農村供水工程重力輸水技術研究

王科

摘 要：推動農村供水工程可持續發展需要從管徑安排、設置填墩、進（排）氣閥、減壓裝置和管道附件、減少水錘對管道的破壞性等方面入手，以此控制工程造價，提高供水效率。本文圍繞于此一一作了分析。

關鍵詞：農村;供水工程;重力輸水技術

社會經濟發展推動了農村供水工程建設的發展步伐，尤其是重力輸水技術的運用，使得供水安全性與質量得以進一步提升。但在工程建設中的投資成本大與輸水管道不規范鋪設等問題不能忽視。為推動農村供水工程可持續發展，還需從管徑安排與輸水管鋪設等工作入手分析調整，以此控制工程造價，提高供水效率。

1 科學安排管徑

在農村供水工程設計中，不分析工程具體情況，僅通過常用方法計算管道阻力，主觀憑借經驗確定管徑，會造成設計失誤，對此科學計算意義重大。根據公式（管段設計流Q;流速Ve;輸水管道內徑D）可知，在采用安全流速情況下，管徑與流速成反比。根據公式h1=L×i（單位管長水頭損失i;管段長度L;沿程水頭損失h1），可了解單位管長水頭損失情況。從PVC-U 管道經濟配置入手分析，當管長（110m）、流量（0.04m3/s）、高差（3.35m）固定，流速為0.95m/s時，計算與設計管徑分別為0.22m、0.25m，水頭損失為0.40m，工作水頭為3.12m。流速為0.16m/s時，計算與設計管徑分別為0.16m、0.20m，水頭損失為2.35m，工作水頭為2.30m。流速降低，計算與設計管徑、工作水頭下降，水頭損失隨之提高。對此，減少管徑控制工程造價，可在安全流速下選擇DN160設計值。

2 科學設置填墩

提高管網安全性，應當在管網拐點處、斜坡道布置填墩。同時壓力與水頭損失會隨著管網彎道的增多而提高，對此，應當盡量保持管網線路的直線型，擺放管道時應按照管道尺寸、形狀確定，盡可能地減少伸縮段與管網造價成本，確保施工質量。

3 科學設置進（排）氣閥

農村勞作與生活用水時段集中，為控制管內流速與流量，需及時充氣與排氣，減少負壓對管道破壞，確保重力流輸水安全。對此，需在管線高低點、上下坡段等科學設置進（排）氣閥，減少管道氣囊的影響，提高管網運行穩定性。管道系統在實際應用中，受到氣水混合運動等運動形態影響，加之地下埋設的地形變化影響，為防止出現堵水等情況，需按照流速在水平管段設置進（排）氣閥;在上坡管段終止點的高點處安裝排氣閥;在變坡轉折點，應在下坡起點安裝空氣閥;下坡管段排氣輔助進氣;上坡管段進氣輔助排氣。根據公式×1.05D1（被保護管道內徑D1;氣閥排出空氣流速v1;水流速度v;氣 閥通氣直徑d1），進行進（排）氣閥科學設計。

貴州山區松桃縣以林密、山高坡陡、深谷等地貌特征為主，供水工程水源以深山溪流為主，重力輸水貫穿山間溝壑，縱向坡度i>2%，在管道隆起點設置了自動排氣閥設置;在低洼與反坡走向坡腳點處，設立了口徑>1/3管徑的排空閥;在低于DN100管徑與無隆起點、長距離的平滯管段處，間隔1km設立了排氣閥，以減少輸水阻力。并在同一高程控制點處，以雙閥串聯方法安裝減壓閥，以此確保管道系統正常運行。管道進出水口處，要求閥門的口徑與水管直徑一致，對>500mm的管徑，需減少閥門口徑，但應>80%。在輸水管的管橋上、最高處設立了排氣閥，對<300DN管徑以單口排氣閥為主，口徑是輸水管徑的1/2-1/5。對>400 DN管徑以雙口排氣閥為主，口徑為1/8-1/10。根據放空時間確定排空閥、排水管的直徑。

4 合理設置減壓裝置

基于重力輸水技術的農村供水工程，在實踐中，應嚴格按照規范要求，對管網水頭>60m與高差>40m的管網，合理安裝減壓閥與安全閥。管網配水時的動力壓力控制，可通過提高沿程水頭損失、縮小管徑方法實現;靜水壓力控制，可通過設置減壓閥或減水井等方式實現，通常使用減壓閥（200XP型）方法控制動靜水壓力，在自控度、壓力調節靈活度、保證率等方面的優勢，都是減壓井方式不能比擬的，同時不會出現減壓井溢水等問題。最大程度發揮減壓閥作用，還需控制以下施工要點;一是根據減壓閥進出水方向進行水平或垂直安裝。二是為延長減壓閥壽命，應合理安裝過濾器。徹底清洗管路系統后安裝減壓閥，避免臟物進入閥門。三是在過濾前安裝截止閥。為確保洪水連續性與穩定性，多采用并聯安裝減壓閥的手段，截止閥應在減壓閥前后安裝。四是壓力表安裝在減壓閥前后，與閥門進出口端的間距>5DN。五是為了提高安裝維修便利性，需在閥門出水端安裝軟接口。六是在運輸減壓閥時，應當加強穩固保護，安裝中不能與硬物撞擊。存放減壓閥的環境達標，防止橡膠材料出現質量問題，應與電氣焊等熾熱環境保持一定距離。

