貴州省赤水市葫市鎮(zhèn)農(nóng)村安全飲水工程設(shè)計(jì)

代榮祥

（貴州省赤水市旺隆片區(qū)水務(wù)站，貴州 赤水 564704）

自2000年我國(guó)政府致力于解決農(nóng)村飲水問題，至2004年國(guó)家將農(nóng)村飲水問題的重心從解決有無轉(zhuǎn)移到農(nóng)村居民的安全飲水保障上來，農(nóng)村飲水安全工程作為一項(xiàng)惠民項(xiàng)目，各項(xiàng)飲水基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，對(duì)推動(dòng)農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建立社會(huì)主義新農(nóng)村具有十分重要的意義[1]。

赤水市葫市鎮(zhèn)農(nóng)村貧困人口飲水安全鞏固提升工程所在的高竹村、高橋村、天堂村項(xiàng)目區(qū)共有6031人，現(xiàn)有飲水不安全人口2226人，長(zhǎng)期以來飲用細(xì)菌超標(biāo)嚴(yán)重。農(nóng)民群眾無法飲用衛(wèi)生、潔凈的自來水，不僅嚴(yán)重威脅著項(xiàng)目區(qū)人民的身心健康，降低群眾生產(chǎn)生活質(zhì)量，而且制約了新農(nóng)村建設(shè)向縱深發(fā)展，全面建設(shè)小康社會(huì)無法得到根本實(shí)現(xiàn)。因此，結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)區(qū)特有的水資源環(huán)境和水文地質(zhì)條件合理推廣農(nóng)飲安全工程的典型設(shè)計(jì)方案，對(duì)于系統(tǒng)解決我國(guó)廣大農(nóng)村居民安全飲水問題意義重大。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

1.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況

赤水市2016年葫市鎮(zhèn)農(nóng)村貧困人口飲水安全鞏固提升工程位于赤水市葫市鎮(zhèn)境內(nèi)，項(xiàng)目區(qū)土地、氣候、水利等自然資源豐富優(yōu)越，交通、電力等基礎(chǔ)條件較好，距赤水市城區(qū)38 km。葫市鎮(zhèn)全鎮(zhèn)總面積203平方公里，轄7個(gè)行政村56個(gè)村民小組，1個(gè)社區(qū)3個(gè)居民小組，總?cè)丝?5642人，其中農(nóng)業(yè)人口13341人，非農(nóng)業(yè)人口2301人?，F(xiàn)有林地120000畝，耕地14000畝。人均純收入7587元，低于全市平均水平，主要以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和種植業(yè)為主。

1.2 水文地質(zhì)概況

項(xiàng)目區(qū)域地處貴州高原向四川盆地過渡地帶，地形起伏較大，分布于習(xí)水河谷丘陵地區(qū)，總體分布右岸較高，左岸較低，相對(duì)高差較大，河谷兩岸植被較好，森林覆蓋率達(dá)65%以上。

工程區(qū)域出露地層為白堊系上統(tǒng)夾關(guān)組（K2j）紫色、磚紅色長(zhǎng)石石英砂巖、巖屑石英砂巖夾粉砂巖、泥巖和第四系殘坡積、沖積覆蓋層，區(qū)域穩(wěn)定性好，工程建筑具備良好的地質(zhì)條件。參照赤水市氣象區(qū)劃資料，該區(qū)域內(nèi)多年平均氣溫在18.4℃左右，最高氣溫41℃，最低氣溫-6℃，多年平均降雨量為1250 mm，無霜期約340天，年均日照時(shí)數(shù)約1300小時(shí)。該區(qū)域內(nèi)水文資料顯示，多年平均降雨量為1250 mm。采用降雨徑流法，由貴州省水文手冊(cè)查得赤水地區(qū)徑流系數(shù)α=0.56～0.6之間，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，綜合平衡后確定α=0.58進(jìn)行計(jì)算，多年平均徑流深為725 mm。

