湖泊取水工程設計關鍵點分析

孫艷濤

(上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司 安徽合肥 230000)

0 引言

取水工程是供水工程成敗的關鍵。取水工程設施，對整個給水系統的組成、布局、投資及維護運行等經濟行為和安全可靠性具有重大的影響。如何長時間持續有效地為后續凈水廠提供足量、優質的原水是取水工程的重要任務[1]。

本文擬以安慶市應急供水工程為例, 介紹其取水工程設計是如何選擇水源、取水點、取水構筑物等，并結合項目具體情況介紹取水工程設計的要點：進而分析石塘湖的水文特征、河床演變、水下地形、取水保證率、湖體水質等特殊因素，詳細介紹了取水點和取水頭部施工形式，為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

安慶市實施“安慶市應急供水工程”，將破罡湖石塘湖作為安慶市區應急備用水源，與原有供水系統形成統一整體，以更好地為城市服務。該取水工程新建取水泵房一座;設備安裝規模30萬m3/d，從石塘湖引水，通過兩根DN1500自流管引至泵站，然后通過兩根DN1200輸水管輸送至三水廠，再利用三水廠現狀1根DN1200源水管道將部分原水送至二水廠。鑒于取水工程的重要性，本文著重分析取水工程設計中存在的關鍵問題。

2 水源選擇

根據安慶市規委會意見和安慶市供水專項規劃結論：應急供水水源為石塘湖。石塘湖位于安慶城北大龍山之陽，西北為楊橋鎮，東南為白澤湖鄉，在湖的東北部與破罡湖相通，湖面面積現狀14.47km2，規劃22.04km2。

監測控制斷面(點)的現狀水質為II～III類，水質管理目標為II～III類，水質基本滿足生活飲用水原水水質標準。考慮石塘湖距二、三水廠較近，近期方案投資少、施工難度小、便于應急備用水源工程在短時間內完成，該設計方案最終選取石塘湖作為城市供水應急備用水源。

3 河勢演變分析

確定取水口位置時需收集附近河床斷面演變資料，以確保構筑物的安全性[2]，根據該工程《防洪影響評價報告》分析顯示: 工程建設地點位于石塘湖區，上游集水區地表徑流攜帶的泥沙基本沉積于湖內。來水來沙區地貌特征屬于沿江丘陵崗地區，土壤侵蝕強度500t/km2.a，造成湖區預計厚度約為0.9mm/a。根據石塘湖的近年運行情況，河道基本穩定，若平淤在整個石塘湖河內，影響極微。

4 取水量、保證率及水質分析

4.1 取水量、保證率分析

根據該工程《水資源分析論證報告》分析顯示:

(1)現狀年可供水量計算成果

根據水資源論證報告調節計算結果顯示，近期97%保證率典型枯水年區域總來水量4474萬m3，其中陸域來水量4803萬m3，湖面產水量-329萬m3；論證區農業用水量1229萬m3，湖泊滲漏損失量1325萬m3。根據水量平衡原理，近期97%保證率典型枯水年區域可供水量1920萬m3，大于該項目地表水需水量546萬m3。因此，近期論證區域地表水源能夠滿足97%保證率時該項目用水需求。

(2)規劃年可供水量計算表

根據調節計算結果，規劃水平年97%保證率典型枯水年區域總來水量4474萬m3，其中陸域來水量4803萬m3，湖面產水量-329萬m3；論證區農業用水量1057萬m3，湖泊滲漏損失量1325萬m3。根據水量平衡原理，規劃水平年97%保證率典型枯水年區域可供水量2092萬m3，大于該項目地表水需水量546萬m3。規劃水平年論證區域地表水源能夠滿足97%保證率時該項目用水需求。

(3)取水口高程分析

按照《破罡湖流域綜合規劃》擬定的工程調度方案，以及調節計算結果，應急供水情況時，單一考慮石塘湖湖體連續10d供水，在調節計算下，水位為8.6m。因此，取水水位8.6m符合應急供水工程取水設計最低水位要求。

4.2 水質分析

對石塘湖水域水質檢測點進行了布控，如圖1所示，并對檢測點進行約30項(包括總氮、總磷、氨氮)等水質因子化驗，結合監測數據分析結果顯示，石塘湖水質除總氮、總磷局部時段超標外，其他檢測項目均符合《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)規定的Ⅲ類地表水體標準，水質變化分析如圖2～圖3所示。針對石塘湖可能出現的水質污染問題，在凈水廠內設置臭氧+深度處理工段。

圖2 JCD-2水質變化圖

圖3 JCD-9水質變化圖

考慮石塘湖屬于應急供水備用水源地，當地政府正在實施對石塘湖綜合治理工程，主要對沿湖周邊及入湖河道實施截污、清淤、生態修復等工程措施，以確保在工程建設實施后石塘湖水質滿足國家飲用水水源地取水標準。

5 水下地形分析

對石塘湖水域擬建取水頭部位置進行初步測量，在石塘湖水域布置4個測量橫斷面，斷面間距300m。

根據4個測量斷面顯示，湖底高程基本在11.00～7.00之間，石塘湖水下地形較平坦，坡度變化較小，深泓線基本位于湖中心位置。

6 取水點比選

結合湖底高程(約7.19m)和外環北路雨水管道標高(管底標高約10.476m～10.685m)情況，對取水點位置JCD-2和JCD-9進行比選結果如表1所示。

表1 取水點方案優缺點對比表

綜合考慮，選取在方案一JCD-2附近作為該工程取水點。

7 取水構筑物型式

常見的取水泵房形式有岸邊式取水構筑物和江心式取水構筑物兩種：

(1)岸邊式取水構筑物：泵房建在岸邊，直接從江河岸邊進行取水，由進水間和泵房兩部分組成，適用于江河岸邊較陡，主流近岸，岸邊水深較大，水質、地質條件好，水位變動幅度較大的一些場合。按照進水間與泵房布置的不同，可分為合建式和分建式。

