高揚程提水解決農村飲水安全問題在喀斯特山區的應用

【摘要】貴州由于特殊的喀斯特地形地貌，溝壑縱橫、地表起伏較大，由于居住條件限制，造成一些農村存在人高水低的問題，須通過高揚程提水方式解決這部分群眾的飲水安全問題。本文通過以盤縣滑石鄉巖腳村、巖腳小學農村飲水安全工程高揚程提水為例，對喀斯特山區修建高揚程提水泵站進行介紹，為類似工程提供參考。

【關鍵詞】高揚程；喀斯特；飲水安全

1、引言

在貴州喀斯特山區，由于山高谷深，農村群眾往往居住在較高的地方，形成人高水低，可通過修建高揚程的提水泵站解決當地村民飲水安全問題，與傳統的修建蓄水池、水窖的方式相比，修建提水工程具有造價更低，工程選址更容易等優點；而水池、水窖存在著修建成本高，在貴州修建水池、水窖的人均投資約為1200元/人，通過高揚程修建提水泵站具有修建成本低（約535元/人），水源水量保障，水質好等優點。因此，對于居住較為分散、高程較高、附近有可靠江、河、湖、庫、泉的地方，通過高揚程電提的方式解決群眾的飲水問題是最經濟合理的。

2、水源及徑流

2.1 工程水源

本工程項目區采用兩個水源進行供水，水源類型均為山間泉水。灣子頭龍潭和楊家龍潭基流穩定，經現場進行桶測，灣子頭龍潭和楊家龍潭實測流量分別為：3.1L/s、5.6L/s。泉水枯水流量同時采用鄉鎮水利站多年監測最枯流量數據進行排頻，P=95%保證率下灣子頭龍潭和楊家龍潭的枯水期流量分別為：2.2L/s、4.62L/s，按照農村飲水安全工程設計要求，項目區水源枯流采用統計計算值。灣子頭龍潭和楊家龍潭出露點附近無污染源，兩泉點相距較近，出露高程相當，項目區內碎屑巖和碳酸鹽廣泛分布，氣候濕熱，雨量豐富集中，導致侵蝕地貌發育，在碎屑巖分布區呈典型的浸蝕脊狀中山地貌，巖石產狀和傾角基本一致，兩水源水質清澈，因此認為兩泉點水質具有一致性。

2.2 降水量及徑流

根據盤縣氣象站1965年～2004年共40年的逐月降雨資料統計分析，年降水量均值=1390，Cvx=0.20，Cs=2Cvx，各頻率年降水量如下表。

表1 盤縣氣象站各頻率年降水量成果表

P（%）12510205075909599備注

KP1.521.451.351.261.160.990.860.750.70.59X=1390

Cvx=0.20

Cs/Cvx=2

XP21132016187717511612137611951043973820

從上表可知，P=90%項目區年降水量為1043mm。參閱貴州省1956-2000同步期年降水量等值線圖和變差系數Cv等值線圖，查得項目區年降水量為1400mm左右，Cv值為0.18，與盤縣氣象站資料平均降水量1390mm接近，設計采用年降水量均值=1390，Cvx=0.20，Cs/Cvx=2。《貴州省地表水資源》是統計1956年～1979共計24年的資料，經貴州省水文總局刊印出版，供貴州省水文工作者使用，具有權威性，而氣象站的降雨觀測資料，反映的是附近區域或相似下墊成面區域的降雨情況，為了安全起見，項目區多年平均徑流深以《貴州省地表水資源》<多年平均徑流深等值線圖>查值。項目區多年平均降水量為1400mm左右，多年平均徑流深 700mm左右。徑流的變差系數根據《貴州省地表水資源》中的公式計算：

（式1）

式中：—年徑流變差系數；—年降雨量變差系數，=0.20；F—集雨面積；α—徑流系數，α=0.46；m、β、γ——地區性經驗參數；m=0.7，β=0.04，查《貴州省地表水資源》附圖得γ=1.10。

根據上式計算得項目區年徑流變差系數=0.39，結合《貴州省地表水資源》上有關等值線圖，確定項目區年徑流的變差系數Cv為0.35，偏態系數Cs取2Cv。

3、工程設計

3.1 泵站設計

3.1.1 泵站型式選擇

本工程泵站擬采用地面式磚混泵房，泵站布置于水池旁。

3.1.2 壓力鋼管管道水頭損失計算

水頭損失計算，提水管道水頭損失根據《水力學計算手冊》進行計算，鋼管的沿程水頭損失hf宜按下列公式計算：

（式2）

式中：L—壓力鋼管的長度，m；D—鋼管的內徑，m。其中：

（式3）

n—鋼管管材的糙率，值為0.0115。

3.1.3 管道敷設

提水管道采用明管敷設，根據項目區地形，在轉彎處設鎮墩，兩鎮墩之間采用砼支墩進行支撐，支墩間距為6m。

3.1.4 鎮墩的穩定計算

在管道因地形等原因需改變方向的地方要設置鎮墩，目的是用來承受由此產生的不平衡力，防止管道在改變方向處產生位移，確保管道安全。鎮墩的抗滑穩定安全系數最小值取=1.3，根據抗滑穩定安全系數，計算鎮墩的重量，具體計算公式為：，根據鎮墩重量再擬定鎮墩的尺寸。

3.1.5 設計揚程

本工程楊家龍潭泵站設計揚程為靜揚程+揚水管總水頭損失，各泵站設計揚程詳見下表：

3.1.6 泵站水力機械

泵站均安裝多級離心泵2臺，一用一備。根據上述流量、揚程計算結果，各泵站水泵選型如表3：

楊家龍潭泵站至巖腳1#高位水池D46-30×5多級泵，電機功率為30kw，單獨向巖腳1#高位水池提水，至巖腳2#高位水池由50DL×5立式多級泵直接提水。各泵站水泵性能參數表如下：