2 農(nóng)村飲水安全工程設(shè)計(jì)

2.1 用水量計(jì)算

本工程項(xiàng)目主要解決赤水市葫市鎮(zhèn)高竹村、高橋村、天堂村2226人口的安全供水問題，根據(jù)實(shí)際情況，確定設(shè)計(jì)保證率為95%。根據(jù)水利部、衛(wèi)生部水農(nóng)(2004)547號(hào)文《關(guān)于印發(fā)農(nóng)村飲用水安全衛(wèi)生評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的通知》、《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》(SL310-2004)和農(nóng)村飲水安全項(xiàng)目建設(shè)人均日用水要求，結(jié)合供水區(qū)域用水實(shí)際情況，人均日供水量取用綜合定額平均按80L/日·人計(jì)算，副業(yè)及其它用水按人均用水量的15%，管網(wǎng)損失水量按12%計(jì)算，人口自然增長(zhǎng)率為0.6%，設(shè)計(jì)年限15年。根據(jù)農(nóng)村飲水安全項(xiàng)目建設(shè)要求及區(qū)域內(nèi)用水實(shí)際情況，項(xiàng)目最高日需水量為250.9 m3/日，多年平均用水量為6.54萬m3，(日變化系數(shù)取1.3,時(shí)變化系數(shù)取2.6)。

2.2 取水工程設(shè)計(jì)

2.2.1 截潛流型

取水樞紐采用截潛流空腹壩的取水型式，布置于主河床上，采用封閉式，堰型為梯形折線堰，壩體采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為卵石混合土，上游迎水面為斜線，坡度為1∶0.5，設(shè)有集水廊道、無紡布、反濾層并用卵石回填，背水面為直立面，采用C25鋼筋混凝土面板厚0.5 m。

（1）水力計(jì)算

截潛流空腹壩泄流能力計(jì)算如式（1）：

式中：σ為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)；B為孔凈寬，單位：m；g為 9.81N/kg；H0為設(shè)計(jì)水頭，單位：m。

（2）穩(wěn)定計(jì)算

地基應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)偏心受壓公式計(jì)算，見式（2）：

式中：∑W為鉛直向力矢量和（KN）；∑p為水平向力矢量和（kN）；A 為基礎(chǔ)面積（m2）；B 為基礎(chǔ)寬度 （m）；e為偏心距（m）；f為摩擦系數(shù)。

2.2.2 集泉水型

（1）泉水取水口主要由泉水集水井和進(jìn)水池兩部分構(gòu)成，集水井主要是匯集泉水，進(jìn)水池主要是調(diào)節(jié)出水流量、沉砂以及溢流等。進(jìn)水池內(nèi)設(shè)沖砂管、溢流管和出水管等。泉眼采用M7.5漿砌石框護(hù)，泉水通過鋼筋混凝土過水道直接進(jìn)入進(jìn)水池，進(jìn)水池規(guī)格為2.0 m×2.0 m×2.0 m，采用鋼筋混凝土砌筑，邊墻厚度20 cm，底板厚度30 cm。

（2）穩(wěn)定性分析

取水口在建好后未裝水時(shí)，四周墻體承受填土壓力時(shí)為最不利工況，故選用該工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，見式（3）：

式中：P0為不同土層深度產(chǎn)生的壓力，KN/m2；K0為靜止土壓力系數(shù)（本次取0.20）；Z為不同土層的深度（分別取2 m、3 m、3.5 m）；E0為單位蓄水池側(cè)墻長(zhǎng)度上的靜止土壓力的合力，KN/m；γ為土體的容重，本次取值18 KN/m3；H為蓄水池埋深。

2.3 輸水工程設(shè)計(jì)

2.3.1 管線走向選擇

（1）因地制宜、合理選擇水源、合理布置輸水管線。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的水源分布情況、合理規(guī)劃輸水管道走線，以水質(zhì)符合國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749）要求；

