湖泊取水工程設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)分析

孫艷濤

(上海市政工程設(shè)計研究總院集團(tuán)第六設(shè)計院有限公司 安徽合肥 230000)

0 引言

取水工程是供水工程成敗的關(guān)鍵。取水工程設(shè)施，對整個給水系統(tǒng)的組成、布局、投資及維護(hù)運(yùn)行等經(jīng)濟(jì)行為和安全可靠性具有重大的影響。如何長時間持續(xù)有效地為后續(xù)凈水廠提供足量、優(yōu)質(zhì)的原水是取水工程的重要任務(wù)[1]。

本文擬以安慶市應(yīng)急供水工程為例, 介紹其取水工程設(shè)計是如何選擇水源、取水點(diǎn)、取水構(gòu)筑物等，并結(jié)合項(xiàng)目具體情況介紹取水工程設(shè)計的要點(diǎn)：進(jìn)而分析石塘湖的水文特征、河床演變、水下地形、取水保證率、湖體水質(zhì)等特殊因素，詳細(xì)介紹了取水點(diǎn)和取水頭部施工形式，為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

安慶市實(shí)施“安慶市應(yīng)急供水工程”，將破罡湖石塘湖作為安慶市區(qū)應(yīng)急備用水源，與原有供水系統(tǒng)形成統(tǒng)一整體，以更好地為城市服務(wù)。該取水工程新建取水泵房一座;設(shè)備安裝規(guī)模30萬m3/d，從石塘湖引水，通過兩根DN1500自流管引至泵站，然后通過兩根DN1200輸水管輸送至三水廠，再利用三水廠現(xiàn)狀1根DN1200源水管道將部分原水送至二水廠。鑒于取水工程的重要性，本文著重分析取水工程設(shè)計中存在的關(guān)鍵問題。

2 水源選擇

根據(jù)安慶市規(guī)委會意見和安慶市供水專項(xiàng)規(guī)劃結(jié)論：應(yīng)急供水水源為石塘湖。石塘湖位于安慶城北大龍山之陽，西北為楊橋鎮(zhèn)，東南為白澤湖鄉(xiāng)，在湖的東北部與破罡湖相通，湖面面積現(xiàn)狀14.47km2，規(guī)劃22.04km2。

監(jiān)測控制斷面(點(diǎn))的現(xiàn)狀水質(zhì)為II～I(xiàn)II類，水質(zhì)管理目標(biāo)為II～I(xiàn)II類，水質(zhì)基本滿足生活飲用水原水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]石塘湖距二、三水廠較近，近期方案投資少、施工難度小、便于應(yīng)急備用水源工程在短時間內(nèi)完成，該設(shè)計方案最終選取石塘湖作為城市供水應(yīng)急備用水源。

3 河勢演變分析

確定取水口位置時需收集附近河床斷面演變資料，以確保構(gòu)筑物的安全性[2]，根據(jù)該工程《防洪影響評價報告》分析顯示: 工程建設(shè)地點(diǎn)位于石塘湖區(qū)，上游集水區(qū)地表徑流攜帶的泥沙基本沉積于湖內(nèi)。來水來沙區(qū)地貌特征屬于沿江丘陵崗地區(qū)，土壤侵蝕強(qiáng)度500t/km2.a，造成湖區(qū)預(yù)計厚度約為0.9mm/a。根據(jù)石塘湖的近年運(yùn)行情況，河道基本穩(wěn)定，若平淤在整個石塘湖河內(nèi)，影響極微。

4 取水量、保證率及水質(zhì)分析

4.1 取水量、保證率分析

根據(jù)該工程《水資源分析論證報告》分析顯示:

(1)現(xiàn)狀年可供水量計算成果

根據(jù)水資源論證報告調(diào)節(jié)計算結(jié)果顯示，近期97%保證率典型枯水年區(qū)域總來水量4474萬m3，其中陸域來水量4803萬m3，湖面產(chǎn)水量-329萬m3；論證區(qū)農(nóng)業(yè)用水量1229萬m3，湖泊滲漏損失量1325萬m3。根據(jù)水量平衡原理，近期97%保證率典型枯水年區(qū)域可供水量1920萬m3，大于該項(xiàng)目地表水需水量546萬m3。因此，近期論證區(qū)域地表水源能夠滿足97%保證率時該項(xiàng)目用水需求。

(2)規(guī)劃年可供水量計算表

根據(jù)調(diào)節(jié)計算結(jié)果，規(guī)劃水平年97%保證率典型枯水年區(qū)域總來水量4474萬m3，其中陸域來水量4803萬m3，湖面產(chǎn)水量-329萬m3；論證區(qū)農(nóng)業(yè)用水量1057萬m3，湖泊滲漏損失量1325萬m3。根據(jù)水量平衡原理，規(guī)劃水平年97%保證率典型枯水年區(qū)域可供水量2092萬m3，大于該項(xiàng)目地表水需水量546萬m3。規(guī)劃水平年論證區(qū)域地表水源能夠滿足97%保證率時該項(xiàng)目用水需求。

