商南縣應(yīng)急供水工程方案分析

聶 鯤

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710061）

1 引言

水資源是人類生活、生產(chǎn)必不可缺的資源,水資源短缺問(wèn)題對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)有不利影響,因此,建設(shè)供水工程是十分必要的[1-2]。水源是影響供水工程建設(shè)的一個(gè)重要影響因素,供水線路選擇對(duì)供水工程投資和水資源傳輸效率有較大影響[3-5]。以商南縣為研究對(duì)象,對(duì)應(yīng)急供水工程方案進(jìn)行研究。

2 工程概況

商南縣位于陜西省商洛市東南部,秦嶺東南麓,屬長(zhǎng)江水系的丹江中上游地區(qū),為上（上海）伊（伊寧）線（312 國(guó)道）的中途要地。根據(jù)商南縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃分析預(yù)測(cè),至規(guī)劃水平年（2025年）,干旱期城區(qū)最高日用水量將達(dá)到1.0 萬(wàn)m3,故確定本應(yīng)急水源工程建設(shè)規(guī)模日最大供水量1.0 萬(wàn)m3/d。

工程擬從丹江河過(guò)風(fēng)樓段建水源井引水,通過(guò)19.878 km的管線與跨河建筑物,鋪設(shè)20.853 km 管道將丹江河水通過(guò)四級(jí)加壓引至官坡水廠原水池。

3 水源選擇

根據(jù)水資源選擇原則和項(xiàng)目區(qū)所處位置,結(jié)合區(qū)域水資源概況,本次供水工程區(qū)可選取的水源有三個(gè)：（1）試馬水庫(kù)水源；（2）清油河水源；（3）丹江水源。

1）試馬水庫(kù)水源

試馬水庫(kù)水源位于商南縣城以西12 km 處的試馬鎮(zhèn)荊家河上游。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容264 萬(wàn)m3,有效庫(kù)容170 萬(wàn)m3,年供水量70 萬(wàn)m3。水庫(kù)庫(kù)容小,還擔(dān)負(fù)著解決下游試馬鎮(zhèn)2萬(wàn)人左右的飲水問(wèn)題。如遇干旱,水庫(kù)同樣處于干涸狀態(tài),因此試馬水庫(kù)水源作為商南縣城應(yīng)急水源不可行。

2）清油河水源

清油河位于商南縣城以西15km 處,該流域內(nèi)多年平均徑流深為260 mm,多年平均年徑流量9599 萬(wàn)m3。沒(méi)有水庫(kù),同時(shí)也擔(dān)負(fù)著清油河、清泉數(shù)萬(wàn)人的飲水問(wèn)題。加上2013年6月至今沒(méi)有有效降雨,河水流量急劇下降,水量也不能滿足縣城6 萬(wàn)多人及清油河2 萬(wàn)人左右的同時(shí)飲水問(wèn)題。因此清油河水源作為商南縣城應(yīng)急水源也不可行。

3）丹江水源

丹江發(fā)源于秦嶺山脈南麓,途徑商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣,在商南白浪鎮(zhèn)流入河南,流域面積大,水量充沛,水質(zhì)良好。雖然2013年6月至今沒(méi)有有效降雨,但河水仍有較大的流量。

因此采取丹江水源作為商南縣城應(yīng)急水源可行。

4 取水工程

4.1 取水工程地形地質(zhì)概況

水源地?cái)M建在過(guò)風(fēng)樓鎮(zhèn)過(guò)風(fēng)樓村幢子溝口東側(cè),并位于丹江干流過(guò)風(fēng)樓河段左側(cè)河漫灘之上,水源地處的地層巖性覆蓋層為新生界、第四系、全新統(tǒng)沖～洪砂礫卵石（Q42al+pl）層③,根據(jù)收集到的資料分析和推測(cè),覆蓋層厚度11.0 m～13.00 m,根據(jù)本次水文地質(zhì)調(diào)查資料,水位埋深2.87 m,高程274.63 m；含水層厚度大于8.00 m,滲透系數(shù)＞100 m/晝夜,屬極強(qiáng)透水層,覆蓋層以下基巖為古生界、泥盆系上統(tǒng)、青石埡組下段⑥鈣質(zhì)砂巖（D3q1）,為相對(duì)隔水層,視為不透水層。根據(jù)資料分析,該水源地有修建提水大口井的水文地質(zhì)條件。

