重力自流與加壓供水方式在引水工程中的比選

沈麗妍

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

重力自流與加壓供水方式在引水工程中的比選

沈麗妍

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

遵化市般若院水庫至工業(yè)園區(qū)引水工程主要是為工業(yè)園區(qū)提供工業(yè)用水。依據工程規(guī)模、水源及引水線路，提出重力自流及泵站加壓兩種供水方案，并從經濟指標、土地占用、動力資源、施工條件與建設周期等方面綜合比選，確定最優(yōu)供水方案，從而解決工業(yè)園區(qū)用水問題。

般若院水庫；重力自流；泵站加壓；綜合比選；節(jié)約能源

1 工程背景［1］

遵化市工業(yè)園區(qū)位于遵化城區(qū)東部，地處京、津、唐、承、秦腹地核心位置，屬于京津唐“一小時經濟圈”范圍。承唐高速、清東陵高速貫穿城市南北、東西，市區(qū)設有8個高速出口，西距北京158km，西南距天津（濱海新區(qū)）175km，南距唐山市區(qū)70km（曹妃甸港155km），北距承德175km，東南距秦皇島150km，是唐山地區(qū)承接京津產業(yè)、資金、人才梯度推移的重要橋頭堡，具有接受環(huán)渤海經濟區(qū)輻射的優(yōu)勢。

隨著遵化市工業(yè)園區(qū)的不斷發(fā)展，園區(qū)內企業(yè)新建項目不斷開工建設，特別是港陸公司節(jié)能項目煤氣綜合利用二期、三期、四期工程，回轉窯替代白灰堅窯項目、清潔環(huán)保型全能量回收焦電一體化項目、冷軋項目等項目開工，用水量不斷增大，當地水源已不能滿足工業(yè)用水，嚴重制約著當地經濟發(fā)展，必須研究新的供水方案。

2 工程規(guī)模

2.1 工業(yè)園區(qū)用水規(guī)模

根據工業(yè)園區(qū)年度用水計劃，目前其需水量1750萬m3，供水水源部分來自供水公司，部分為地下水。隨著園區(qū)的發(fā)展，預計2020年需水量將不小于2000萬m3。

2.2 來水量

根據2005年 《遵化熱電廠二期工程2×300MW供熱機組水資源論證報告》，般若院水庫水庫多年平均徑流量3130萬m3。不同水平年徑流量如表1。

表1 不同保證率徑流成果 單位：萬m3

2.3 供需水量

為合理確定工程規(guī)模，分別采用典型年調節(jié)和長系列多年調節(jié)計算對水庫可供水量進行分析。

2.3.1 典型年調節(jié)計算

根據典型年水庫興利調節(jié)計算結果，扣除不同保證率下水庫蒸發(fā)滲漏損失量和管網損失量 （取來水量的10%）及水庫下游沙河河道生態(tài)用水（多年平均徑流量313萬m3，均勻放水）后，不同水平年可供水量成果如表2。多年平均可供水量990萬m3。

表2 不同水平年供水量成果

2.3.2 長系列調節(jié)計算

根據 《河北省唐山市般若院水庫除險加固工程初步設計報告》，般若院水庫1973～2001年28年間還原后的天然徑流系列，扣除規(guī)劃水平年2020年水庫上游用水，使用長系列興利調節(jié)計算可得，滿足規(guī)劃水平年工業(yè)園區(qū)2000萬m3用水，水庫設計保證率46%，多年平均可供工業(yè)園區(qū)水量1552萬m3。

長系列調節(jié)計算，供水保證率與典型年相當，因水庫有一定的多年調節(jié)作用，多年平均供水量要高于典型年計算結果?？紤]長系列調節(jié)計算中所用系列為1973～2001年，未包含2002～2016年較多的枯水年，成果偏大，保守起見，興利調節(jié)計算推薦采用典型年調節(jié)計算成果。

2.4 引水管道規(guī)模的確定

根據典型年興利調節(jié)計算結果，水庫95%保證率時的供水量只有99萬m3，75%保證率時只有935萬m3，50%保證率時為1984萬m3，多年平均供水量990萬m3，即水庫枯水年和特枯水年水庫的可供水量都遠小于工業(yè)園區(qū)需水，平水年可基本滿足用水要求。

