臨高縣供水需求預(yù)測及輸水管道設(shè)計研究

豐 威

(廣東省水利水電建設(shè)有限公司，廣州 510000)

1 概 述

如今，城市供水系統(tǒng)的規(guī)模和覆蓋面不斷在擴(kuò)大和深入，但在城市周邊的縣區(qū)和農(nóng)村普遍面臨市政建設(shè)起步晚、缺少完整的集中式供水設(shè)施、用水困難等問題。針對用水缺、供水難的問題，非常有必要進(jìn)行前瞻性的區(qū)域供水規(guī)劃和落到實處的供水工程建設(shè)，以保障臨城鎮(zhèn)居民的用水需求。大量學(xué)者針對臨城鎮(zhèn)地區(qū)的供水工程設(shè)計方法與技術(shù)[1-3]、供水需求預(yù)測和管理[4-6]、供水工程施工組織和質(zhì)量管控[7]以及供水安全風(fēng)險評估[8]等展開了相關(guān)研究工作。

臨高縣位于海南島西北部，隨著該縣建設(shè)步伐加快、需水量的不斷增加以及水質(zhì)要求的提高，臨高縣正著力建設(shè)縣城主城區(qū)、馬裊灣海濱國際旅游區(qū)等經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能重點區(qū)域。但這些區(qū)域均未有集中供水設(shè)施，現(xiàn)有臨城水廠取水口位于縣城附近的多蓮村，取水點被居民生活區(qū)包圍，受上游環(huán)境污染影響，水質(zhì)日益惡化。因此，必須盡快實施水廠取水水源點的遷移、水廠水量的擴(kuò)容以及配水管網(wǎng)的完善等供水設(shè)施的建設(shè)，解決當(dāng)?shù)鼐用竦挠盟枨?、飲水安全?/p>

本文以臨高縣供水工程為研究背景，在深入分析城市供水現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上， 以臨高縣總規(guī)劃確定的人口規(guī)模、工業(yè)產(chǎn)值等數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用分類指標(biāo)預(yù)測法對當(dāng)?shù)氐男杷窟M(jìn)行預(yù)測和論證，并根據(jù)該地區(qū)供需水工程規(guī)模，對輸水工程的水量規(guī)模及管道設(shè)計進(jìn)行研究分析，以期為臨城鎮(zhèn)地區(qū)供水需求預(yù)測和工程管道布設(shè)提供參考。

2 工程概況

臨高縣位于海南島西北部，東鄰澄邁縣，西南與儋州市接壤，北瀕瓊州海峽。本工程為臨高縣新建供水工程，供水范圍包括臨高縣臨城鎮(zhèn)、博厚鎮(zhèn)、臨高角風(fēng)景區(qū)、 臨高縣金牌港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、馬裊灣濱海國際旅游區(qū)，項目主要建設(shè)內(nèi)容和規(guī)模分為4部分：

1) 取水工程：本工程供水水源選在堯龍水庫，取水口位于堯龍水庫溢洪道東北側(cè)，距溢洪道約260 m，距水庫大壩左岸約75 m處。取水口出水口下緣距河床底部0.5 m。工程近期2020年取水規(guī)模10.4×104m3/d，年取水量為3 778×104m3；遠(yuǎn)期2030年取水規(guī)模17.8×104m3/d，年取水量為6 497×104m3。 取水方式采用河床式自流管取水，取水頭部為箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2) 輸水工程：堯龍水庫至濱海水廠原水輸水管線，按遠(yuǎn)期(2030年)15.5×104m3/d雙管平行敷設(shè)，管線全長 52.3 km；至臨城水廠原水輸水管線，按遠(yuǎn)期(2030 年)5.0×104m3/d雙管平行敷設(shè)，管長3.53 km。

3) 凈水廠工程：臨城水廠擴(kuò)建供水規(guī)模為1.0×104m3/d；濱海水廠建設(shè)規(guī)模近期(2020年)為5.0×104m3/d，遠(yuǎn)期(2030年)為10.0×104m3/d。

