漁業(yè)養(yǎng)殖園海水取水工程設計方案比選

摘 要：海水取水工程的建設包括取水頭、取水管道、取水泵站等部分，該文首先對海水取水工藝系統(tǒng)進行介紹，分析各部分的設計要點。然后以某漁業(yè)養(yǎng)殖園海水取水工程為例，通過對集中式和分散式取水頭部進行設計，對其優(yōu)缺點進行對比，根據項目的具體情況和實施條件，推薦采用分散式取水頭；通過對多種材質的取水管材進行比選，推薦采用HDPE取水管，最后進行水泵選型，為海水漁業(yè)養(yǎng)殖取水工程設計提供參考。

關鍵詞：漁業(yè)養(yǎng)殖；取水工程；取水頭；取水管道；海水取水泵

中圖分類號：TU991.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0166-04

Abstract： The construction of seawater water intake project includes water intake head， water intake pipeline， water intake pumping station and so on. This paper first introduces the seawater water intake process system and analyzes the design points of each part. Then， taking the seawater intake project of a fishery culture park as an example， through the design of centralized and decentralized intake heads， their advantages and disadvantages are compared. according to the specific conditions and implementation conditions of the project， the decentralized intake head is recommended; through the comparison and selection of water intake pipes of various materials， HDPE intake pipes are recommended， and finally pump selection is carried out to provide reference for the design of mariculture intake engineering.

Keywords： fishery aquaculture; water intake project; water intake head; water intake pipeline; seawater pump

我國是世界海水養(yǎng)殖產量第一大國，2021年總產量高達2 211.14萬t，占全國海水產品總量的65.3%。這意味著海水養(yǎng)殖已成為我國海洋漁業(yè)的主導力量。這樣的成就，一方面得益于我國廣闊的海域和豐富的海洋資源，另一方面也離不開我國海水養(yǎng)殖技術的不斷進步和養(yǎng)殖模式的持續(xù)創(chuàng)新。然而，隨著我國海水養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，超容量、高密度養(yǎng)殖導致近海養(yǎng)殖空間枯竭、產品結構失衡以及近岸海域環(huán)境惡化等問題，嚴重制約海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[1]。為保障海水養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，我國沿海地區(qū)建立了多座海水養(yǎng)殖園，未來隨著海水養(yǎng)殖產品的需求量增長，海水養(yǎng)殖園的建設數量和規(guī)模會進一步增長。

海水養(yǎng)殖項目需要大量的海水來支持養(yǎng)殖活動，因此，取水工程的建設和運營對于確保養(yǎng)殖園的正常運轉至關重要。同時，優(yōu)質的水源也是保障養(yǎng)殖生物健康生長的重要因素。取水工程的建設包括取水頭、取水管道、取水泵站等部分[2]。取水頭應設計合理，便于海水的引入；取水管道應耐用環(huán)保，不污染水質，方便安裝，鋪設平穩(wěn)，確保海水能夠順暢地輸送到養(yǎng)殖園；泵站應安裝高效、穩(wěn)定的水泵，以滿足養(yǎng)殖園的用水需求，確保養(yǎng)殖用水的安全性。因此，海水取水工程的設計至關重要。如設計不合理，可能造成海水取水量不夠、取水設施淤積，進而影響取水量，最終影響整個海水養(yǎng)殖園的正常穩(wěn)定運行[3]。

1 工程概況

某漁業(yè)養(yǎng)殖園項目海水取水工程，園區(qū)遠期需水量為40萬m3/d。取水分兩期：一期、二期設計取水規(guī)模均為20萬m3/d。為避免重復投資，按兩期規(guī)模一次性建成，預留二期設備所需設備位置，工藝設備按一期設計規(guī)模進行配置。取水工程包括取水泵站、取水管、取水頭。其中，取水采用自流管取水方式，單根管線長約2.0 km。

2 地質條件

2.1 工程地質

取水工程區(qū)域地層從上至下可劃分為①素填土、②1細砂、②2珊瑚碎屑、②3含淤泥珊瑚碎屑、③淤泥質粉質黏土、③1粉砂、④粉質黏土、⑤強風化砂巖、⑥中風化砂巖。