鑒于引水工程不是工業(yè)園區(qū)的唯一水源，同時為了充分利用地表水，減少、控制地下水的開采，本工程的供水保證率適當降低，工程規(guī)模按工業(yè)園區(qū)需水量確定，年供水量2000萬m3，管道設計流量0.69m3/s，供水保證率為50%。

3 工程線路

目前遵化市港陸公司蓄水池存蓄能力為3萬m3，只能維持30h的正常供水，為提高工業(yè)園區(qū)內事故保障率和供水調度的靈活性，般若院水庫至工業(yè)園區(qū)引水工程按鋪設2根管道設計。

經對引水管線路多次踏勘，本工程引水管線自般若院水庫放水洞開始，后沿沙河埋設管道，于上石河村和下石河村中間向東埋設至上港村西，入雙城河后，繼續(xù)向南敷設，穿越邦寬線至下港村，最后接入港陸鋼鐵公司工業(yè)園區(qū)。

4 工程管材

目前長距離輸水工程大都在鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筋混凝土管、玻璃鋼管等方面選擇。

本工程敷設條件大多位于河道內，預應力鋼筋混凝土管價格雖然較低，但該管材較重、運輸困難，且周邊地區(qū)生產企業(yè)較少，不予推薦；玻璃鋼管對于管道埋設基礎和回填材料要求較高，不予推薦；鋼管具有管材重量輕、強度高、管道接口精度高、對各種地形和地質條件適應性強、運輸及施工相對較容易的優(yōu)點，球墨鑄鐵管具有優(yōu)越的耐久性能、防腐性能、承壓性能、抗震能力和密封性能，綜合比選鋼管和球墨鑄鐵管可作為本工程推薦管材。

本工程引水管線大部分沿沙河和雙城河敷設，考慮鋼材價格處于上漲趨勢，通過鋼管［2］和球墨鑄鐵管［3］比選計算，并考慮施工安裝及工程進度的要求，確定取水頭部連接管線及下石河村東北局部山包處管線采用給水涂塑鋼管；其余管段均采用內自錨式球墨鑄鐵管。

5 工程方案

本工程難點在于對管線中途下石河村東北山包局部高點水壓如何解決的問題。初步考慮重力自流和取水首端設置泵站加壓2種方案。

5.1 重力自流

本方案自般若院水庫放水洞開始，結合已建進水閘閘室，工程管線起始于已鋪設的DN900輸水管線，沿沙河、雙城河敷設后，最后接至工業(yè)園區(qū)規(guī)劃清水池內。取水頭部最高設計水位101.66m，最低設計水位90.7m；鋼廠水池水位62m，兩端存在29～40m可利用水頭，但管線中途下石河村東北山包局部高點地形高程94m。為充分利用起始端水位差，又考慮工程整體水壓，采用謝才公式進行水力計算，重力引水管道采用DN800球墨鑄鐵管，管道壓力等級選用1.0MPa。

工程采用DN800引水管道，由設計水壓線可知，為保證中途下石河村東北山包局部高點管段0.02MPa的富裕水頭，管道中心高程確定為81.0m，需對該處山體采取隧洞穿管或深開挖工程措施。

5.1.1 隧洞工程

根據水壓線要求，管道中心高程81.0m，則設計隧洞洞底高程80m，隧洞長1000m，隧洞最大挖深12m。經對局部高點樁號K4+500～K4+780段地質情況進行勘察，該地段地面高程87.0～94.0m，地表為第四系全新統(tǒng)壤土覆蓋，其下為紅黏土、全風化花崗巖、強風化花崗片麻巖。針對隧洞沿線土壤性質、巖性條件進行分析，此地段成洞比較困難，不具備成洞的有利條件。

5.1.2 深開挖工程

樁號K4+500～K4+780段，勘探期間鉆孔穩(wěn)定地下水位高程76.3m，設計地下埋管高程81.0m，地下水位低于引水管道。埋管施工采用先開挖再回填的方法，開挖深度6～12m，臨時開挖邊坡1∶0.75～1∶1.0。高程87.0m設馬道，左側馬道寬2.0m，右側馬道寬8.0m，兼作施工道路。臨時邊坡開挖過程中應保持干場作業(yè)。

