冬季農(nóng)村供水防凍實(shí)踐與思考

李亞龍，范琳琳，李 偉

（水利部長江水利委員會長江科學(xué)院，430010，武漢）

一、農(nóng)村供水冬季凍害問題與原因分析

1.冬季供水凍害問題表現(xiàn)

農(nóng)村供水工程凍害會出現(xiàn)在從水源到水龍頭的供水全過程中。一是水源凍結(jié)，取水口無法取水。二是蓄水池、清水池等構(gòu)筑物凍結(jié)，水池內(nèi)部水流不暢，影響凈水設(shè)施正常工作，導(dǎo)致水質(zhì)不達(dá)標(biāo)或出水管道不能正常供水。三是供水管道凍結(jié)，尤其是在晚間零度以下的低溫情況，管道內(nèi)部水流結(jié)冰，導(dǎo)致主管、支管、入戶管道不通水。四是管網(wǎng)附屬設(shè)施凍結(jié)，如管道沿線安裝的進(jìn)（排）氣閥、減壓閥、泄水閥、檢修閥等閥門凍結(jié)，使管道壓力、流量受到影響，直接威脅管道的安全運(yùn)行。五是供水末端水龍頭凍結(jié)，農(nóng)村用水戶取水設(shè)施多布置在戶外，冬季水龍頭凍結(jié)出現(xiàn)不通水的現(xiàn)象較為普遍。

2.農(nóng)村供水凍害分布特點(diǎn)

一般認(rèn)為冬季平均氣溫較低的高海拔和高緯度地區(qū)農(nóng)村供水工程容易發(fā)生凍害。這些地區(qū)通常包括我國特別寒冷的東北地區(qū)、華北地區(qū)，以及青藏高原等高海拔地區(qū)。東北地區(qū)冬季漫長氣候寒冷，冰凍時(shí)間一般為每年的11月至次年的4月底，華北地區(qū)冰凍時(shí)間一般為每年的12月至次年的2月。

近年來，隨著全球氣候變化，極端天氣增多增強(qiáng)，冬季氣溫驟降，對我國許多非傳統(tǒng)寒冷地區(qū)的冬季農(nóng)村供水造成了較大影響。根據(jù)凍土處于凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的不同，一般可分為短時(shí)凍土、季節(jié)性凍土以及多年凍土。在我國，季節(jié)性凍土分布范圍廣，約占國土面積的53.5%，主要分布在北緯30°以北地區(qū)。根據(jù)不同的凍土類型，我國可劃分為7個(gè)凍土分區(qū)，除我國最南部為非凍土區(qū)外，其他區(qū)域均有不同類型的凍土，若農(nóng)村供水管道埋深未達(dá)到凍土深以下，則會發(fā)生冬季凍害。如西北黃土地區(qū)，雖然黃土的保溫性能較好，但近年來極端天氣造成冬季氣溫低于常年，當(dāng)?shù)匾话愎艿缆裆钜巡蛔阋云鸬椒纼鲎饔?。又如部分南方地區(qū)，其農(nóng)村供水工程均遇到不同程度的冬季凍害。

3.冬季凍害原因分析

造成農(nóng)村供水工程水工建（構(gòu)）筑物及管網(wǎng)結(jié)凍的原因可分為自然因素、工程體系因素和運(yùn)行管護(hù)因素。

自然因素可概括為氣候寒冷、冰凍期長、凍土層深、氣壓低等四個(gè)方面。在冬季氣溫低的條件下，供水建（構(gòu)）筑物在地基土凍脹作用、融沉作用下遭到破壞，管網(wǎng)則會因其中的水結(jié)冰而凍裂。通常供水工程的建筑物基礎(chǔ)與凍土膠結(jié)在一起，凍土對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生凍脹力，當(dāng)凍脹力足以造成建筑物變形或喪失穩(wěn)定性時(shí)，建筑物便會產(chǎn)生凍脹破壞，這是低溫下凍土區(qū)水工建筑物遭受凍脹破壞的主要原因。此外，凍土在春季消融時(shí)，土體強(qiáng)度降低，水工建筑物基礎(chǔ)滑動或塌陷，砌體隆起、開裂、滑動和塌陷，造成破壞。在歷年凍融循環(huán)及寒凍風(fēng)化作用下，供水主管凍裂及水工建筑物也會加速老化甚至破壞。

