城鄉(xiāng)供水一體化工程長(zhǎng)距離引水管線布置探討

杜坤

（新源縣水利局，新疆 新源 835800）

0 引言

城鄉(xiāng)供水工程主要由引水、排水和水循環(huán)三個(gè)系統(tǒng)組成，其中引水系統(tǒng)主要是向城鄉(xiāng)供水對(duì)象提供水源，引水管線布置必須綜合考慮施工成本、工程規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)及檢修成本。城鄉(xiāng)供水一體化工程長(zhǎng)距離引水管線布置過(guò)程中盡量減少既有建筑物拆遷，避免大量占用永久性農(nóng)田，最好沿現(xiàn)有或規(guī)劃道路敷設(shè)，簡(jiǎn)化施工過(guò)程及運(yùn)行管理難度，避開(kāi)不良地層，避免穿越既有公路、鐵路及河溝。

1 工程概況

新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)供水一體化工程主要為新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水，即為新源鎮(zhèn)等7 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和72 團(tuán)的農(nóng)村生活用水、牲畜用水、城市生活用水、工業(yè)用水等，供水人口170 046人，其中農(nóng)村人口93 652人，城市人口76 394人。供水工程以BSKL水庫(kù)為供水水源，從BSKL水庫(kù)預(yù)留引水口引水，后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為6 km 的新建DN1000 涂塑鋼管輸水管道沿恰甫河河道左岸自壓輸水至新源縣中心水廠。新建水廠至縣城區(qū)主干管道，接入縣城區(qū)內(nèi)配水主管后向配水管網(wǎng)補(bǔ)水，管道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2.75 km，其中Y0+000～Y1+587 段采用DN900 涂塑鋼管，設(shè)計(jì)輸水流量1.13 m3/s，Y1+587～Y2+752 段則采用DN800 涂塑鋼管，設(shè)計(jì)輸水流量0.86 m3/s。該供水工程供水規(guī)模預(yù)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表1，供水工程以2035 年為遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水平年，總設(shè)計(jì)年供水量為4 090.91×104m3，設(shè)計(jì)供水保證率為95%。

表1 供水規(guī)模預(yù)測(cè)表

2 引水管線布置的優(yōu)化

對(duì)于城鄉(xiāng)供水工程而言，引水管線布置投資在工程總投資成本中占比超60%，如果引水管道管徑過(guò)大，雖能減少水頭損失，但會(huì)增大供水工程造價(jià)；如果引水管道管徑過(guò)小，則會(huì)增大水頭損失克服難度和泵站運(yùn)行費(fèi)用。為此，必須在管徑和工程造價(jià)之間尋求平衡。供水工程引水方式包括重力流引水和加壓流引水兩種，分情況展開(kāi)論述。

2.1 重力流段引水管徑

所謂重力流引水即在沒(méi)有壓力的情況下，借助引水管自身傾斜坡度重力自流，此方式不產(chǎn)生動(dòng)力費(fèi)用，且維護(hù)檢修工程量小，也是最常見(jiàn)的引水方式。重力流引水效率主要取決于管段傾斜坡度和管徑，其中管段傾斜坡度主要與工程所在地區(qū)地形地勢(shì)條件有關(guān)，而設(shè)計(jì)過(guò)程中所需進(jìn)行的就是基于重力流段供水管線布置要求，合理確定管徑。結(jié)合我國(guó)西部地區(qū)類似供水工程項(xiàng)目糙率取值經(jīng)驗(yàn)，將新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)供水工程預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管和鋼管糙率分別控制在0.01以內(nèi)，并充分考慮長(zhǎng)距離供水管道局部水頭損失。故此處采用曼寧公式，進(jìn)行該供水工程長(zhǎng)距離引水管線水頭損失計(jì)算：

式（1）中：h—供水工程長(zhǎng)距離管線水頭損失，m；v—供水管線水流流速，m/s；l—長(zhǎng)距離供水管線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，m；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m。

采用上式計(jì)算出該城鄉(xiāng)供水工程長(zhǎng)距離管線水頭損失后，考慮到工程實(shí)際供水管線存在較多的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且閘閥規(guī)格不統(tǒng)一，為滿足供水一體化工程運(yùn)行要求，按照整體水頭損失的15%確定局部水頭損失，故總水頭損失hf表示如下：

供水工程長(zhǎng)距離引水管線中水流流速計(jì)算如下：

式（3）中：Q—引水管線設(shè)計(jì)流量，m3/s；D—引水管線管徑，mm。

該城鄉(xiāng)供水工程長(zhǎng)距離引水管道采用預(yù)應(yīng)力鋼混材料管，部分地質(zhì)條件差的區(qū)域改用鋼管?？紤]當(dāng)前引水管線管材供應(yīng)情況，針對(duì)較為常見(jiàn)的PCPP管展開(kāi)管徑設(shè)計(jì)。根據(jù)《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》，壓力輸水管道流速應(yīng)達(dá)到0.50 m/s的要求，重力引水管道長(zhǎng)度根據(jù)加壓泵站具體位置確定。結(jié)合該工程引水規(guī)模，擬定三種管徑組合方式，采取以上公式進(jìn)行水力計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表中結(jié)果，三種管徑組合形式下單管最大流速、流量取值均較為接近，但水頭損失差異大；三種管徑形式水頭損失均能滿足規(guī)范要求，但第一組管徑組合在實(shí)際水力下水頭損失比進(jìn)出口水位差小，最符合重力引水的工程要求，故最終采用第一組DN2500/DN2500 的管徑組合。