(3)取水口高程分析

按照《破罡湖流域綜合規(guī)劃》擬定的工程調(diào)度方案，以及調(diào)節(jié)計算結(jié)果，應(yīng)急供水情況時，單一考慮石塘湖湖體連續(xù)10d供水，在調(diào)節(jié)計算下，水位為8.6m。因此，取水水位8.6m符合應(yīng)急供水工程取水設(shè)計最低水位要求。

4.2 水質(zhì)分析

對石塘湖水域水質(zhì)檢測點(diǎn)進(jìn)行了布控，如圖1所示，并對檢測點(diǎn)進(jìn)行約30項(xiàng)(包括總氮、總磷、氨氮)等水質(zhì)因子化驗(yàn)，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，石塘湖水質(zhì)除總氮、總磷局部時段超標(biāo)外，其他檢測項(xiàng)目均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)規(guī)定的Ⅲ類地表水體標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)變化分析如圖2～圖3所示。針對石塘湖可能出現(xiàn)的水質(zhì)污染問題，在凈水廠內(nèi)設(shè)置臭氧+深度處理工段。

圖1 水質(zhì)檢測點(diǎn)布置圖

圖2 JCD-2水質(zhì)變化圖

圖3 JCD-9水質(zhì)變化圖

考慮石塘湖屬于應(yīng)急供水備用水源地，當(dāng)?shù)卣趯?shí)施對石塘湖綜合治理工程，主要對沿湖周邊及入湖河道實(shí)施截污、清淤、生態(tài)修復(fù)等工程措施，以確保在工程建設(shè)實(shí)施后石塘湖水質(zhì)滿足國家飲用水水源地取水標(biāo)準(zhǔn)。

5 水下地形分析

對石塘湖水域擬建取水頭部位置進(jìn)行初步測量，在石塘湖水域布置4個測量橫斷面，斷面間距300m。

根據(jù)4個測量斷面顯示，湖底高程基本在11.00～7.00之間，石塘湖水下地形較平坦，坡度變化較小，深泓線基本位于湖中心位置。

6 取水點(diǎn)比選

結(jié)合湖底高程(約7.19m)和外環(huán)北路雨水管道標(biāo)高(管底標(biāo)高約10.476m～10.685m)情況，對取水點(diǎn)位置JCD-2和JCD-9進(jìn)行比選結(jié)果如表1所示。

表1 取水點(diǎn)方案優(yōu)缺點(diǎn)對比表

綜合考慮，選取在方案一JCD-2附近作為該工程取水點(diǎn)。

7 取水構(gòu)筑物型式

常見的取水泵房形式有岸邊式取水構(gòu)筑物和江心式取水構(gòu)筑物兩種：

(1)岸邊式取水構(gòu)筑物：泵房建在岸邊，直接從江河岸邊進(jìn)行取水，由進(jìn)水間和泵房兩部分組成，適用于江河岸邊較陡，主流近岸，岸邊水深較大，水質(zhì)、地質(zhì)條件好，水位變動幅度較大的一些場合。按照進(jìn)水間與泵房布置的不同，可分為合建式和分建式。

(2)江心式取水構(gòu)筑物：泵房與岸邊式取水構(gòu)筑物基本相同，但用伸入江河中的進(jìn)水管(末端設(shè)取水頭部)來代替岸邊式進(jìn)水間的進(jìn)水孔。適用于河床穩(wěn)定，河岸較平坦，枯水期主流離岸較遠(yuǎn)，岸邊水深不夠而江中有足夠水深的情況。

根據(jù)實(shí)測的水下地形資料，石塘湖岸坡較緩，深泓處于湖心位置，湖邊為魚塘或高地，從高程和水質(zhì)兩方面考慮均推薦采取江心式取水構(gòu)筑物。

8 取水頭部型式

取水頭部的選型，首先要滿足使用功能要求，并綜合考慮地形地質(zhì)條件、水域特性及施工條件等因素[3]。該工程石塘湖湖底整體較為平坦，水深較淺；結(jié)合該工程實(shí)際情況，擬采用江心式取水構(gòu)筑物，需要在湖體中設(shè)置取水頭部，以保證泵站在各種運(yùn)行工況下都能取得水質(zhì)良好的足夠水量。

取水頭部形式很多，應(yīng)該根據(jù)水源的水文、地質(zhì)、施工、航運(yùn)以及含沙量和漂浮物等具體情況確定。常見的取水頭部型式有喇叭管式、箱式等。

(1)喇叭管取水頭部：原水取水管伸入河道后直接采用喇叭口進(jìn)行取水。喇叭口可根據(jù)河床條件和水文情況不同，采用水平式、順?biāo)魇?、向上式或向下式安裝。