經分析，對局部地形高點采用深開挖工程措施。

5.2 泵站加壓

本方案自般若院水庫放水洞開始，將已建DN900的輸水管線延伸鋪至取水首端設置的新建加壓泵站進水池，原水經泵站加壓后至工業(yè)園區(qū)規(guī)劃清水池內。

當管材確定后，管徑的選擇直接影響工程投資和年電耗。對于加壓管道，采用最小年值分析確定經濟管徑。管道輸送相同流量時，管徑越小一次性投資越小，但運行動力費用升高；管徑越大一次性投資越大，但運行動力費用降低。輸送流量0.69m3/s時，確定經濟管徑為DN700。

為保證中途下石河村東北山包不進行深開挖，即能滿足引水管線有0.02MPa的富裕水頭。通過水力計算，泵站揚程［5］18.50m。兼顧泵站適應流量變化和投資兩方面因素，加壓泵站選用S300-250-280型離心泵4臺，3臺工作、1臺備用。加壓泵站水泵性能參數如表3。

表3 加壓泵站性能參數

5.3 工程方案比較

通過對兩種方案基建投資和年經營費用進行經濟評價，除了經濟指標外，還包括土地占用、動力資源、施工條件與建設周期、原有設施利用程度等內容，從而確定工程最優(yōu)方案。

5.3.1 重力自流方案

本方案優(yōu)點為可充分利用般若院水庫與工業(yè)園區(qū)清水池水位高差，實現重力自流，從而節(jié)省動力費用；缺點是為保證管線中途下石河村東北山包高點處有足夠的水壓，埋設該段的管道必須進行深開挖，最大處可達12m，造成土石方大量開挖，臨時占地增多。

5.3.2 泵站加壓方案

本方案優(yōu)點為設置加壓泵站提水后，管線不需進行深度開挖，即可保證中途下石河村東北山包高點處有足夠水壓。另外，通過設于泵站處的超越管線：當般若院水庫達到正常蓄水位103.66m，能滿足工業(yè)園區(qū)5.6萬m3/d重力自流供水。缺點是設置加壓泵站后，造成永久占地費用、泵站運行電費和管理維護費用增加，后期水價成本也較自流供水增高。

5.4 工程方案選擇

重力自流方案總投資略高于泵站加壓方案，但若采用泵站加壓方案，需增加泵站的永久占地，后期也需增加對泵站的管理維護，工程運行電費和水價成本也較自流供水增高。綜上所述工程采用重力自流方案。

6 結語

長距離引水工程方案選擇中，保證給水管道輸水暢通、運行可靠的前提下，經濟合理的方案尤為重要。從節(jié)約能源的角度考慮，首先選取重力自流供水方案。

［1］河北省水利水電勘測設計研究院.般若院水庫至工業(yè)園區(qū)引水工程初步設計報告［R］.2016.

［2］CECS141—2002，給水排水工程埋地鋼管管道結構設計規(guī)程［S］.

［3］CECS142—2002，給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規(guī)程［S］.

［4］GB50013—2006，室外給水設計規(guī)范［S］.

［5］GB/T 50265—2010，泵站設計規(guī)范［S］.

（責任編輯：尹健婷）

The com parison and selection of gravity flow and pressurized water supply in the water diversion project

SHEN Li-yan
（HebeiResearch Institute of Investigation＆Design ofWater Conservancy＆Hydropower，Tianjin 300250，China）

Thewater diversion project from Banruoyuan Reservoir to Industrial Park in Zunhua city ismanly provide industrial water to the industrial park.According to the engineering scale，water source and water diversion lines，the author put forward two water supply schemes：gravity flow and pumping pressurized.Through comprehensive comparison，the optimal scheme of water supply is determined from economic indicators，land use，power resources，construction conditions and construction cycle，finally the problem of industrialwater is solved.

Banruoyuan Reservoir；gravity flow；pumping pressurized；comprehensive comparison；energy saving

TU991.3

B

：1672-9900（2017）04-0089-04

2017-05-08

沈麗妍（1979-），女（漢族），河北定州人，工程師，主要從事給水排水設計工作，（Tel）13821365437。