工程體系因素主要有設(shè)計(jì)不合理、施工不規(guī)范、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低等，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。設(shè)計(jì)時(shí)不結(jié)合凍土區(qū)客觀實(shí)際情況，對地基土凍脹力的作用考慮不充分或不予考慮，同時(shí)又未采取防凍害辦法和措施，水工建筑物在地基土凍脹力作用下喪失穩(wěn)定性而受到破壞。在未充分考慮極端氣候條件的情況下，設(shè)計(jì)水工建筑物混凝土的配合比、水灰比過高或混凝土標(biāo)號過低，輸（配）水主管埋深不夠等，均會造成農(nóng)村供水工程水工建筑物凍害和水管凍裂。施工不規(guī)范也會造成水工建筑物凍害破壞，如施工時(shí)灌漿不滿、墻背不勾縫不平整，混凝土建筑物振搗不密實(shí)，形成蜂窩、麻面，冬季寒冷時(shí)容易形成冰楔或掛霜結(jié)露，會引起不規(guī)則裂縫或水平裂縫。此外，部分農(nóng)村供水工程使用的建材與管材標(biāo)準(zhǔn)低，冬季防凍保暖作用不明顯。

運(yùn)行管護(hù)因素主要體現(xiàn)在老舊工程年久失修、重建輕管突出、管護(hù)人員缺乏、管護(hù)能力薄弱、管護(hù)資金缺乏等方面。各地防凍災(zāi)應(yīng)急機(jī)制不完善，冬季低溫條件下對工程的日常巡查不到位，缺乏充足的管護(hù)人員與經(jīng)費(fèi)，工程防凍有關(guān)的規(guī)范制度不到位，往往會造成農(nóng)村供水工程凍災(zāi)損失的擴(kuò)大。

二、農(nóng)村供水防凍實(shí)踐

1.傳統(tǒng)防凍技術(shù)實(shí)踐

針對冬季供水設(shè)施易凍結(jié)問題，從水源到水龍頭的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各地在實(shí)踐中總結(jié)了一些因地制宜的防凍措施。

（1）蓄水池等建（構(gòu)）筑物防凍

為防止取水口凍結(jié)導(dǎo)致無法正常取用水，經(jīng)常采用將蓄水池、清水池的墻壁加厚設(shè)計(jì)，或采取增加保溫層、加厚覆土層等措施，保證水源水的流動。

（2）凈化消毒設(shè)備防凍

一般將電氣控制設(shè)備安裝在室內(nèi)，采用火爐或鍋爐取暖。室外的混凝池、沉淀池、過濾池等設(shè)施，可根據(jù)天氣情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)池內(nèi)水流的流速，防止池表面低溫結(jié)凍而影響水質(zhì)凈化效果。

（3）輸配水管網(wǎng)及管道附屬設(shè)施防凍

在工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮當(dāng)?shù)貎鐾辽?，一般將輸配水管道敷設(shè)在凍土層以下來防止管道凍結(jié)。管道工程注重“兩頭暖、中間深”的做法，即水源工程和入戶水龍頭做好保暖措施，管道埋深在凍土層以下。而對于地下水水位較高的、巖石層開挖困難的地區(qū)，采取“淺埋+保溫材料+覆土”等防凍技術(shù)，布置在戶外的明管常采用舊衣服、舊棉絮、海綿、泡沫等材料包裹防凍；針對管道附屬設(shè)施，一般在夜晚將閥門打開，放空管道和閥體內(nèi)存水，以防閥體內(nèi)水結(jié)冰或閥門凍裂。

（4）末端供水設(shè)施防凍

布置在檢修井內(nèi)的水表采用裝填麥草袋、廢舊地膜等加強(qiáng)保溫，或在井蓋上覆蓋舊棉被、塑料布等材料保溫。戶外水龍頭一般用泡沫、海綿或舊衣物包裹防凍，有些地區(qū)為防止水龍頭凍結(jié)經(jīng)常將水龍頭打開，讓水保持流動，以此來保證用水。

2.新型防凍保暖技術(shù)與設(shè)備應(yīng)用

在部分寒冷地區(qū)，面對極寒天氣時(shí)，采用傳統(tǒng)防凍技術(shù)措施已無法滿足防凍要求，一些新型防凍材料與設(shè)備被應(yīng)用到供水設(shè)施的關(guān)鍵防凍環(huán)節(jié)。如在新疆阿克陶縣山區(qū)，深埋管道（設(shè)計(jì)埋深3 m）仍不能滿足防凍要求時(shí)，采用了電伴熱保溫措施（成本較高）或保溫材料（防腐層+絕熱層+防水層+保護(hù)層）對管道進(jìn)行保溫，在閥井的井內(nèi)外壁鋪設(shè)保溫苯板防止閥井內(nèi)凍脹，另針對戶外水龍頭設(shè)置防凍給水栓。西藏自治區(qū)采取了太陽能光伏供水技術(shù)模式、“機(jī)井+變頻柜+管網(wǎng)入戶”技術(shù)模式、“太陽能+機(jī)井”技術(shù)模式應(yīng)對冬季供水設(shè)施易凍結(jié)問題。四川省成都市引進(jìn)了一種適用于高寒地區(qū)供水工程的新型防凍水龍頭，該種水龍頭與傳統(tǒng)水龍頭相比，不僅能達(dá)到防凍要求，還配置了過濾裝置，能減少涉水疾病發(fā)病率，且采用了新技術(shù)，使用壽命較長。采用新型防凍材料與設(shè)備雖然能達(dá)到寒冷季節(jié)防凍要求，但與傳統(tǒng)防凍技術(shù)相比，其成本較高，在一些偏遠(yuǎn)山區(qū)或經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)未能廣泛推廣應(yīng)用。

