尚義縣大青溝水廠集中供水工程分區(qū)供水方案分析

沈麗妍

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，天津 300250）

1 工程背景［1］

尚義縣位于河北省西北部，內(nèi)蒙古高原南面，東與張北縣接壤，南以長(zhǎng)城為界，與山西天鎮(zhèn)、河北懷安、萬(wàn)全各縣相鄰，西部、北部與內(nèi)蒙古商都、興和縣交界。受水文地質(zhì)條件限制，項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀供水以單村和分散式供水為主， 地下水源大多是高氟水、 苦咸水。 受水源條件限制，部分工程設(shè)施老化、群眾生活需求標(biāo)準(zhǔn)提升等因素影響， 農(nóng)村飲水安全呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性、階段性、難鞏固、易反復(fù)的特點(diǎn)。實(shí)施大青溝水廠集中供水工程， 是整合項(xiàng)目區(qū)從分散到集中供水安全的鞏固與提升，也是落實(shí)省委、省政府打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要保障措施。 新建大青溝集中供水工程對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化處理，再由水廠向各個(gè)村莊供水，能夠改善村鎮(zhèn)飲水水質(zhì)保證供水安全。

2 工程范圍與規(guī)模

尚義縣大青溝水廠集中供水工程共涉及大蘇計(jì)鄉(xiāng)、大營(yíng)盤鄉(xiāng)、大青溝鎮(zhèn)及三工地鎮(zhèn)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，141個(gè)村，46280人。

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)年：2016年； 遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水平年2031年。根據(jù)SL310—2019《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》［2］規(guī)定，工程供水規(guī)模應(yīng)根據(jù)最高日居民生活用水量、 公共建筑用水量、飼養(yǎng)畜禽用水量、企業(yè)用水量、澆灑道路和綠地用水量、消防用水量、管網(wǎng)漏失水量和未預(yù)見(jiàn)用水量等總和確定。結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際用水情況，項(xiàng)目區(qū)最高日居民生活用水定額為： 一般村莊衛(wèi)生設(shè)施較少取50L/p·d；大蘇計(jì)、大營(yíng)盤及大青溝樓房處衛(wèi)生設(shè)施較齊全取80L/p·d，最終確定大青溝水廠最高日用水量3922.36m3/d，水廠規(guī)模設(shè)計(jì)4000m3/d。

3 工程管材確定

為確保供水安全，目前管道設(shè)計(jì)一般采用球墨鑄鐵管（DIP）、焊接鋼管（SP）、鋼塑復(fù)合管、聚乙烯管（PE）、加筋聚乙烯PE管和抗沖抗壓雙軸取向聚氯乙烯管（PVC-O）［3］。 通過(guò)對(duì)上述幾種管材優(yōu)缺點(diǎn)的比選，并結(jié)合大青溝水廠工程區(qū)位于山區(qū)的特點(diǎn)， 綜合考慮確定重力自流配水管道采用PVC-O管材， 泵站加壓配水管道采用加筋聚乙烯PE管。PVC-O管材采用承插連接，加筋聚乙烯PE管采用熱熔連接， 普通地段管材壓力等級(jí)采用1.0MPa，穿越位置壓力等級(jí)采用1.25MPa。

4 工程供水方案

4.1 供水分區(qū)方案確定

給水工程設(shè)計(jì)目的是為了選擇以最低基建投資和最少年經(jīng)營(yíng)費(fèi)來(lái)滿足用戶用水要求的方案。 確定何種工程方案最優(yōu)， 應(yīng)根據(jù)各方案的基建投資和年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

本工程供水范圍地形多為山區(qū)， 大青溝水廠廠區(qū)設(shè)計(jì)地坪為1374.5m，供水村莊最低高程1281m，最高地面高程1383m，地形高差較大。 為有效利用地形高差產(chǎn)生的自由水頭， 節(jié)約水廠運(yùn)行成本， 降低能耗，本工程采用分區(qū)供水：即重力自流與泵站加壓［4］相結(jié)合的供水方式。初步確定供水方案：為保證最不利村莊村口自由水頭不低于16m，擬定以地面高程為界位于1340m及以下的村莊采用重力自流供水方式，地面高程高于1340m的村莊采用泵站加壓供水方式。

采用重力自流供水方式的村莊大致分布在大青溝鎮(zhèn)的西北方向，地勢(shì)較低。其中沿主線方向的小五村、 張科村和師家卜村的地面高程分別為1346.7，1351.1，1344.0m，均大于1340m，但這些村距離大青溝水廠較近，總水頭損失較小，經(jīng)計(jì)算入村自由水頭均滿足大于16m的要求，因此將小五村、張科村和師家卜村都劃分至重力自流配水系統(tǒng)中； 位于整個(gè)管網(wǎng)末端的大蘇計(jì)鄉(xiāng)（1330m）雖地勢(shì)不高，但距離大青溝水廠較遠(yuǎn)，經(jīng)水力計(jì)算，若要滿足大蘇計(jì)鄉(xiāng)入村自由水頭大于16m，則需要擴(kuò)大整個(gè)配水管網(wǎng)的管徑，管網(wǎng)流速［5］較低且工程投資較高，因此將大蘇計(jì)鄉(xiāng)劃分至泵站加壓配水系統(tǒng)中。 除小五村、 張科村、師家卜村和大蘇計(jì)外，其余地面高程小于1340m的供水村均列入重力自流配水系統(tǒng)中， 重力自流配水系統(tǒng)的供水范圍為60個(gè)自然村， 常住人口15861人，供水規(guī)模1246.49m3/d。

