洞庭湖區域城鄉一體化供水工程設計實例

郝建勛 劉亞斌

(1.湖南省水務規劃設計研究院有限公司，湖南 長沙 410008； 2.長沙市燃氣熱力事務中心，湖南 長沙 410013)

0 引言

安鄉縣，位于湖南省北部，隸屬于湖南省常德市，位于東經110°59′～112°18′，北緯29°08′～29°46′；縣境南北長71 km，東西寬30 km，總面積為1 087.032 km2。該縣北接湖北省公安縣、石首市，南抵漢壽縣，東連南縣，西至鼎城區、澧縣、津市等縣。

安鄉縣位于洞庭湖區域，地表水資源豐富，但由于三峽工程實施后，該地區部分河流水量減少，在枯水期經常斷流，當地部分鄉鎮的水廠無法以這些斷流的河流作為飲用水源。因此該縣除縣城及鄰近的鄉村外，其他鄉鎮只能以地下水作為飲用水源。

因社會發展的需求，該縣各鄉鎮都加大了地下水資源的開采。導致該地區地下水水位逐年下降，抽升水量逐步減少，供水成本隨著抽升高度的增加、輸水距離的延長而大幅度增長。此外，由于各鄉鎮水廠的管理水平、設備狀況參差不齊，無法有效保障各地生產生活用水，加上各鄉鎮地下水普遍存在寄生蟲、鐵錳含量超標等問題[1]，長期飲用將對人的健康有直接的影響,很大程度上會影響人的遺傳基因甚至壽命。綜上所述，原有的鄉鎮供水體系無法保障水質水量的穩定，對人民群眾的飲水安全造成了危害。

為了改善該縣人民群眾的用水安全問題，切實提高該縣環境質量和人民生活水平。新建水廠及相關的輸水管道，實現城鄉一體化供水，解決相關鄉鎮的供水安全問題迫在眉睫。

1 工程概況

本工程建設內容主要為新建安鄉縣黃山頭供水，工程設計規模為3萬m3/d，工程建設內容包括取水工程、自來水廠及配水管網。建成后黃山頭水廠將取代原有的16座鄉鎮自來水廠，直接向供水范圍內的9個鄉鎮供水，服務人口達21萬。

2 取水工程

2.1 水源的選擇

對安鄉縣境內的幾條河流進行了水源方案比較和水資源論證，結果表明，松滋河水質較好，水量保證率滿足該縣供水要求。因此，確定本工程取水水源為松滋河，明塘湖為備用水源。松滋河水量能滿足城市供水要求，其水源水質豐水期達到Ⅱ類水質標準，枯水期為Ⅲ類水質[2]。

2.2 取水點及取水方式

針對場地地質條件、上下游有無污染源、對航運影響、施工便利性等幾個方面進行了比選，最終確定取水點位置位于松滋河(明塘湖段)與公安縣交界處，防洪堤內，取水方式采用河床式取水構筑物。

2.3 取水工程的設計

本工程設計取水泵站1座，與松滋河—明塘湖換水泵站合建，兼具了取水與明塘湖換水、補水的功能(取水泵和換水泵合建，且共用集水池)。設計流量：Q=3.15萬m3/d(考慮水廠自用水系數5%)。取水泵站采用矩形泵房，半地下式，分3層，第1層為集水池、第2層為檢修平臺、第3層為配電間；平面尺寸為：B×L=12.0 m×7.40 m；結構形式：鋼筋混凝土結構。設置水泵5臺，原水輸水水泵3臺，出水單管D426×10，出水總管D820×10；換、補水水泵2臺，出水單管換水管2根D820×10，用于明塘湖的換水和補水。

3 凈水工程

3.1 廠址的選擇

考慮地勢標高及工程地質、與水源距離、防洪排澇、施工便利性、配水方式及其投資經濟性等方面，經綜合比選，最終廠址選擇在標高約72 m～79 m的黃山頭鎮采石場。此廠址方案可有效利用高地勢，減少配水管網中途加壓泵站的數量及保障供水壓力，節約造價及能源。

3.2 凈水廠的設計

3.2.1 凈水廠工藝的選擇

由于本工程水源松滋河在枯水期水質為Ⅲ類水質，COD、氨氮、總磷等污染物濃度均有所升高，因此常規的混凝—沉淀—過濾—消毒凈水處理工藝無法對水中的上述幾種污染物進行有效去除。為了使原水經處理后符合GB 5749—2006生活飲用水衛生標準的要求，需進行氧化處理及深度處理。本工程凈水工藝選用為預臭氧氧化+常規處理工藝+臭氧—活性炭深度處理。具體工藝流程如圖1所示。