4.2 取水工程布置

井位位于丹江河流河漫灘左側(cè),地層巖性為第四系沖洪積砂礫卵石層,屬極強(qiáng)透水層,根據(jù)本次水文地質(zhì)調(diào)查資料,水位埋深2.87 m,高程274.63 m；含水層厚度8.13 m,覆蓋層以下基巖為泥盆系變質(zhì)砂巖,為相對(duì)隔水層,視為不透水層。

單井出水量依據(jù)卡明斯基公式計(jì)算：

式中：B 為透水地層長(zhǎng)度,井壁周長(zhǎng)29.85 m 計(jì)；K 為滲透系數(shù)按140 m/晝夜；H 井內(nèi)外水位差,當(dāng)井底保持1.50 m 時(shí),河水最枯水位差6.63 m；T 為透水地層厚度11.00 m；b 為井徑（內(nèi)徑9.50 m）；Q 為出水量m3/晝夜。

經(jīng)計(jì)算出水量10160 m3/晝夜,即：每小時(shí)單井出水量約為423 m3?；緷M足需要。根據(jù)日供水10800 m3的要求,缺口約640 m3,因此采用集水管補(bǔ)充。

根據(jù)上式計(jì)算,增設(shè)Ф10 m 的沉盤井一座,為磚混結(jié)構(gòu)水源井,集水井徑10 m,深15 m,圓形。

集水管采用2根DN500 鋼制集水器,單根長(zhǎng)54 m。

4.3 水泵選擇

設(shè)計(jì)流量按下式計(jì)算：

式中：Q 為泵站設(shè)計(jì)流量,m3/h；W 為最高日用水量,m3；T為日工作時(shí)間。

第一級(jí)水廠泵站設(shè)計(jì)流量為：

設(shè)計(jì)取水管進(jìn)、出口高程見(jiàn)表1。

表1 取水管進(jìn)、出口高程

考慮到壓力管道的水頭損失、水錘作用、水泵的損失和其他不確定因素,選擇潛水泵型號(hào)為ZL300QJ280-140/180,共3 臺(tái),其中1 臺(tái)備用,泵站揚(yáng)程為140 m,設(shè)計(jì)出水量280 t/h。泵站提升高度大于高差,滿足供水需求。水泵出水管采用DN450PE 管埋地敷設(shè)至下一級(jí)泵站調(diào)壓池。

三、四級(jí)泵站安裝ZL300 QJ280—105/140 型水泵（含配套電機(jī)）3 臺(tái),其中1 臺(tái)備用,揚(yáng)程105 m,設(shè)計(jì)出水量280 t/h。水泵出水管采用DN450 PE管埋地敷設(shè)至下一級(jí)泵站調(diào)壓池。

5 輸水管線工程

5.1 輸水方案比較

經(jīng)過(guò)初步踏勘,擬從丹江取水,經(jīng)過(guò)多級(jí)加壓后供縣城使用。丹江至縣城水廠地形高差234 m,考慮管道水頭損失,提水總揚(yáng)程330 m～380 m。取水點(diǎn)初步選擇在過(guò)風(fēng)樓鎮(zhèn)郭家坪外的丹江河道,沿河岸邊打大口井。方案計(jì)劃為永久性設(shè)計(jì),管道深埋,動(dòng)力線路架設(shè)專線、專用變壓器。經(jīng)分析路線方案有三種。

方案一：郭山公路方案

在過(guò)風(fēng)樓郭家坪水源點(diǎn)取水,通過(guò)輸水管道（經(jīng)過(guò)四級(jí)泵站加壓）沿郭山公路鋪設(shè)管線至官坡水廠,經(jīng)處理后凈水接縣城原配水管網(wǎng)。

方案二：縣河小栗園、三角池、任家溝、官坡水廠方案

在過(guò)風(fēng)樓郭家坪水源點(diǎn)取水,通過(guò)輸水管道（經(jīng)過(guò)五級(jí)泵站加壓）沿商南縣城至過(guò)風(fēng)樓老公路鋪設(shè),途經(jīng)小栗園、三角池、任家溝輸送至官坡水廠處理后向城區(qū)供水。