采用加壓供水方式的村莊分布在大青溝鎮(zhèn)的東南方向，地勢(shì)較高。 地面高程大于等于1340m的列入泵站加壓系統(tǒng)， 供水范圍為62個(gè)自然村， 常住人口29001人。 另外公家洼、囫圇房等9村、2271人均含在大青溝樓房3892人內(nèi)；位于管網(wǎng)下端的黑圪垯村、王油坊村、王油坊新村、西水泉、有德元、陳家村、任家村、謝家村、大白彥堡、小白彥堡村10個(gè)村莊3039人采用單村供水，暫不實(shí)施水源轉(zhuǎn)換，僅在附近預(yù)留接口1處，遠(yuǎn)期由大青溝水廠管網(wǎng)延伸統(tǒng)一供水。加壓區(qū)域供水涉及村莊共計(jì)72村，供水規(guī)模為2675.87m3/d。

4.2 水廠時(shí)變化系數(shù)確定

時(shí)變化系數(shù)確定應(yīng)根據(jù)各村鎮(zhèn)的供水規(guī)模、供水方式，生活用水和企業(yè)用水的條件、方式和比例，結(jié)合當(dāng)?shù)叵嗨乒┧こ痰淖罡呷展┧闆r綜合分析確定。 工程設(shè)計(jì)按照24h運(yùn)行，根據(jù)加壓區(qū)和自流區(qū)計(jì)算用水量，加壓區(qū)除1處預(yù)留高位水池接口時(shí)變化系數(shù)Kh=1.0外， 其他村莊Kh=2.0；自流區(qū)村莊時(shí)變化系數(shù)取Kh=2.15。

4.3 配水管網(wǎng)規(guī)模及水力計(jì)算

根據(jù)SL310—2019《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》，配水管網(wǎng)規(guī)模采用最高日最高時(shí)流量進(jìn)行設(shè)計(jì)， 通過(guò)每個(gè)片區(qū)的設(shè)計(jì)用水量及對(duì)應(yīng)的時(shí)變化系數(shù)分別確定節(jié)點(diǎn)流量。

大青溝水廠配水管網(wǎng)整體設(shè)計(jì)為枝狀管網(wǎng)，采用海曾威廉公式［6］，按照最不利點(diǎn)校核進(jìn)行平差計(jì)算，計(jì)算溫度為13℃，局部損失系數(shù)取1.1，計(jì)算得最大管徑為De315，最小管徑為De75。 在正常運(yùn)行情況下，所有村節(jié)點(diǎn)的自由水頭均不小于16m， 自由水頭大于40m的村莊，需要在進(jìn)村前或配水管網(wǎng)中途設(shè)置減壓閥。

（1）管道總水頭損失。

式中 H為管道總水頭損失；hi為管道沿程水頭損失；hj為管道局部水頭損失。

（2）管道沿程水頭損失。

表1 全日供水工程的時(shí)變化系數(shù)

式中 q為設(shè)計(jì)流量（m3/s）；l為管段長(zhǎng)度（m）；Ch為海曾-威廉系數(shù)，加筋聚乙烯PE管取146.5，PVC-O管取145；d為管道計(jì)算內(nèi)徑（m）。

（3）管道局部水頭損失。

式中 Hj為管道局部水頭；ξ為局部水頭損失系數(shù)；v為平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

設(shè)計(jì)局部水頭損失取沿程水頭損失的10%計(jì)算。

4.4 事故連通管設(shè)計(jì)

大青溝水廠配水管網(wǎng)分為重力自流區(qū)和泵站加壓區(qū)，正常供水時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立供水。 為保證供水安全，在重力自流配水系統(tǒng)和泵站加壓配水系統(tǒng)之間設(shè)置3處連通管道， 當(dāng)重力自流管線某段主線損壞時(shí)，將附近的連通管打開(kāi)，可實(shí)現(xiàn)部分管段由加壓系統(tǒng)向重力自流系統(tǒng)供水，避免整個(gè)重力自流系統(tǒng)斷水。

5 結(jié)語(yǔ)

供水工程方案選擇中， 在保證給水管道輸水暢通、運(yùn)行可靠的前提下，經(jīng)濟(jì)合理的方案尤為重要。從節(jié)約能源、 減少永久占地及基建投資和年運(yùn)行費(fèi)用之和最小等角度考慮， 若重力自流供水方案能滿足工程設(shè)計(jì)，則優(yōu)先選擇重力自流方案，否則采取泵站加壓或自流與泵站加壓聯(lián)合供水方案。 工程實(shí)施運(yùn)行2年來(lái)，供水效果滿足設(shè)計(jì)要求。