4) 清水配水工程：濱海水廠配水主干管線長 29.34 km，采用管徑分別為DN800球墨鑄鐵管/DN350PE管和DN400PE管。

3 供水現(xiàn)狀及存在問題

3.1 供水現(xiàn)狀

臨城鎮(zhèn)現(xiàn)有臨城水廠一座，原水水源為文瀾江。 臨城水廠分一二期建設(shè)，總供水規(guī)模為3×104m3/d。水廠一二期工程均采用網(wǎng)格絮凝池+斜管沉淀池+雙閥濾池+送水泵房的水處理工藝?，F(xiàn)狀管徑為 DN100～DN800，其中DN200以上管網(wǎng)總長約30 km。

波蓮鎮(zhèn)、東英鎮(zhèn)、博厚鎮(zhèn)、調(diào)樓鎮(zhèn)和新盈鎮(zhèn)目前僅有小型供水設(shè)施，臨高角風(fēng)景區(qū)目前沒有集中供水設(shè)施，村民主要靠自打機(jī)井，抽取淺層地下水或者地表水直接飲水。金牌港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)規(guī)劃區(qū)、馬裊灣濱海國際旅游區(qū)規(guī)劃區(qū)處于初期開發(fā)建設(shè)階段，區(qū)內(nèi)無凈水廠及其他較為完善的集中供水設(shè)施和供水管線，現(xiàn)狀飲用水主要為抽取淺層地下水。

3.2 供水問題

1) 隨著臨城鎮(zhèn)城市規(guī)劃的市域面積擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)大發(fā)展，人口增加，現(xiàn)水廠供水量已不能滿足臨城鎮(zhèn)需求。周邊城鎮(zhèn)因為市政建設(shè)起步晚、資金短缺，目前鎮(zhèn)內(nèi)無完整的集中式供水設(shè)施，用水困難。

2) 臨城水廠取水口位于縣城附近的多蓮村，取水點被居民生活區(qū)包圍，現(xiàn)有取水口處水質(zhì)受上游環(huán)境污染影響，水質(zhì)日益惡化。對多蓮村取水口 2013、2014年不同月份水質(zhì)的檢測結(jié)果見表1。

表1 多蓮取水口觀測點觀測值 /mg·L-1

根據(jù)表1可知，2013、2014年不同月份觀測值中，多蓮取水口點總氮(1.41～2.49 mg/L)、鉛(0.23～2.39 mg/L)均超過了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)限值1.0 mg/L和0.05 mg/L；鐵(0.47～0.48 mg/L)超過了集中式生活飲用水地表水源地補充項目標(biāo)準(zhǔn)限值0.3 mg/L；2013年糞大腸菌群(18 000～54 000個/L)超過了標(biāo)準(zhǔn)限值10 000個/L，已降為地表水Ⅳ指標(biāo)值，不宜繼續(xù)作為飲用水水源。本次設(shè)計擬將臨城水廠取水點遷移至堯龍水庫。

3) 周邊城鎮(zhèn)由于鎮(zhèn)內(nèi)無完整的供水設(shè)施，村民多靠自打機(jī)井，抽取淺層地下水或地表水，水質(zhì)不能得到保障。淺層地下水水量小，受季節(jié)影響大，每年干旱季節(jié)不僅井水量很小，甚至干枯。

4) 處于初期開發(fā)建設(shè)階段的工業(yè)區(qū)、開發(fā)區(qū)、創(chuàng)業(yè)園區(qū)等無完善的集中式供水設(shè)施，勢必制約著開發(fā)建設(shè)的發(fā)展。

4 供水需求預(yù)測及輸水規(guī)模

本次預(yù)測主要以相應(yīng)規(guī)劃成果為依據(jù)。需水量參照《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB5 0282-2016)，以 2020年為近期規(guī)劃水平年，2030 年為遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年，按分類指標(biāo)法進(jìn)行預(yù)測。