（2）就地開采、就近供水的原則；

（3）輸水管線應(yīng)布局合理，盡量縮短線路長(zhǎng)度，少占農(nóng)田草地；輸水管線應(yīng)盡量滿足管道地埋要求，避免急轉(zhuǎn)彎、較大的起伏、穿越不良地質(zhì)地段，減少穿越鐵路、公路、河流等障礙物。

（4）充分利用地形條件，采用重力流輸水管道，地形高差超過60 m并有富余水頭時(shí)，應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)減壓設(shè)施；輸水管道在管道凸起點(diǎn)，應(yīng)設(shè)自動(dòng)進(jìn)（排）氣閥，長(zhǎng)距離輸水無凸起點(diǎn)，每隔一定距離亦應(yīng)設(shè)自動(dòng)進(jìn)（排）氣閥；輸水管道在管道低凹處，應(yīng)設(shè)排空閥；室外管道的進(jìn)（排）氣閥、減壓閥、消火栓、閘閥、泄水閥、排空閥等應(yīng)設(shè)置閘閥井。

2.3.2 引水管道設(shè)計(jì)流量計(jì)算

輸水管道設(shè)計(jì)流量Q的計(jì)算采用公式（4）：

式中：W為項(xiàng)目區(qū)最高日最高時(shí)用水量，單位：m3/h；t為供水時(shí)間，3600 s。

2.3.3 管徑及壁厚的確定

輸水管道設(shè)計(jì)引水流量為引水流量為Q，管道經(jīng)濟(jì)流速取2.0 m/s，則管徑的計(jì)算由公式（5）：

式中：Q為管段流量，單位：m3/s；d為管道內(nèi)徑，單位：m。

2.3.4 管道水力計(jì)算

（1）沿程水頭損失計(jì)算

塑料管沿程水頭損失計(jì)算采用的經(jīng)驗(yàn)公式(6)：

式中：hf為沿程水頭損失，單位：m；L為計(jì)算管段的長(zhǎng)度，單位：m；i為單位管長(zhǎng)水頭損失，單位：m/m；

（2）局部水頭損失計(jì)算

由于管道為長(zhǎng)管出流，局部水頭損失按沿程水頭損失的20%計(jì)算所得。

（3）管道承壓計(jì)算

按《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50013-2006）規(guī)定，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力按照最大工作壓力的1.5倍計(jì)算，因此，按照壓強(qiáng)公式(7)計(jì)算：

式中：P 為管道壓強(qiáng)，單位：N/m2；ρ為水的密度，取 1.0×103kg/m3；g為重力加速度，取9.81N/kg；h為輸水管道工作水頭，單位：m。

2.4 蓄水池設(shè)計(jì)

2.4.1 清水池容積計(jì)算

清水池有效容積，按供水區(qū)最大日供水量來確定，標(biāo)準(zhǔn)池系統(tǒng)的基本功能包括簡(jiǎn)易的沉淀、過濾(消毒)和清水池調(diào)節(jié)，以保障水體的基本水質(zhì)和充足的飲用水供應(yīng)。

標(biāo)準(zhǔn)池系統(tǒng)由沉淀池、過濾池和清水池組成一體結(jié)構(gòu)建筑物，建筑投資較省，系統(tǒng)工藝流程：取、輸水→沉淀→過濾→(消毒)清水池→供水；標(biāo)準(zhǔn)池編號(hào)對(duì)應(yīng)供水區(qū)編號(hào)。

2.4.2 清水池結(jié)構(gòu)

根據(jù)供水區(qū)取水點(diǎn)遠(yuǎn)近、高差及地理?xiàng)l件，結(jié)合便于管理，靠近供水區(qū)選址修建；水池基礎(chǔ)要求置于砂巖、砂頁巖中風(fēng)化層；為更有利于建筑物安全，避免地表水對(duì)基礎(chǔ)沖刷破壞以及池內(nèi)水質(zhì)的污染，要求按半埋式修建，即：水池一半埋于地下，另一半表露在地面以上，見圖1。