(2)箱式取水頭部：取水頭部為一鋼筋混凝土箱式結(jié)構(gòu)，在其頂面及側(cè)面設(shè)置進(jìn)水窗并安裝攔污格柵，取水管伸入箱體進(jìn)行取水的形式。

兩者投資相差不大，但結(jié)合石塘湖水文條件、取水水量、河床深度因素進(jìn)行綜合考慮，如采用喇叭口異徑管，邊緣已接近湖底，無法保證取水安全深度要求，該工程采取箱式取水頭部。

9 取水工程設(shè)計

9.1 設(shè)計參數(shù)

取水工程包括取水頭部、進(jìn)水管、吸水井、取水泵房等。

(1)設(shè)計取水量

自取水頭部設(shè)置自流管，將石塘湖原水引至一級泵房吸水池。供水規(guī)模按照26萬m3/d規(guī)模設(shè)計，因輸水管線較長，沿途滲漏水量按10%計，另，考慮水廠自用水量5%，則取水泵房設(shè)計水量按照30萬m3/d計算。

(2)設(shè)計水位

根據(jù)水資源論證報告顯示，石塘湖最低水位為8.60m，為保證取水安全可靠，設(shè)計最低水位取8.60m。

9.2 取水頭部

取水頭部采用箱式取水頭部，箱涵尺寸：L×B×H=11.65m×7.5m×5.1m。取水頭部處,湖底高程約7.5m，設(shè)計取水頭部箱涵進(jìn)水口下底標(biāo)高7.80m，上口高程8.40m，取水頭部設(shè)計如圖4～圖5所示。

設(shè)計規(guī)模： 30萬m3/d;

格柵數(shù)量： 12組;

柵條間隙： 50mm;

柵條寬度： 10mm;

格柵尺寸： 1.75m×0.65m。

圖6 取水泵房剖面圖

圖4 取水頭部設(shè)計平面圖

圖5 取水頭部設(shè)計剖面圖

9.3 自流引水管

自流引水管采用兩根DN1500鋼管，每根長約1175m，設(shè)計流速為1.376m/s，自流總水頭損失約1.4m，兩根取水頭部自流管中心距離4m。

取水鋼管穿越外環(huán)北路采用頂管施工，湖體內(nèi)管道采用水下施工方式，其余部位采用開挖施工方式。

9.4 取水泵房

考慮水廠自用水量和輸水管線漏損量，取水泵房按30萬m3/d規(guī)模一次完成，通過自流管引水至泵房吸水池。取水泵房設(shè)計如圖6所示。

吸水池設(shè)成2格，以利于檢修清洗，中間設(shè)過水孔，并設(shè)閘門及啟閉機(jī)。

泵房采用半地下式，共設(shè)置6臺泵位； 泵站內(nèi)配置5臺雙吸泵(4用1備)，每臺泵參數(shù)為Q=3300m3/h，H=46m，電機(jī)功率560kW/臺，其中一臺變頻控制。

10 主要施工方式

10.1 取水頭部

根據(jù)取水要求，取水頭部可采用鋼筋混凝土箱式結(jié)構(gòu)或鋼構(gòu)件組合箱式結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式各有其優(yōu)缺點(diǎn)：

(1) 鋼筋混凝土箱式結(jié)構(gòu)：耐久性好，防沖撞能力強(qiáng)，箱體預(yù)制吊運(yùn)水下拼裝、施工能力適應(yīng)性強(qiáng)。

(2)鋼構(gòu)件箱式結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)自重較輕，材料較省一些，但耐久性較差。由于頭部尺寸較大，拼裝構(gòu)件多，水下拼裝較復(fù)雜，并且防沖撞能力較差。

根據(jù)二者優(yōu)缺點(diǎn)比較，推薦采用鋼筋混凝土箱式結(jié)構(gòu)取水頭部?；A(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，取水頭部采用圍堰現(xiàn)澆施工。為防止河床沖刷，在頭部四周范圍內(nèi)拋石護(hù)底，確保頭部安全。

10.2 引水進(jìn)水管

引水進(jìn)水管采用2根DN1500鋼管，將水引至取水泵房。根據(jù)引水管的埋深要求，采用部分水下開挖、部分陸上開挖及部分頂管相結(jié)合方式進(jìn)行施工，管頂覆土不小于1.0m。管道在水下部分，采用開槽浮運(yùn)、沉管、拋石護(hù)管埋設(shè)施工；管道穿越已建外環(huán)北路時，擬采用頂管施工埋設(shè)管道。

11 結(jié)語

根據(jù)石塘湖基本情況、水文特性、可勢演變，對取水點(diǎn)、取水頭部等進(jìn)行比選論證，同時結(jié)合石塘湖本身的特點(diǎn)，對取水工程設(shè)計和施工方式進(jìn)行了比選分析，最終選擇了江心式箱涵取水頭部、自流管固定式取水方案、湖心圍堰施工方式等，為該工程的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)，對類似湖泊型取水工程建設(shè)具有一定的參考意義。