衡水濱湖新區(qū)地下水超采綜合治理工程輸水管線設(shè)計(jì)

王明 趙琳 史忠偉

1 工程背景

衡水市濱湖新區(qū)處于冀棗衡最大漏斗區(qū)的中心，因?yàn)檫^量開采地下深層淡水，超過了水資源的補(bǔ)給能力，使得區(qū)域內(nèi)地下水位持續(xù)下降，形成了地下水漏斗，引發(fā)地下水水質(zhì)惡化，咸淡水界面下降，出現(xiàn)了地面沉降等一系列環(huán)境地質(zhì)問題，同時(shí)造成地下水開發(fā)難度不斷加大。全區(qū)地下水位以每年1.7 m左右的速度下降，濱湖新區(qū)漏斗中心水位埋深由1972年的15.92 m增大到2008年的85.21 m，目前深度仍在繼續(xù)增加。為了改善地下水超采引起的一系列不良環(huán)境、地質(zhì)影響，擬用南水北調(diào)水源置換濱湖新區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中供水站的地下水水源，減少地下水開采，節(jié)約和保護(hù)地下水資源。

2 總體設(shè)計(jì)思路

衡水地下水超采綜合治理項(xiàng)目是在全面實(shí)施地表水替代地下水的背景下產(chǎn)生的。利用南水北調(diào)凈水廠水源（南水北調(diào)工程分水指標(biāo)），置換現(xiàn)有地下水飲用水源。建設(shè)內(nèi)容包括泵站、水量計(jì)量設(shè)施、鋪設(shè)管網(wǎng)及附屬設(shè)施。通過項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)凈水廠向農(nóng)村供水的同時(shí)，有效合理利用南水北調(diào)工程分水指標(biāo)，解決了設(shè)計(jì)水平年（2030年）魏屯鎮(zhèn)、彭杜鄉(xiāng)、鄧莊鄉(xiāng)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)67個(gè)村92 260人（含3座萬人中學(xué)師生33 000人）用水問題。項(xiàng)目置換地下水，關(guān)停機(jī)井54眼，到2030年可壓采地下水237.7萬m3。取水泵站位于西婁家疃南水北調(diào)水廠附近，輸水管線向南主線至魏屯鎮(zhèn)，沿途經(jīng)中干渠，橫三路與縱一路相交處，往南至曹家莊；向北主線先跨越中干渠，沿橫三路至南辛莊村以南后向北穿越橫二路、橫一路后往東至彭杜鄉(xiāng)彭杜鄉(xiāng)第四供水站。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)流量確定

衡水地下水超采綜合治理項(xiàng)目加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)各村配水支管與各村原有供水管路的總管相連，中間不設(shè)調(diào)節(jié)池，因此，由加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)供水管路設(shè)計(jì)流量按照最高日最高時(shí)用水量確定。加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站輸水管道將南水北調(diào)水廠清水池的水輸送至彭杜鄉(xiāng)第四供水站蓄水池，且彭杜鄉(xiāng)第四供水站蓄水池容積滿足彭杜鄉(xiāng)用水總量的調(diào)節(jié)需求，等同于在供水線路上設(shè)有調(diào)節(jié)水池，因此，由加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站管路設(shè)計(jì)流量按照最高日平均時(shí)用水量確定。見表1。

表1 供水管道設(shè)計(jì)流量表

3.2 設(shè)計(jì)流速選擇

工程輸水線路采用PE管方案，其經(jīng)濟(jì)管徑的選擇直接影響到工程建成以后的運(yùn)行狀況和工程總費(fèi)用。在輸水流量一定的情況下，管內(nèi)流速與管徑的平方成反比。管徑越大，管內(nèi)流速越小，水頭損失也越小，泵站的相關(guān)投資及運(yùn)行費(fèi)用就越低，但管道的建設(shè)投資則越大；反之，管徑越小，管內(nèi)流速越大，水頭損失也就越大，泵站的相關(guān)投資及運(yùn)行費(fèi)用越高，但管道的建設(shè)投資則越小。因此，最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)是將管道工程投資、加壓泵站建設(shè)投資及年總經(jīng)營費(fèi)用（如電費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)、維護(hù)管理費(fèi)、貸款利息等）綜合分析，找出設(shè)計(jì)流量下總費(fèi)用最小的管道口徑，即經(jīng)濟(jì)管徑。

輸水管道的設(shè)計(jì)流速宜采用經(jīng)濟(jì)流速，不宜大于2.0 m/s，結(jié)合確定的經(jīng)濟(jì)流速及規(guī)范要求，經(jīng)比選以1.058 m/s為主管路設(shè)計(jì)控制流速。