4.1 需水量預(yù)測

本項目供水范圍為臨城鎮(zhèn)區(qū)、臨城鎮(zhèn)周邊農(nóng)村和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村、臨高角風(fēng)景區(qū)、金牌港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和馬裊灣濱海國際旅游區(qū)5個部分?，F(xiàn)以臨城鎮(zhèn)區(qū)為例進(jìn)行需水量預(yù)測。

臨城鎮(zhèn)區(qū)需水量涉及綜合生活用水量、工業(yè)企業(yè)用水量、澆灑道路及綠地用水、未預(yù)見用水量及管網(wǎng)漏失水量和消防用水量5個方面。其中：

1) 綜合生活用水量。用水量指標(biāo)采用《室外給水設(shè)計規(guī)范》(GB 50013-2006)最高日用水指標(biāo)采用 220～370 L/人·d，根據(jù)臨高縣城經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)和居民收入較低的狀況，其綜合生活用水量預(yù)測見表2。

表2 臨城鎮(zhèn)區(qū)綜合生活用水量預(yù)測表

2) 工業(yè)企業(yè)用水量。根據(jù)《臨高縣臨城鎮(zhèn)總體規(guī)劃修編》(2005-2020)提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2005年臨高縣工業(yè)產(chǎn)值約為47 290萬元，年均增長7.0%。以工業(yè)產(chǎn)值7.0%的速度增長，則2020和2030年工業(yè)產(chǎn)值分別為130 474.6、256 663.3萬元。見表3。

表3 臨城鎮(zhèn)區(qū)工業(yè)用水量預(yù)測表

3) 澆灑道路及綠地用水。2005年和近期(2020年)臨高縣城建設(shè)用地分別為1 866.57和2 754.98 hm2，其中道路用地分別為59.82和110.65 hm2，公共綠地分別為78和184 hm2。由此可推算，遠(yuǎn)期2030年規(guī)劃建設(shè)用地4 075.70 hm2，道路用地137.55 hm2，公共綠地面積247.28 hm2。澆灑綠化澆水用水量可按澆灑面積以1.0～3.0 L/(m2·d)計算。見表4。

表4 臨城鎮(zhèn)區(qū)澆灑道路及綠地用水量預(yù)測表

4) 未預(yù)見用水量及管網(wǎng)漏失水量。按照《室外給水設(shè)計規(guī)范》(GB 50013-2006)，城鎮(zhèn)的管網(wǎng)漏損水量可按綜合生活用水量、工業(yè)企業(yè)用水量、澆灑道路及綠地用水量之和的10%～12%計算；未預(yù)見用水量可按綜合生活用水量、工業(yè)企業(yè)用水量、澆灑道路及綠地用水量、管網(wǎng)漏失水量之和的8%～12%計算，本項目分別取10%及8%。

5) 消防用水量。供水主干管的供水能力完全能滿足消防用水量的要求。

綜上，臨高縣臨城鎮(zhèn)區(qū)用水量預(yù)測見表5。

表5 臨城鎮(zhèn)區(qū)用水量預(yù)測表

綜合以上規(guī)劃成果和相應(yīng)評價指標(biāo)預(yù)測，臨高縣總水量預(yù)測匯總見表6。

表6 臨高縣總水量預(yù)測表

4.2 輸水規(guī)模確定

經(jīng)上述水量預(yù)測，本次項目近期2020年供水規(guī)模約為9×104m3/d，遠(yuǎn)期2030年供水規(guī)模約為15×104m3/d。取水水源擬選自堯龍水庫，考慮10%的管網(wǎng)漏損率和5%的廠區(qū)自用水，本項目遠(yuǎn)期原水取水量為17.25×104m3/d。為保障臨高縣加來農(nóng)場飲水安全工程項目取水量的穩(wěn)定性，本次項目取水量包含加來農(nóng)場飲水安全工程項目中的原水取水量5 500 m3/d，遠(yuǎn)期總?cè)∷繛?7.80×104m3/d。