方案三：縣河小栗園、小金峪方案

在過(guò)風(fēng)樓郭家坪水源點(diǎn)取水,通過(guò)輸水管道（經(jīng)過(guò)四級(jí)泵站加壓）沿商南縣城至過(guò)風(fēng)樓老公路鋪設(shè)至石埡子村,進(jìn)小金峪溝至小金峪和沐河之間的山梁,并修建水廠一座,經(jīng)凈化處理后,埋設(shè)管線輸送凈水供工業(yè)園、任家溝,縣城使用。

根據(jù)方案施工難度、征地、拆遷數(shù)量、造價(jià)以及施工工期等分析,方案一交通便利、施工難度小、施工工期最短,能盡快地解決縣城干旱缺水的問(wèn)題,故推薦采用方案一。

5.2 輸水管線布設(shè)

輸水管線依據(jù)“線路最短、節(jié)約水頭、運(yùn)行安全、施工管理方便、節(jié)約投資”的原則布設(shè),按照單管加壓的輸水方式設(shè)計(jì)。在過(guò)河段采用雙管布設(shè)。

在過(guò)風(fēng)樓郭家坪水源點(diǎn)取水,通過(guò)輸水管道（經(jīng)過(guò)四級(jí)泵站加壓）沿郭山公路鋪設(shè)管線至官坡水廠,經(jīng)處理后凈水接縣城原配水管網(wǎng)。

本設(shè)計(jì)方案管線總長(zhǎng)19878 m,其中：一、二級(jí)泵站間管線長(zhǎng)度6387 m,二、三級(jí)泵站間管線長(zhǎng)度5265 m,三、四級(jí)泵站間管線長(zhǎng)度3364 m,四級(jí)泵站至官坡水廠間管線長(zhǎng)度4862 m。

5.3 輸水管道設(shè)計(jì)

通過(guò)分析及市場(chǎng)調(diào)研,鋼管管材價(jià)格昂貴,防腐要求高,使用年限短；預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管單位重量大,運(yùn)輸和施工不方便,安裝費(fèi)用高,承插接口技術(shù)精度難以保證,管道滲漏較多,管材強(qiáng)度和工作壓力較差,輸水安全性相對(duì)較差；UPVC 雖然重量輕、水力條件好、使用壽命長(zhǎng),但剛度及抗穩(wěn)定性差,對(duì)管道基礎(chǔ)和覆土要求高,地形適應(yīng)較差；PE 管各項(xiàng)性能較為優(yōu)越,但價(jià)格昂貴,工程投資較大；球墨鑄鐵管重量較大,安裝精度要求較高。

綜合以上分析比較,初步選用PE 管作為輸水管管材。

水源丹江河過(guò)風(fēng)樓處設(shè)計(jì)來(lái)水量最高日平均用水量0.15 m3/s。可先按經(jīng)濟(jì)流速通過(guò)計(jì)算確定管徑并進(jìn)行管道水力計(jì)算。

① 計(jì)算管徑

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

D1=（4Q/ V）1/2=420 mm

考慮到其他可能發(fā)生情況,設(shè)計(jì)采用標(biāo)稱管徑Φ450 mm PE 管。

②管道水頭損失計(jì)算

根據(jù)該方案作水頭損失計(jì)算如下：

沿程水頭損失h沿=i·L

由i=0.000915 Q1.774/d4.774

經(jīng)計(jì)算采用DN450 PE 管,單位管線長(zhǎng)度沿程水頭損失i=0.00582

一級(jí)泵站距離 L1=6387 m

得h沿1= i1·L1=37.2 m

考慮到輸水管道過(guò)長(zhǎng),地形復(fù)雜,山勢(shì)起伏大,拐彎較多,局部水頭損失選取沿程水頭損失的40%。

局部水頭損失h局1=h沿1·40%=37.2×0.4=14.9

則h總1=h沿1+h局1=37.2+14.9=52.1m

各級(jí)水頭損失計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 備用水源至水廠原水輸水管計(jì)算成果表

6 結(jié)語(yǔ)

為了保障商南縣水資源供應(yīng),擬建設(shè)應(yīng)急供水工程。通過(guò)選取3 個(gè)水源進(jìn)行分析,擬采用丹江水源作為供水工程水源,將取水井設(shè)置于丹江河流河漫灘左側(cè),地質(zhì)條件較為良好；通過(guò)對(duì)比選取PE 管材和郭山公路方案作為輸水方案,有利于施工、節(jié)省投資,通過(guò)復(fù)核,水頭損失滿足相關(guān)規(guī)范要求。