(2)江心式取水構筑物：泵房與岸邊式取水構筑物基本相同，但用伸入江河中的進水管(末端設取水頭部)來代替岸邊式進水間的進水孔。適用于河床穩定，河岸較平坦，枯水期主流離岸較遠，岸邊水深不夠而江中有足夠水深的情況。

根據實測的水下地形資料，石塘湖岸坡較緩，深泓處于湖心位置，湖邊為魚塘或高地，從高程和水質兩方面考慮均推薦采取江心式取水構筑物。

8 取水頭部型式

取水頭部的選型，首先要滿足使用功能要求，并綜合考慮地形地質條件、水域特性及施工條件等因素[3]。該工程石塘湖湖底整體較為平坦，水深較淺；結合該工程實際情況，擬采用江心式取水構筑物，需要在湖體中設置取水頭部，以保證泵站在各種運行工況下都能取得水質良好的足夠水量。

取水頭部形式很多，應該根據水源的水文、地質、施工、航運以及含沙量和漂浮物等具體情況確定。常見的取水頭部型式有喇叭管式、箱式等。

(1)喇叭管取水頭部：原水取水管伸入河道后直接采用喇叭口進行取水。喇叭口可根據河床條件和水文情況不同，采用水平式、順水流式、向上式或向下式安裝。

(2)箱式取水頭部：取水頭部為一鋼筋混凝土箱式結構，在其頂面及側面設置進水窗并安裝攔污格柵，取水管伸入箱體進行取水的形式。

兩者投資相差不大，但結合石塘湖水文條件、取水水量、河床深度因素進行綜合考慮，如采用喇叭口異徑管，邊緣已接近湖底，無法保證取水安全深度要求，該工程采取箱式取水頭部。

9 取水工程設計

9.1 設計參數

取水工程包括取水頭部、進水管、吸水井、取水泵房等。

(1)設計取水量

自取水頭部設置自流管，將石塘湖原水引至一級泵房吸水池。供水規模按照26萬m3/d規模設計，因輸水管線較長，沿途滲漏水量按10%計，另，考慮水廠自用水量5%，則取水泵房設計水量按照30萬m3/d計算。

(2)設計水位

根據水資源論證報告顯示，石塘湖最低水位為8.60m，為保證取水安全可靠，設計最低水位取8.60m。

9.2 取水頭部

取水頭部采用箱式取水頭部，箱涵尺寸：L×B×H=11.65m×7.5m×5.1m。取水頭部處,湖底高程約7.5m，設計取水頭部箱涵進水口下底標高7.80m，上口高程8.40m，取水頭部設計如圖4～圖5所示。

設計規模： 30萬m3/d;

格柵數量： 12組;

柵條間隙： 50mm;

柵條寬度： 10mm;

格柵尺寸： 1.75m×0.65m。

圖6 取水泵房剖面圖

圖4 取水頭部設計平面圖

圖5 取水頭部設計剖面圖

9.3 自流引水管

自流引水管采用兩根DN1500鋼管，每根長約1175m，設計流速為1.376m/s，自流總水頭損失約1.4m，兩根取水頭部自流管中心距離4m。

取水鋼管穿越外環北路采用頂管施工，湖體內管道采用水下施工方式，其余部位采用開挖施工方式。

9.4 取水泵房

考慮水廠自用水量和輸水管線漏損量，取水泵房按30萬m3/d規模一次完成，通過自流管引水至泵房吸水池。取水泵房設計如圖6所示。

吸水池設成2格，以利于檢修清洗，中間設過水孔，并設閘門及啟閉機。

泵房采用半地下式，共設置6臺泵位； 泵站內配置5臺雙吸泵(4用1備)，每臺泵參數為Q=3300m3/h，H=46m，電機功率560kW/臺，其中一臺變頻控制。

10 主要施工方式

10.1 取水頭部

根據取水要求，取水頭部可采用鋼筋混凝土箱式結構或鋼構件組合箱式結構。各結構形式各有其優缺點：

(1) 鋼筋混凝土箱式結構：耐久性好，防沖撞能力強，箱體預制吊運水下拼裝、施工能力適應性強。

(2)鋼構件箱式結構：結構自重較輕，材料較省一些，但耐久性較差。由于頭部尺寸較大，拼裝構件多，水下拼裝較復雜，并且防沖撞能力較差。

根據二者優缺點比較，推薦采用鋼筋混凝土箱式結構取水頭部。基礎采用筏板基礎，取水頭部采用圍堰現澆施工。為防止河床沖刷，在頭部四周范圍內拋石護底，確保頭部安全。

10.2 引水進水管

引水進水管采用2根DN1500鋼管，將水引至取水泵房。根據引水管的埋深要求，采用部分水下開挖、部分陸上開挖及部分頂管相結合方式進行施工，管頂覆土不小于1.0m。管道在水下部分，采用開槽浮運、沉管、拋石護管埋設施工；管道穿越已建外環北路時，擬采用頂管施工埋設管道。

11 結語

根據石塘湖基本情況、水文特性、可勢演變，對取水點、取水頭部等進行比選論證，同時結合石塘湖本身的特點，對取水工程設計和施工方式進行了比選分析，最終選擇了江心式箱涵取水頭部、自流管固定式取水方案、湖心圍堰施工方式等，為該工程的順利實施奠定了基礎，對類似湖泊型取水工程建設具有一定的參考意義。