1）灣子頭泵站

查各水泵性能曲線，所選水泵的流量和揚程 均滿足設計要求。

3.1.7 泵站水錘壓力計算

①水擊波傳播速度

C=1435/（1+Kd/Ee）1/2=1435/（1+αd/e）1/2（式4）

式中：C為圓形均質管（e/d<1/20）水擊波的傳播速度，m/s；d為管徑，m；e為管壁厚度，m；K為提水水質的體積彈性模數值，Gpa，正常溫度下K=2.025Gpa；α=K/E；E為管材縱向彈性模數，Gpa，對鋼管E=206Gpa，α=0.00983。

②水擊類型分為直接水擊和間接水擊，根據水擊相時計算水擊波在管路中往返一次所需的時間，然后確定閥門關閉所需時間確定水擊類型。當閥門關閉時間等于或小于一個水擊相時，瞬間關閉閥門產生的水擊為直接水擊，當閥門關閉時間大于一個水擊相時為間接水擊。

Tt=2L/C （式5）

式中：Tt—水擊相時，為水擊波在提水管路中往返一次所需要的時間，s；L為計算管長。

③水擊類型判別

直接水擊水頭（Tg≤Tt）：

Hd=Cv0/g=2Lv0/gTt （式6）

間接水擊水頭（Tg>Tt）：

Hi= 2Lv0/g（Tt+Tg） （式7）

式中：Hd為直接水擊水頭，m； Hi為間接水擊水頭，m；關閥為正，開閥為負；v0為閘門前水的流速，m/s；Tg為閥門關閉時間，s；g為重力加速度，g=9.8m/s2。

設計選用鋼管，Tt=2L/C （L為計算管長，m）；取閥門關閉歷時Tg=5s，Tg>Tt，故閥門產生間接水擊，Hi= 2Lv0/g（Tt+Tg），輸水管道按靜水頭與水擊水頭之和計算管道承壓力。

3.2 水池設計

由于楊家龍潭供水區已建2個78m3高位水池，因此本工程只考慮灣子頭龍潭供水區高位水池，根據《村鎮供水工程技術規范》（SL310-2004），供電保證率低或輸水管道和設備等維修時不能滿足基本生活用水需要的工程，調節構筑物的有效容積可按最高日用水量的40%～60%設計。本片區最高日用水量為91.4 m3，因此確定水池容積為50m3，底板高程1855.0m，設為圓形漿砌石水池。直徑6.0m，水深1.8m，有效容積為50m3。池墻采用M7.5水泥砂漿砌塊石砌筑，頂寬0.4m，底寬0.80m，迎水面直立，背水面坡度為1：0.2，池底采用25cm厚M7.5漿砌石墊層上加10cm厚的C15砼防滲，水池邊墻內側采用3cm厚M10水泥砂漿抹面防滲，圓心設300×300mm C20鋼筋砼柱。為防止供水管在今后的運行期間堵塞，在池底設置一φ100沖沙管，出水管和沖沙管出口均設一閘閥控制。水池頂部采用12cm厚的C20鋼筋砼蓋板，配φ8@200上層雙向鋼筋，φ8@150下層雙向鋼筋，并設置700×700mm的進人孔。

3.3 水質消毒設計

本工程規模較小，根據水質化驗報告，原水水質較好，濁度滿足規范要求，雜質少，主要為細菌微生物指標超標。因此將水提至高位水池，在高位水池處安裝二氧化氯消毒器進行消毒殺菌，水質即可滿足生活飲用水衛生要求。

4、結論及建議

一、工程人均投資相對水池、水窖低。貴州喀斯特地貌廣布，山地多，復雜的地形、地貌和特殊的自然環境，致使地表水的利用難度大，地下水開發利用困難，缺少可靠的大中型蓄水工程。大部分農村飲水安全工程項目較為分散，工程規模小，項目多而覆蓋面廣，人高水低，在“十一五”、“十二五”期間，往往這些都是通過修建集雨工程，即小水池、小水窖解決，經過多年的探索總結，小水池、小水窖存在諸多弊端，水質較差，特別是抵御旱災的能力差，遇到干旱季節，造成項目區群眾臨時飲水困難。為徹底解決這部分群眾的飲水安全問題，有效的方法就是通過高揚程提水的方式，從位置較低的地方提水飲用。如實際應用工程貴州省盤縣滑石鄉巖腳村、巖腳小學農村飲水安全工程，該項目位于貴州典型的喀斯特深山區、石山區，具有貴州農村供水工程的顯著特征，項目區周邊無大型可靠的蓄水工程，僅有位置較低處的泉水。按照傳統的思路，一般按照“一戶一窖”的方式，修建水池、水窖。

二、方便統一管理，水質有保障。相比水窖工程，提水工程的優點是供水保證率高、水質可統一集中進行凈化、消毒處理，確保水質有保障，可供水到戶。但為提高工程的可靠性，確保工程長效良性運行，因此在修建高揚程提水工程的過程中，要積極引導當地群眾，介紹提水工程較水窖工程的優點，并講解飲水衛生知識，使他們愿意接因修建提水工程而承擔相應水費，促進工程的興建和后續管護。

參考文獻：

[1] 劉家春， 王鐵鏈. 高揚程泵站的水泵選型[J]. 排灌機械工程學報， 2001， 19（3）：20-22

[2] 趙娟. 長距離高揚程泵站水泵選型問題的探討[J]. 陜西水利， 2013（2）：154-155.