3.3 管徑的確定

除加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水主管進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析外，供水管路管徑的確定還應(yīng)依據(jù)相關(guān)水力計(jì)算比較確定，計(jì)算過程包括以經(jīng)濟(jì)流速為控制條件進(jìn)行的管徑計(jì)算及相應(yīng)管徑條件下的沿程水損計(jì)算，經(jīng)對比分析，確定合理流速范圍內(nèi)的最優(yōu)管徑。3.3.1 管徑計(jì)算采用經(jīng)濟(jì)流速確定供水管道的管徑，計(jì)算公式為：

式中D——管道的經(jīng)濟(jì)管徑，mm；

Q——管道的設(shè)計(jì)流量，m3/h；

v——管道的設(shè)計(jì)流速，m/s。

3.3.2 沿程水損計(jì)算公式

（1）沿程沿程水損的計(jì)算公式為：

式中hl—沿程沿程水損，m；

L——計(jì)算管段的長度，m；

i——單位管長沿程水損，m/m。

（2）單位管長沿程水損的計(jì)算公式為：

式中Q——管段流量，m3/s；

C——海澄·威廉系數(shù)，PE管道為140；

d—管道內(nèi)徑，m。

局部水頭損失按沿程損失的10%計(jì)算。

加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水管道設(shè)計(jì)流量274.2 m3/h，以1.058 m/s為設(shè)計(jì)流速，使用管徑計(jì)算公式進(jìn)行初步計(jì)算，所得管道內(nèi)徑Din為314 mm，相應(yīng)管道外徑應(yīng)為368 mm，需要選擇PE管道的公稱外徑為DN400。以DN400管徑為基準(zhǔn)，進(jìn)行不同外徑規(guī)格管道的流速和沿程水損計(jì)算，詳見表2。

表2 彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水干管管徑、流速及相應(yīng)沿程水損比較

通過上表的計(jì)算可以看出，以公稱直徑為DN400的管道進(jìn)行計(jì)算，所得流速為0.834 m/s，該流速比選定的流速小，因此，將該段管路管徑調(diào)整為DN355，使用DN355規(guī)格管道能夠滿足流速控制條件。據(jù)此，最終確定加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水管道管徑為DN355。加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)各村供水主管路管徑的確定同以上方法，確定加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)供水主管道公稱直徑為DN280。

3.4 供水泵出口壓力的確定

加壓泵站水泵出口壓力計(jì)算由最不利管線的沿程水頭損失、局部水頭損失、最不利點(diǎn)服務(wù)水頭及最不利管線首尾兩端高程差來計(jì)算供水泵的揚(yáng)程。加壓泵站向彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水線路為1條DN355規(guī)格的PE給水管，管道總長9 720 m，供水量為274.2 m3/h。加壓泵站出口中心高程為20.0 m，彭杜鄉(xiāng)第四供水站蓄水調(diào)節(jié)池進(jìn)水口高程為21.6 m，則供水線路始末兩端高差為1.60 m。以該管線的沿程、局部水頭損失、服務(wù)水頭及管線首尾兩端高程差計(jì)算水泵揚(yáng)程，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 第四供水站供水線路水力計(jì)算表 mm

加壓泵向彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水線路供水泵揚(yáng)程應(yīng)為上表中沿程損失、局部損失、服務(wù)水頭及幾何高差之和：

由以上計(jì)算結(jié)果可知，向彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水泵出口能提供的最小水壓力應(yīng)為46.35 m水頭。

3.5 管道壓力的確定

在給定水泵揚(yáng)程技術(shù)參數(shù)供水條件下，轄區(qū)內(nèi)26個(gè)村供水支管服務(wù)水頭均在19～34 m范圍內(nèi)，依據(jù)規(guī)范要求，用戶水龍頭最大凈水頭超過40 m時(shí)，才需采取減壓措施。因此，在現(xiàn)有供水壓力條件下，供水支管入戶管端可以不設(shè)減壓措施。經(jīng)計(jì)算，由加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)各村供水管路事故停泵時(shí)最大正壓力為72.57 m水頭，水泵正常工作時(shí)最大壓力為40 m；由加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水管路事故停泵時(shí)最大正壓力為69.99 m水頭，水泵正常工作時(shí)最大壓力為50 m水頭；因此供水管道最小承壓能力可采用0.80 MPa?？紤]城鎮(zhèn)遠(yuǎn)期發(fā)展，為保證村鎮(zhèn)供水管道的耐久性和供水安全性，確定管道承壓能力定為1.0 MPa。

4 結(jié) 語

衡水地下水超采綜合治理項(xiàng)目輸水工程用南水北調(diào)水源置換深層地下水，減少深層地下水開采，節(jié)約和保護(hù)地下水資源，工程設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，目前項(xiàng)目已竣工驗(yàn)收，向村鎮(zhèn)各需水戶供水運(yùn)行。