高，對(duì)取水的可靠性要求也高，結(jié)合庫(kù)區(qū)岸邊地形，設(shè)計(jì)采用岸邊固定式泵站作為本供水工程的取水方案。

5 管材的選擇

根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件，輸水量及現(xiàn)有生產(chǎn)管材的材質(zhì)及工程區(qū)特點(diǎn)，主要選用了鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）及預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）三種管材作為比選管材。

鋼管：作為灰鐵管的升級(jí)換代產(chǎn)品，具有延伸性能良好，不易破碎的優(yōu)點(diǎn)，但也有不可避免的缺點(diǎn)。鋼管的焊接接頭具有良好的防止脫落性，同時(shí)也增加了施工難度，焊接工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力（定心、焊接、X射線檢查、涂漆），并且需要高度熟練的技術(shù)工人；焊接受自然氣象條件影響，雨天不能焊接，尤其是碰上驟雨時(shí)應(yīng)立即中斷焊接，等驟雨停了之后方可進(jìn)行焊接，但必須進(jìn)行加熱和除濕等工作，否則焊接的質(zhì)量很難保證，當(dāng)外界相對(duì)濕度增高，達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，管身就會(huì)生露，必須進(jìn)行干燥；施工費(fèi)用昂貴：按1989年市政工程國(guó)家預(yù)算定額計(jì)算，鋼管的施工費(fèi)用是球鐵管施工費(fèi)的3倍?？紤]管材價(jià)格因素，球鐵管單位長(zhǎng)度工程預(yù)算僅相當(dāng)于鋼管的3/5；無適應(yīng)性：接口處剛性太強(qiáng)，無撓度，不能適應(yīng)地形沉降；鋼管無配套管件，需現(xiàn)場(chǎng)焊接制造，不能進(jìn)行彎曲配管；抗腐蝕性能太差，需要昂貴的防腐費(fèi)用，根據(jù)國(guó)家有關(guān)資料表明，即使采用“三油兩布”防腐后，一般壽命不超過30年。

球墨鑄鐵管：作為灰鐵管、焊鋼管的升級(jí)換代產(chǎn)品，擁有許多灰鐵管和焊鋼管無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：

球墨鑄鐵管具有鐵的本質(zhì)，鋼的性能：延伸率大于10，硬度小于等于230 HB，抗拉強(qiáng)度大于420 MPa，具有與鋼管媲美的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性系數(shù)；防腐性好：球墨鑄鐵管采用內(nèi)襯水泥或各種樹脂，外噴鋅涂瀝青進(jìn)行內(nèi)外防腐，從根本上解決了灰鐵管和鋼管無法解決的內(nèi)外防腐問題，使用單位無需采用任何防腐措施，并從根本上杜絕了水質(zhì)的二次污染；柔性接口形式，適應(yīng)性強(qiáng)：球墨鑄鐵管的連接方式采用承插式或法蘭式機(jī)械接口加橡膠密封圈，有良好的密封性、延伸性，具有較大的偏轉(zhuǎn)角3°～5°，能吸收因地基沉降而產(chǎn)生的應(yīng)力，避免管道破裂。安裝省時(shí)省力：該管材施工十分方便，不受天氣影響，不需要復(fù)雜設(shè)備，土方工程量小，無需工人具有高深的專業(yè)技術(shù)，安裝省時(shí)省力，節(jié)省了大量的安裝費(fèi)用。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管：現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)方便，接口的抗?jié)B性能好，管材價(jià)格比金屬管便宜，因此已得到較多的采用。但管體自重較大，運(yùn)輸費(fèi)用高，對(duì)于較復(fù)雜的地形適應(yīng)性差。

根據(jù)本工程地形的特點(diǎn)，地面高差較大，且管線主要在土石山區(qū)，管道全部為壓力管道，所以選用承壓能力大，抗拉、抗彎強(qiáng)度大，防腐性好的球墨鑄鐵管管材。

6 結(jié)論

綜合以上方案比較，張峰水庫(kù)引水工程線路選用二級(jí)泵站提水的西線方案，取水泵站采用岸邊固定式泵站，管材選用球墨鑄鐵管管材。本工程的實(shí)施可以使沁水縣的用水現(xiàn)狀得到根本性的解決，減小對(duì)地下水的過度開采，提高地表水的利用率。