臨城水廠主要負(fù)責(zé)臨城鎮(zhèn)及臨城鎮(zhèn)周邊農(nóng)村的供水服務(wù)，2020年臨城鎮(zhèn)及臨城鎮(zhèn)周邊農(nóng)村的需水量為37 860.32 m3/d；2030年需水量為49 967.85 m3/d。濱海水廠主要負(fù)責(zé)博厚鎮(zhèn)及其鎮(zhèn)周邊農(nóng)村、臨高角風(fēng)景區(qū)、金牌港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、馬裊灣濱海國際旅游區(qū)的供水服務(wù)。2020年各用水區(qū)域需水總量為50 073.51 m3/d；2030年需水總量為95 236.50 m3/d。

5 輸水管道設(shè)計

根據(jù)工程輸水規(guī)模，結(jié)合輸水管線沿途地形標(biāo)高和管線的水力坡降，本次原水輸送系統(tǒng)擬采用重力流方式。取水點至臨城水廠和濱海水廠原水輸水管線采用雙管平行敷設(shè)，為保證輸水管任一段發(fā)生故障時仍能滿足設(shè)計水量的70%輸水，平行敷設(shè)的兩條管線沿途設(shè)置連通管道，確保輸送的穩(wěn)定及安全性。堯龍水庫至濱海水廠原水輸水管線，按遠(yuǎn)期(2030年)15.5×104m3/d敷設(shè)，管線全長 52.3 km；至臨城水廠原水輸水管線，按遠(yuǎn)期(2030年)5.0×104m3/d敷設(shè)，管長3.53 km。

5.1 原水輸水管線方案

根據(jù)技術(shù)條件，本工程原水輸水管線方案為：堯龍水庫-加來-分水點-兩路管道向濱海、臨城水廠。其中：① 堯龍水庫-加來：2×DN1400重力輸水，流量7 427 m3/h，L=18 322 m；②加來-分水點：2×DN1200重力輸水，流量7 187.5 m3/h，L=19 300 m；③分水點-臨城水廠：2×DN700重力輸水，流量2 396 m3/h，L=3 556 m；④分水點-濱海水廠：2×DN1000重力輸水，流量4 792 m3/h，L=14 487 m。

5.2 輸水管道管材選擇

輸水干管的管材常選擇鋼管(SP)、球墨鑄鐵管(DIP)、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼壓力管(PCCP)以及玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管(RPMP)，管材比較見表7。

表7 輸水干管管材比較表

綜合以上比較，為保證供水安全，管材質(zhì)量要求高。同時通過管徑核算，輸水管道管徑為DN 700～DN 1 400 mm，屬于球墨鑄鐵管的經(jīng)濟(jì)口徑范疇。因此，配水管道主要管材選擇采用球墨鑄鐵管，在穿越障礙物的特殊地段、架空以及有垂直下翻頂管方式時采用焊接鋼管，并加強(qiáng)防腐。

5.3 綜合水錘防護(hù)系統(tǒng)

水錘是造成輸水系統(tǒng)破壞的主要原因。為解決停泵水錘、關(guān)閥水錘以及進(jìn)排氣不暢對管道可能造成的破壞，在設(shè)計中分別采用在各泵站水泵出口處設(shè)置蓄能液壓緩閉蝶閥、在出水管線上設(shè)置壓力波預(yù)止閥、在輸水管線設(shè)置空氣閥3種措施。

本工程地形復(fù)雜，特別是輸水前段地形起伏較大。為保證輸水管道安全并增加供水安全性，參考同類供水工程，本工程在末端各水廠采用調(diào)流調(diào)壓閥+穩(wěn)壓池配水方式，并結(jié)合先進(jìn)的水錘防護(hù)措施，這樣一方面保證了輸水管道的壓力和輸水安全，同時可減輕主干管由于受各用水區(qū)用水的波動而產(chǎn)生高壓水錘。