3.農(nóng)村供水工程防凍管理現(xiàn)狀

根據(jù)各地農(nóng)村供水工程實(shí)際防凍情況來看，供水工程的防凍管理仍然存在很多問題，例如缺少專業(yè)的管護(hù)與維修人員、工程基礎(chǔ)設(shè)施損壞嚴(yán)重、工程的使用價(jià)值低下等情況。尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)，若管護(hù)人員落實(shí)職責(zé)不到位，工程無人巡查，很快就會凍結(jié)，山區(qū)農(nóng)村居民缺乏防凍技術(shù)知識，任意啟閉閥門井，經(jīng)常開關(guān)閥門，會導(dǎo)致冷空氣進(jìn)入閥井內(nèi)，凍壞水表、管道等情況，從而影響工程正常運(yùn)行。

此外，部分地區(qū)對防凍知識宣傳不到位，未面向管水員開展集中的防凍知識培訓(xùn)，從而造成供水設(shè)施凍損，影響居民取用水。

三、農(nóng)村供水工程冬季防凍建議與思考

經(jīng)過多年實(shí)踐、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和關(guān)鍵技術(shù)材料應(yīng)用等，解決農(nóng)村供水工程防凍問題取得了初步成效，但還存在以下四個(gè)相對突出的問題：一是缺乏農(nóng)村供水防凍技術(shù)評價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評估；二是尚未形成有效的農(nóng)村供水工程防凍技術(shù)模式，未形成農(nóng)村供水管網(wǎng)與末端防凍協(xié)同技術(shù)體系；三是農(nóng)村供水冬季防凍管護(hù)體制機(jī)制不健全；四是信息化技術(shù)的支撐作用尚未引起足夠的重視。因此，仍需針對上述問題開展深入、系統(tǒng)的研究，構(gòu)建科學(xué)合理的農(nóng)村供水防凍技術(shù)體系，為農(nóng)村供水高質(zhì)量發(fā)展保駕護(hù)航。

1.開展農(nóng)村供水防凍技術(shù)評價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評估

目前，我國青藏高原等高海拔地區(qū)及東北、華北、西北寒冷地區(qū)已積累了較為豐富的農(nóng)村供水工程冬季防凍經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)形成了相應(yīng)的農(nóng)村供水工程冬季防凍措施。由于不同地區(qū)的工程防凍措施主要基于各地氣候特點(diǎn)及工程管理實(shí)踐，尚未對這些防凍措施進(jìn)行系統(tǒng)梳理與效果評估，不利于其他地區(qū)借鑒。因此，應(yīng)開展農(nóng)村供水工程防凍技術(shù)評價(jià)工作，通過對我國各地冬季農(nóng)村供水工程現(xiàn)有防凍技術(shù)資料的收集與整理，開展實(shí)地調(diào)查，梳理針對不同水源（地下水與地表水）取水設(shè)施、凈化消毒設(shè)備、供水管網(wǎng)與供水末端的防凍技術(shù)，從經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境影響、防凍效果、防凍管理等方面，構(gòu)建農(nóng)村供水工程防凍技術(shù)評估指標(biāo)體系，對各類防凍技術(shù)開展評價(jià)。

此外，農(nóng)村供水風(fēng)險(xiǎn)管理也越來越受到科研人員、工程管理人員的重視。針對農(nóng)村供水風(fēng)險(xiǎn)，大部分學(xué)者著眼于水質(zhì)監(jiān)測及其衛(wèi)生健康方面。與城市供水相比，農(nóng)村供水工程往往規(guī)模較小、數(shù)量較多，且分布范圍廣，工程的運(yùn)行管理不規(guī)范，衛(wèi)生監(jiān)管難度較大。農(nóng)村供水的風(fēng)險(xiǎn)不僅存在于水質(zhì)的健康狀況，更存在于農(nóng)村供水工程運(yùn)行的全過程，從源頭到龍頭，從設(shè)計(jì)到后期運(yùn)行管護(hù)。在這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，工程凍害是造成工程無法正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)要素之一。因此，在農(nóng)村供水風(fēng)險(xiǎn)分析過程中，應(yīng)將凍害作為風(fēng)險(xiǎn)要素之一納入農(nóng)村供水風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，并繪制風(fēng)險(xiǎn)要素空間分布圖，從而更全面地了解凍害風(fēng)險(xiǎn)的空間分布規(guī)律。