3.2.2 主要構筑物簡介

1)預臭氧池。

預臭氧可以起到去除水中有機物質、藻類、改善絮凝效果等作用，因此廣泛應用到凈水工程中。本工程預臭氧池接觸時間為4 min，設計臭氧投加量為1 mg/L[2]，87.5 m3，有效水深為4.10 m。

預臭氧池主要設備包括尾氣破壞器及風機1套，功率：P=4.0 kW，電加熱式；臭氧擴散系統1套；正面進水板框架式旋轉濾網1組，寬度B=1.5 m，功率P=4.0 kW。

2)配水混合井。

設一座圓形配水混合井，直徑D=3.00 m，水深3.4 m，配水井混合時間為60 s；采用機械攪拌混合方式，混合井內設漿式攪拌機1套，漿式攪拌機轉速48 r/min，功率P=7.5 kW。

3)網格絮凝平流沉淀池。

本工程絮凝池與沉淀池合建，共設2座，每座設計規模Q=1.5萬m3/d。尺寸L×B×H=49.30 m×11.05 m×5.30 m。其中絮凝時間為17 min[1]，GT=5.00×104；平流沉淀水平流速為12.0 mm/s，停留時間為1.8 h。沉淀池設計有效水深為3.0 m，設計出水濁度小于5 NTU。

沉淀池采用泵吸式吸泥機進行排泥，數量：1臺，型號：ZBX-11.35，電機功率1.1 kW；同時配套8臺潛污泵，N=0.75 kW，Q=22 m3/h，H=7.0 m。

4)氣水反沖洗V型濾池。

設1座氣水反沖洗濾池，采用渠道連接。濾池共為6格，單池面積30 m2，雙排布置，平面尺寸29.28 m×24.36 m。單格尺寸：6.0 m×5.0 m。

設計參數為：

設計流量：Q=1 312.50 m3/h；

正常濾速：V=7.35 m/h；

強制濾速：V=7.38 m/h(一格沖洗時)，V=9.23 m/h(一格沖洗時一格檢修時)；

表面掃洗強度：q掃=2.0 L/(s·m2)，歷時12 min；

單獨氣洗：氣洗強度q氣=15.0 L/(s·m2)，歷時2 min；

氣水沖強度：q氣=15.0 L/(s·m2)，q水=3 L/(s·m2)，歷時4 min；

水洗強度：q水=6 L/(s·m2)，歷時6 min；

反沖洗時間：12 min；

正常過濾時濾池反沖洗周期：36 h；

濾層厚度：1 300 mm；

承托層厚度：120 mm；

濾料采用石英砂濾料，石英砂粒徑為0.8 mm～1.0 mm，不均勻系數K80=1.25[3]。

濾池采用長柄濾頭配水系統。長柄濾頭和濾板組成一套配水配氣系統，屬于小阻力配水系統。長柄濾頭由上部濾帽和下部直管組成。每只濾帽上開有多條縫隙，縫隙在0.5 μm～0.25 mm之間，視濾料粒徑決定。濾頭布置數一般為48個/m2～60個/m2，開孔比約1.5%。

濾池反沖洗采用氣水反沖洗，反沖洗泵及鼓風機設在反沖洗泵房、鼓風機房內，設反沖洗水泵3臺，2用1備，單泵流量Q=324 m3/s，揚程H=12 m，功率P=18.5 kW；羅茨鼓風機3套，2用1備，風量Q=13.50 m3/min，風壓P=50 kPa，功率N=22 kW。反沖排水進入回收水池。濾池單格進水及排水采用氣動閘板閥門；清水出水、反沖進水及反沖進氣采用氣動閥門控制。在鼓風機房內設置提供壓力氣源的空壓機。濾池反沖洗按運行周期、出水濁度、水頭損失等自控進行。

5)臭氧接觸池。

接觸時間：10 min，分三段接觸和布氣，第一段、第二段和第三段的接觸時間分別為2 min，4 min和4 min，布氣量分布為50%，25%和25%。臭氧投加量：1.5 mg/L；余臭氧不大于0.2 mg/L。