5.4 管線穩(wěn)態(tài)水力分析

項目輸水為重力輸水，從堯龍水庫取水，向加來、臨城水廠供水，全程管道密閉重力輸水。參考長距離輸水管線末端調(diào)節(jié)閥水擊控制理想特性理論，所有末端調(diào)節(jié)閥均采用等百分比特性，即在濱海水廠進(jìn)廠設(shè)置2×DN 1 000的活塞式調(diào)流閥；在臨城水廠進(jìn)廠設(shè)置2×DN700的活塞式調(diào)流閥?，F(xiàn)采用海曾威廉公式對工程輸水方案進(jìn)行管線穩(wěn)態(tài)水力計算，共設(shè)置3種工況，計算結(jié)果如下：

1)H=103.8 m ，C=125+15%局損+額定流量工況(常水位，額定流量)，見圖1-圖2。

圖1 濱海管線穩(wěn)態(tài)水力坡度線

圖2 臨城管線穩(wěn)態(tài)水力坡度線

2)H=106 m，C=130+10%局損+最小流量工況(高水位，小流量)，見圖3-圖4。

圖3 濱海管線穩(wěn)態(tài)水力坡度線

圖4 臨城管線穩(wěn)態(tài)水力坡度線

3)H=90.2 m ，C=120+20%局損+額定流量工況(低水位，大流量)，見圖5-圖6。

圖5 濱海管線穩(wěn)態(tài)水力坡度線

圖6 臨城管線穩(wěn)態(tài)水力坡度線

堯龍水庫至濱海水廠：該輸水管線遠(yuǎn)期總輸水量為17.80×104m3/d(考慮10%管網(wǎng)漏失率，5%水廠自用水量)，兩條管線同時運行工況下，單條輸水管線輸水量為1.030 m3/s，流速0.60～1.65 m/s。管線設(shè)計總水頭損失約為46 m。不利工況下，當(dāng)輸水管任一段發(fā)生故障時，另一段仍能滿足設(shè)計水量的70%輸水，管線輸水量為1.435 m3/s，流速0.78～2.30 m/s。管線總水頭損失約為52.2 m。

堯龍水庫至臨城水廠：該輸水管線遠(yuǎn)期總輸水量為5.75×104m3/d，兩條管線同時運行工況下，單條輸水管線輸水量為0.33 m3/s，流速1.12～1.60 m/s。管線總水頭損失約為13.0 m。不利工況下，當(dāng)輸水管線任一段發(fā)生故障時，另一段仍能滿足設(shè)計水量的70%輸水，輸水管線事故流量為0.466 m3/s，流速1.57～2.20 m/s。管線總水頭損失約為22.6 m。

由以上穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果可以看出，濱海水廠設(shè)置2×DN 1 000、臨城水廠設(shè)置2×DN700的活塞式調(diào)流閥是合適的。

6 結(jié) 論

本文以臨高縣供水工程為研究背景，采用分類指標(biāo)預(yù)測法對當(dāng)?shù)氐男杷窟M(jìn)行預(yù)測和論證。本次項目近期2020年供水規(guī)模約為9×104m3/d，遠(yuǎn)期2030年供水規(guī)模約為15×104m3/d。

工程輸水管線為：堯龍水庫-加來-分水點-兩路管道向濱海、臨城水廠。輸水方案設(shè)計為堯龍水庫至濱海水廠原水輸水管線，按遠(yuǎn)期(2030年)15.5×104m3/d 雙管平行敷設(shè)，管徑 DN500～D700球墨鑄鐵管，管線全長52.3 km；至臨城水廠原水輸水管線，按遠(yuǎn)期(2030年)5.0×104m3/d 雙管平行敷設(shè)，管徑 DN500～DN600球墨鑄鐵管，管長3.53 km。在末端，各水廠采用調(diào)流調(diào)壓閥+穩(wěn)壓池配水方式，并結(jié)合先進(jìn)的水錘防護(hù)措施。采用海曾威廉公式對工程輸水方案進(jìn)行管線穩(wěn)態(tài)水力計算，驗證輸水方案有效、可行。

本文針對輸水工程的綜合水錘防護(hù)系統(tǒng)、水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)研究較淺，后續(xù)應(yīng)該進(jìn)行專項設(shè)計論證，以檢驗方案的合理性。