圖1 蓄水池設(shè)計(jì)平面圖及剖面圖

2.5 過濾池結(jié)構(gòu)

濾料：過濾層采用石英砂濾料，粒徑0.3 mm～1.0 mm；承托層為卵石層，粒徑1 mm～30 mm。承托層底部鋪設(shè)棕墊，過濾料構(gòu)成見表1，過濾池設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 過濾池設(shè)計(jì)剖面圖

表1 過濾材料構(gòu)成表

3 工程總體布置

經(jīng)過方案比選計(jì)算，決定本工程取水設(shè)施修建26口取水池，水源皆來自溪溝水和山泉水，取水池?cái)嗝鏋?.0 m×1.0 m×1.0 m，邊墻為20 cm厚C25混凝土，底板為10 cm厚C25砼。取水池中濾料為碎石。水池的基本功能包括簡(jiǎn)易的輸水、沉淀、過濾和調(diào)蓄、供水管網(wǎng)，以保障水體的基本水質(zhì)和充足的飲用水供應(yīng)。

輸配水工程輸水管經(jīng)計(jì)算選用1.6 MPa和1.25 MPaPE管。由輸水管道經(jīng)清水池后進(jìn)入供水管網(wǎng)，對(duì)人畜飲用水進(jìn)行供應(yīng)，其中水池由沉淀池、過濾池和清水池組成一個(gè)小型的簡(jiǎn)易凈水廠，系統(tǒng)工藝流程：取、輸水→沉淀→過濾→消毒→清水池→供水。消毒采用便攜式二氧化氯發(fā)生器進(jìn)行消毒。

最終，工程的總體布置計(jì)劃修建1 m3的取水池26口，新建6 m3簡(jiǎn)易水廠1座，新建10 m3簡(jiǎn)易水廠8座，新建15 m3簡(jiǎn)易水廠6座，新建20 m3簡(jiǎn)易水廠7座，新建30 m3簡(jiǎn)易水廠3座，新建60 m3簡(jiǎn)易水廠1座，整治80 m3水池一口，安裝管39.25 km。由輸水管道經(jīng)清水池后進(jìn)入供水管網(wǎng)，對(duì)人畜飲用水進(jìn)行供應(yīng)，其中水池由沉淀池、過濾池和清水池組成一個(gè)小型的簡(jiǎn)易凈水廠，系統(tǒng)工藝流程：取、輸水→沉淀→過濾→消毒→清水池→供水。20人以上的供區(qū)通過安裝消毒設(shè)備（采用電解食鹽二氧化氯協(xié)同發(fā)生器）進(jìn)行消毒，20人以下的供區(qū)通過投放藥片進(jìn)行消毒。

4 結(jié)論

（1）農(nóng)村飲水安全工程的設(shè)計(jì)具有一定的共性，這為典型工程設(shè)計(jì)方案的推廣提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，不同地區(qū)只需針對(duì)當(dāng)?shù)厮礂l件和水資源狀況進(jìn)行調(diào)整即可。

（2）農(nóng)村飲水安全工程存在規(guī)模較小，水源條件多樣化，村民居住較分散以及地形較復(fù)雜等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得設(shè)計(jì)過程中需要全面分析、綜合考慮，針對(duì)每個(gè)具體的農(nóng)村飲水安全項(xiàng)目，分析其特點(diǎn)，研究其獨(dú)特性，使得工程的設(shè)計(jì)方案更加的科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)[2-3]。

（3）赤水市葫市鎮(zhèn)在農(nóng)村安全飲水工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這為進(jìn)一步解決農(nóng)村飲水安全問題創(chuàng)造了先決條件，形成了適用于其他地區(qū)和不同取水方式的推廣模式。