接觸池有效容積218.75 m3，接觸池平均水深5.75 m；接觸池有效面積38.04 m2。

主要設備包括尾氣破壞器及風機2套，電加熱式；臭氧擴散系統2套；臭氧取樣檢測系統2套。

6)活性炭濾池。

設1座活性炭濾池，采用渠道連接。濾池共為6格，單池面積30 m2，雙排布置，平面尺寸24.36 m×20.05 m。

設計參數為：

設計流量：Q=1 312.50 m3/h；

正常濾速：V=7.35 m/h；

強制濾速：V=7.38 m/h(一格沖洗時)；V=9.23 m/h(一格沖洗時一格檢修時)；

表面掃洗強度：q掃=2.0 L/(s·m2)，歷時12 min；

單獨氣洗：氣洗強度q氣=15. 0 L/(s·m2)，歷時2 min；

氣水沖強度：q氣=15.0 L/(s·m2)，q水=3 L/(s·m2)，歷時4 min；

水洗強度：q水=6 L/(s·m2)，歷時6 min；

反沖洗時間：12 min；

正常過濾時濾池反沖洗周期：72 h；

濾層厚度：2 000 mm；

承托層厚度：200 mm。

濾料采用煤質顆粒活性炭濾料。活性炭下鋪設100 mm厚石英砂墊層，石英砂粒徑為0.8 mm～1.0 mm。石英砂墊層下為200 mm的承托層，礫石層粒徑為2 mm～32 mm[3](粒徑分布及厚度從上到下分別為：d=2 mm～4 mm，H=50 mm；d=4 mm～8 mm，H=50 mm；d=8 mm～16 mm，H=50 mm；d=16 mm～32 mm，H=50 mm)。

濾池采用長柄濾頭配水系統。長柄濾頭和濾板組成一套配水配氣系統，屬于小阻力配水系統。長柄濾頭由上部濾帽和下部直管組成。每只濾帽上開有多條縫隙，縫隙在0.5 μm～0.25 mm之間，視濾料粒徑決定。濾頭布置數一般為48個/m2～60個/m2，開孔比約1.5%。

活性炭濾池采用氣水反沖洗，反沖洗系統與氣水反沖洗濾池共工。反沖排水進入回收水池。濾池反沖洗按運行周期、出水濁度、水頭損失等自控進行。

7)清水池。

清水池屬于調蓄構筑物，凈水廠清水池的有效容積應根據產水曲線、送水曲線、自用水量及消防儲備水量等確定，并滿足消毒接觸時間不小于30 min的要求。設清水池2座，單座容積V=3 200 m3，鋼筋混凝土結構，單池尺寸L×B×H=32.0 m×25.0 m×4.35 m(有效水深4.0 m)。

每座清水池內設超聲波液位儀和余氯監測儀(各1個)，主要監測清水池中的液位高度和余氯量。

8)送水泵房及配電間。

送水泵房和配電間合建，送水泵房平面尺寸為15.4 m×7.5 m，配電間尺寸：20.00 m×10.00 m，包括變壓器室、配電室、值班室。時變化系數Kh=2.2～2.5，選用離心泵4臺，3用1備，單泵流量Q=250 m3/h～695.5 m3/h～940 m3/h,揚程：H=40 m～30 m～20 m，功率N=110 kW；送水泵房向16座水廠集中供水。

4 配水工程

4.1 配水管網對接方案

該項目由16座鄉鎮小水廠施行供水一體化，統一由大水廠配水，實施的重點和難點是大水廠一級配水管網與現有鄉鎮小水廠二級配水管網對接方案的選擇，以及對水量、水質和水壓的保障措施。

大水廠的出廠水有兩種方式接入鄉鎮配水管網：一是接入清水池，由鄉鎮小水廠送水泵房進行二次加壓供水；二是接入二級配水管網，由大水廠一次加壓后直接供水。

通過調蓄功能、送水泵房揚程、二次污染、投資及運行費用等方面綜合考慮，本方案采用大水廠加壓統一供水，直接對接鄉鎮小水廠主干管為主的方式進行配水，輔以接入清水池，對距離大水廠較遠的鄉鎮水廠采用二次加壓供水。兩種對接方案的結合可有效降低系統壓力，同時降低運行能耗。

4.2 配水管網設計

配水管網線路如圖2所示，黃山頭水廠到各鄉鎮配水廠的配水干管，總長度89.47 km，管徑DN1 200～DN200。管徑不小于DN500采用球墨鑄鐵管，管徑小于DN500選用PE管材，過河管線采用鋼管。

敷設小港水廠、團結水廠、沙堤水廠、星港水廠四個水廠到村鎮用戶的配水支管，總長度558.15 km，管徑De315～De20，采用UPVC管。配水管網的附屬構筑物包括閥門井、泄水井、排氣閥井、支墩等。配水管網線路圖如圖2所示。

5 結語

針對項目水源水質特點及用水水質要求，本著供水安全及降低能耗的原則，本工程采用了高效合理地凈水處理工藝，經濟合理的管網建設方案，項目的建設與實施有效打破了城鄉供水二元結構，使當地廣大人民群眾飲用水安全得到了保障，明顯減少了當地由于飲用不衛生的水而引起的疾病，有力地促進當地經濟健康、快速發展。