2.2 地震效應

本工程區(qū)域地震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15 g。

3 取水方案

漁業(yè)養(yǎng)殖海水主要取自臨近海域，自流管取水至集水井（進水閥門井、格柵、進水前池），再通過水泵提升取水。

典型海水取水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

3.1 取水頭部

取水頭部，作為海水取水設施的起點，其設計的合理性對于整個取水系統(tǒng)的順暢運行至關重要。根據取水工藝方案，取水頭可采用集中式取水頭和分散式取水頭[4]。

3.1.1 集中式取水頭

集中式取水頭需要采用鋼筋混凝土永久結構作為取水頭部，通常為預制沉箱結構。沉箱長15.55 m，寬11.05 m，高5.9 m?？v向設有4個艙格，橫向設有2個艙格，前排為壓載艙，后排為取水艙，艙格尺寸均為3.5 m（縱向）×5.0 m（橫向）。沉箱艙格除前后壁及中間隔墻，均開長2.5 m，高3 m的進水孔，側壁進水孔安裝不銹鋼柵網，網格孔徑為20 mm×20 mm。集中式取水頭平面圖如圖2所示。

3.1.2 分散式取水頭

分散式取水頭采用多點淹沒式側邊進水取水頭部，在取水頭部設置多點淹沒式側邊進水口，單個管道上共布置3個圓形進水口，每個進水口直徑1.6 m，通過直徑1 m的管道與下方取水母管相連。

取水頭部2根管道共設6個進水口，單個進水口長度為360°弧長，高度1 m。進水口設攔污柵，用于攔截水中漂浮物，柵條間距為120 mm，直徑10 mm。分散式取水頭斷面圖如圖3所示。

3.1.3 取水頭比選

集中式取水頭和分散式取水頭具體優(yōu)缺點對比見表1。

集中式取水頭沉箱結構重量較大，需要設置出運場地，并配備大型拖運、起重安裝設備，施工難度大，工程造價高。分散式取水頭結構簡單，重量較輕，施工安裝方便。本工程周邊無大型拖運船舶，船舶調遣周期長、費用高，綜合考慮，推薦采用分散式取水頭。

3.2 取水管線

3.2.1 取水管材

常用的給水管材有鋼管、鋼筋混凝土管、高密度聚乙烯管（HDPE）、玻璃鋼夾砂管等[4]。

1）鋼管。在大直徑埋地管道的應用中，鋼管是使用最為廣泛的管材。作為輸水管道的常用選擇，鋼管通常要求為成品管，由于鋼管管材強度高，能夠承受較高的內外壓力，同時，鋼管采用焊接的方式進行連接，其管身的可焊性也使得制造各種型式的管件變得方便快捷，特別適用于地形復雜和障礙物較多的地段。然而，鋼管的一大缺點是易于腐蝕，尤其是在海水環(huán)境中腐蝕更為嚴重，需要對鋼管進行防腐處理[5]。

2）鋼筋混凝土管。鋼筋混凝土管分為普通鋼筋混凝土管、自應力鋼筋混凝土管和預應力鋼筋混凝土管。按管子承受水壓能力的不同，可分為低壓管和壓力管，壓力管的工作壓力一般有0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa等。鋼筋混凝土管強度高，剛性強，能夠承受較高的壓力和振動載荷，適用于多種環(huán)境和使用條件。其次，可以根據需要制作成不同形狀的異型構件，為施工安裝提供了極大的便利，造價相對較低。此外，鋼筋混凝土管還具備良好的抗?jié)B性、耐腐蝕性和耐久性。然而，鋼筋混凝土管也存在一些不足，比如其重量較大，給運輸和安裝帶來一定的困難，且安裝要求較高，需要專業(yè)技術和設備支持，管道配件相對較少，給后期運營維修增加了難度。

3）高密度聚乙烯管（HDPE）。高密度聚乙烯管（HDPE）具有多個不同的等級，可分為PE63級、PE80級、PE100級及PE112級等，它們的主要區(qū)別在于原料樹脂對應的長期靜液壓強度不同，數值越高對應的管材強度越高。不同等級的高密度聚乙烯管材在密度、拉伸性能、抗沖擊性能和承壓能力等方面都有所區(qū)別，目前，給水中主要應用的是PE80級和PE100級管材。

聚乙烯管分為低密度聚乙烯管、中密度聚乙烯管和高密度聚乙烯管，其中高密度聚乙烯管相比于另2種聚乙烯管，其管材的性能更加優(yōu)越，而且使用范圍也更廣，因此常作為聚乙烯管的代表。

高密度聚乙烯管是一種廣泛應用的管材，具有諸多優(yōu)良性能，如管材環(huán)保、無味無毒、耐腐蝕性好、不結垢、不滋生細菌；而且HDPE管道重量相對較輕，搬運和運輸不需要大型起重運輸設備，管材柔韌性更好，容易安裝，抗沖擊強度高，能夠承受強震和扭曲[6]；管道之間的連接方式包括熱熔連接和電熱熔連接，接頭連接的強度更高，接口安全可靠。