表2 水力計(jì)算結(jié)果比較表

2.2 加壓流段管徑選型

城鄉(xiāng)供水工程長(zhǎng)距離引水管線加壓流段應(yīng)采取經(jīng)濟(jì)流速法進(jìn)行管徑選型，保證供水目的的基礎(chǔ)上，縮小管線布置成本。在經(jīng)濟(jì)流速法下結(jié)合管線選材、引水方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)流速范圍確定，并結(jié)合水力計(jì)算結(jié)果確定經(jīng)濟(jì)管徑，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管徑進(jìn)行結(jié)果修正。公式如下：

式（4）中：d—城鄉(xiāng)供水工程引水管線管徑，mm；Q—引水管線設(shè)計(jì)流量，m3/s；其余參數(shù)含義同前。

結(jié)合式（4），在水力條件及經(jīng)濟(jì)流速參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，明確引水管線管徑范圍。不同管材施工時(shí)間、采購(gòu)成本、施工工藝不盡相同，故應(yīng)用凈現(xiàn)值法計(jì)算經(jīng)濟(jì)管徑參數(shù)并比較不同管徑方案，確定不同方案下工程建設(shè)費(fèi)用和年運(yùn)行成本。對(duì)于具體工程，在管徑選型理論計(jì)算的基礎(chǔ)上還應(yīng)將管線任一節(jié)點(diǎn)工作壓力控制在管線材料標(biāo)準(zhǔn)公稱壓力范圍內(nèi)，使管線經(jīng)濟(jì)流量不超出管線不淤流速與最大流速允許值的范圍；管線布置完成后，必須確保水泵始終高效運(yùn)行。

2.3 附屬設(shè)置布置

在布置該城鄉(xiāng)供水工程長(zhǎng)距離引水管線的過(guò)程中，結(jié)合地質(zhì)勘探結(jié)果，采用文中所推薦的DN2500/DN2500 管徑組合形式；在布置線路時(shí)，必須在滿足用地規(guī)劃的基礎(chǔ)上保證管道順直鋪設(shè)。該引水管線附屬設(shè)置主要有排氣設(shè)施和檢修閥。

排氣設(shè)施必須設(shè)置在管線最高位置和平直段等部位，并手動(dòng)連接閥門(mén)和排氣閥下端。為優(yōu)化排氣設(shè)施結(jié)構(gòu)，應(yīng)在排氣三通處設(shè)置配氣設(shè)施，同時(shí)將手動(dòng)閥門(mén)引入法蘭蓋板，安裝排氣閥。優(yōu)化后的排氣設(shè)施結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。優(yōu)化后的排氣設(shè)施安裝后既作為進(jìn)口管道通道，又可在管線維護(hù)期間用作檢修孔，便于臨時(shí)排水及對(duì)引水管線的檢修維護(hù)。

圖1 引水管線排氣設(shè)施優(yōu)化圖

考慮到引水管線檢修時(shí)隔斷及排水方面的要求，應(yīng)在該供水工程長(zhǎng)距離引水管線起始端和終端分別安裝1個(gè)檢修閥門(mén)，其余段按照5 000 m 的間隔設(shè)置檢修閥門(mén)。如果引水管線存在管橋結(jié)構(gòu)，應(yīng)充分利用該結(jié)構(gòu)，并以其代替檢修閥門(mén)，優(yōu)化檢修閥門(mén)位置及數(shù)量，節(jié)省工程造價(jià)。

3 優(yōu)化前后的比較

結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行該城鄉(xiāng)供水工程長(zhǎng)距離引水管線優(yōu)化前后情況的比較分析。在充分考慮新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)供水一體化工程用水安全的基礎(chǔ)上，通過(guò)壓力管道和加壓泵站引水。在優(yōu)化前后的管線布置形式中隨機(jī)選擇不同節(jié)點(diǎn)，依次編號(hào)，并記錄相應(yīng)高程，計(jì)算優(yōu)化前后水頭值。結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)合優(yōu)化后的高程及水頭值，管線布置方案優(yōu)化后完全滿足標(biāo)準(zhǔn)管徑要求，且模擬結(jié)果與管網(wǎng)壓力節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水壓值吻合程度高，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離引水管線最優(yōu)布置。

表3 引水管線布置形式優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)高程及水頭表

4 結(jié)論

綜上所述，新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)供水一體化工程引水管線優(yōu)化布置后水頭損失明顯減小，引供水效率明顯提升，加壓流管段管徑設(shè)置更加合理，輔助設(shè)施的設(shè)置也為工程順利供水提供了保證。