2.完善農(nóng)村供水防凍技術(shù)體系

目前，我國小型農(nóng)村集中供水工程仍然占有較高的比例，這類工程的水源通常較小，取水設(shè)施較為簡單，因而更易發(fā)生凍害。盡管寒冷地區(qū)根據(jù)冬季農(nóng)村供水經(jīng)驗(yàn)，試圖解決農(nóng)村供水防凍問題，也形成了農(nóng)村供水防凍應(yīng)用技術(shù)，但這些技術(shù)主要源于農(nóng)村供水工程冬季防凍管理實(shí)踐，尚未形成從水源到水龍頭的完整技術(shù)體系。此外，除這些寒冷地區(qū)外，受氣候變化影響，我國其他地區(qū)尤其是常規(guī)意義上偏暖的南方地區(qū)，近年來在冬季也經(jīng)歷了極低氣溫，由于此前很少遭遇此類極端氣候，其農(nóng)村供水工程并無系統(tǒng)的冬季防凍措施，導(dǎo)致工程在冬季出現(xiàn)凍害。因此，要進(jìn)一步總結(jié)提煉冬季防凍做法經(jīng)驗(yàn)，積極開展取水設(shè)施、消毒凈化設(shè)備、供水管網(wǎng)及末端供水設(shè)施等防凍技術(shù)綜合集成，構(gòu)建覆蓋供水全過程、制水全流程的協(xié)同防凍技術(shù)模式，制定農(nóng)村供水防凍技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并加強(qiáng)供水防凍技術(shù)和設(shè)施設(shè)備的研發(fā)、示范與推廣。

3.建立農(nóng)村供水冬季防凍管護(hù)體制機(jī)制

做好農(nóng)村供水工程冬季防凍，要從施工監(jiān)督、日常管護(hù)、宣傳教育等多方面建立健全農(nóng)村供水冬季防凍管理體制機(jī)制。

在農(nóng)村供水工程建設(shè)過程中，要重視施工質(zhì)量，嚴(yán)格施工程序，加強(qiáng)施工過程中的全過程監(jiān)督。供水工程所需的各種管材、提水設(shè)備、水泥、鋼材等應(yīng)實(shí)行統(tǒng)一采購制，對進(jìn)場各類材料、供水設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量抽檢。嚴(yán)格按照施工規(guī)范要求進(jìn)行管道敷設(shè)，管道安裝施工要滿足埋深及防凍要求，確保管材施工質(zhì)量。在驗(yàn)收過程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，并加強(qiáng)督促檢查力度。

在農(nóng)村供水工程日常管護(hù)中，水行政主管部門要加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)農(nóng)村供水防凍工作的指導(dǎo)、監(jiān)督和檢查，把農(nóng)村供水防凍作為重要工作來抓。要加強(qiáng)供水設(shè)施日常巡查維修，完善供水設(shè)施防寒措施，建立健全應(yīng)急保障工作機(jī)制。要積極做好防寒防凍的物資儲備，在冬季來臨前，提早購置閥門井蓋、鐵鍬、除雪工具等材料，為防寒防凍工作提供充足的物資保障。

在宣傳教育方面，要加強(qiáng)對用水戶安全用水知識和自我防范意識的宣傳，向用水戶提供防凍便民技術(shù)服務(wù)，幫助和指導(dǎo)用水戶做好用水設(shè)施設(shè)備的防凍工作。加強(qiáng)管水員農(nóng)村供水工程維修技術(shù)技能的培訓(xùn)，提高農(nóng)村供水管水員對農(nóng)村供水管網(wǎng)熟悉程度，對損壞的供水設(shè)施部件及時(shí)更換。加強(qiáng)對入戶管網(wǎng)末端設(shè)施的防護(hù)保護(hù)知識宣傳。

4.強(qiáng)化信息化技術(shù)的支撐作用

具備條件的地方，積極推進(jìn)基于“移動互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)和5G技術(shù)的農(nóng)村供水信息化、自動化、智能化建設(shè)，逐步提升農(nóng)村供水信息化管理水平，逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水從取水、輸水、制水到配水的供水過程監(jiān)管；充分利用當(dāng)?shù)睾浼竟?jié)天氣預(yù)測預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，做好農(nóng)村供水凍害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測、預(yù)報(bào)、預(yù)警和預(yù)案。