4）玻璃鋼夾砂管。玻璃鋼夾砂管是一種新型化學管材，主要由不飽和聚酯樹脂、玻璃纖維和石英砂等原料制成，通過纏繞或離心澆鑄固化而成。其管壁結構包括外表面樹脂保護層、內增強層、中間結構層和內襯層。玻璃鋼夾砂管（RPM）具有高強度、輕量化、耐腐蝕和阻力系數小等特點。在連接方式方面，它采用雙“O”型橡膠密封圈承插連接，這種柔性連接能夠適應一定程度的地面不均勻沉降。

3.2.2 管材選擇

管材的選擇原則主要如下：滿足功能要求，符合衛(wèi)生要求，不污染水質；符合國家現(xiàn)行產品標準要求；耐腐蝕、密封性高、阻力小、強度高和良好的韌性，經濟合理，方便安裝維修等。本工程輸水管較長，結合本工程輸送海水的實際工況，自流管取水方案中海水取水管采用高密度聚乙烯管（HDPE）。

3.2.3 管徑確定

海水取水管管徑按遠期輸水能力設計，根據園區(qū)規(guī)劃，園區(qū)遠期需水量為40萬m3/d。為保證供水的可靠性，至少采用2根海水取水管。

1）設計流量Q。輸水管的設計流量，應按最高日平均時供水量確定，并計入輸水管的漏損水量（10%）[7]。

則設計流量Q=1.1×40=44萬m3/d。

2）設計管徑。

D=，

式中：Q為設計流量，m3/d；v為設計流速，m/s；D為設計管徑，m。

3）管徑確定。正常情況下，海水取水管最大設計流量為18 333.3 m3/h（遠期）。結合管材價格、管道安裝費用及取水的安全可靠性，自流管取水方案采用2根DN1 600 mm高密度聚乙烯管（HDPE）。

3.3 水泵選型

一期日供水量20萬m3，漏損系數1.1，則設計小時供水量9 166.7 m3/h，設計秒流量2.55 m3/s。二期日供水總量40萬m3，漏損系數1.1，則設計小時供水量18 333.3 m3/h，設計秒流量5.09 m3/s。

水頭損失主要包括2類：沿程水頭損失和局部水頭損失。其中，局部水頭損失按沿程水頭損失的15%計。沿程水頭損失公式采用達西公式

hy=λ，

λ=，

C=R1/6/n，

式中：hy為管道水頭損失，m；λ為沿程阻力系數；l為管道長度，m；d1為管道計算內徑，m；v為管道內流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；C為謝才系數；n為糙率；R為水力半徑。

經計算，總水頭損失為7.19 m。

進水前池布置在場地標高約3.6 m處，為地下式調節(jié)池，工程設計極端低水位為-0.52 m（重現(xiàn)期為50年的年極值低水位），最不利點地面標高為3.6 m，則水泵靜揚程為3.6-（-0.52）=4.12 m。

泵站總揚程=靜揚程+總水頭損失=4.12+7.19=11.31 m；因此，泵站一期選用4臺臥式單級雙吸離心泵，流量3 334 m3/h，揚程15 m，功率185 kW，數量4臺，3用1備，2臺變頻控制。

4 結束語

本文以某漁業(yè)養(yǎng)殖園海水取水工程為例，首先對海水取水工藝進行了介紹，然后根據項目的具體情況和實施條件，通過對取水頭部、取水管材進行比選，最終采用分散式取水頭和HDPE取水管，最后進行水泵選型，為海水漁業(yè)養(yǎng)殖取水工程設計提供參考。海水養(yǎng)殖項目的取水工程是保障養(yǎng)殖活動順利進行的關鍵環(huán)節(jié)。隨著海水養(yǎng)殖技術的不斷發(fā)展和養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，取水工程也需要不斷優(yōu)化和升級。通過科學的設計和建設、嚴格的運營管理和環(huán)保要求的不斷升級，可以確保取水工程的高效、穩(wěn)定運行，為海水養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

參考文獻：

[1] 劉曉彤，沈金生.基于系統(tǒng)動力學的中國海水養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展政策模擬與仿真研究[J].海洋開發(fā)與管理，2023，40（10）：32-45.

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[3] 翟振城.LNG接收站海水取水工藝系統(tǒng)設計要點探討[J].港口航道與近海工程，2023，60（5）：19-22.

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[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，國家市場監(jiān)督管理總局.室外給水設計標準：GB 50013—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.