比如，云南省芒市勐嘎鎮集鎮供水工程建設后，主要為集鎮生態綠化、工業、周邊村組供水，輸水距離長達13km，年供水量18萬m3，總落差325m，使用DN250、DN300輸水管道直徑。在減壓方面采用了減壓池方案，以降低動靜水壓力影響。設置減壓池后，正常運行水壓顯著降低，滿足水壓需要的同時，多余水頭得到控制，動靜水壓力減少，管路漏失水量與工程造價逐漸優化。減壓池直徑3.25m，池深6m，進水管與溢流出水管位置分別為2m、5m，進出水管管徑DN250，承壓0.6～1.8MPa，減壓池填入高壓水后，水流與井壁、池底撞擊后向上翻滾，能量大量消失，沿上端出輸水管溢流進下級輸水管道。

5 減少水錘對管道破壞性

管網安全運行中，不能忽視壓力管道受水錘的破壞影響。直接水錘水頭（Hd）根據公式Cv1/g或2Lv1/gTt公式計算;間接水錘水頭（Hi）根據公式2Lv1/g（Tt+Tg）計算，式中g為重力加速度（9.81m/s）;Tg為關閉閥門時間。影響水錘壓力的因素較多，包括管長流速與閥門啟閉時間等。減少水錘的危害措施如下，一是管道長度、水錘壓力成正比;對此，可在管長<500m處設置閥門。二是合理安裝節制閥門，以便于檢修維護。三是管內流速、水錘壓力成正比，對此，要求流速在流速限制范圍內。四是延長閥門啟動時間，防止水錘破壞管道。

長距離重力輸水工程中，水錘保護措施多樣，包括超壓泄壓閥、緩沖排氣閥、箱式雙向調壓塔等。從超壓泄壓閥保護措施入手分析，由先導閥與主閥組成，當管道壓力達到極限時，閥門自動開啟，以泄出流量方式減壓，壓力穩定安全運行的管道，閥門處于關閉狀態。管道水錘壓力得以有效控制，但對斷流水錘負壓情況無法控制，且國內的超壓泄壓閥都存在動作滯后1-2s、拒動作等問題，但在農村水利工程中的應用，還需根據實際情況選擇水錘保護措施。

6 合理設置管道附件

合理安裝檢修閥門，根據事故排除難度、管材強度等狀況確定閥門間距，控制在5-10km范圍內。合理設置水力控制閥，并在各閥門處合理設置檢修閥。從輸水管道入手分析，各類管道安裝，建議用柔性接頭或伸縮器，以減少埋設地形變化與溫差等因素對管道質量的影響。

7 成效

農村供水工程，具有典型的長距離輸水管網、供水覆蓋面廣、陡峭地貌地面、管網首末高差大、保證率高等特征，對于管網保護設備安裝與氣錘保護措施、管道運行安全性與穩定等提出了更高要求。實施重力流輸配水技術，可切實發揮水力條件優勢，控制安全流速，可有效減少管徑，工程造價隨之優化。管網合理布置，利于重力流輸水技術優勢最大程度發揮，真正實現了不費時費力的用水，且管網維修管理便利。如托克遜縣供水工程，在引水方式方面，紅山水庫出水口高程為358m，中間高程76m，末端高程120m，無法實現明流輸水，選擇壓力管道輸水。在線路選擇方面，第一條線路設定從紅山水庫引出，沿科爾堿公路設定管線，東出紅山直線至工業園區，管線總長約36m，侵占耕地255畝，方案投資4542萬元。第二條線路設定從紅山水庫引出，沿科爾堿公路設定管線，東出紅山轉折穿越戈壁灘、托克遜縣草場區、博斯坦鄉作物種植區至水廠處，管線總長約38m，侵占耕地93畝，方案投資4318萬元。從技術與投資等方面綜合考慮，最終選擇第二條設計線路。在管材選擇方面，選擇了玻璃鋼管，在抗腐蝕性與施工便利性、使用年限、輸水衛生標準、單米管材價格（835元）等方面的特征優勢，都是球墨鑄鐵管、混凝土預應力管等管材不能比擬的，整體方案經濟效益顯著。

總之，農村水利工程關乎農村經濟建設，為解決農村用水量小與居住分散、用水設施滯后等飲水問題，引入了重力輸水技術。加強實施方案比對，可有效確保實施成效。同時基于該技術的供水管網，管理便利且工程造價低，具有較高的應用推廣價值。

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