西藏高寒高海拔地區農村供水工程防凍措施研究

李偉 周雙 喬偉 李亞龍 郭華 沙金財

摘要：冰凍會造成高寒高海拔地區農牧民取水用水困難。針對西藏農村供水工程防凍保暖存在的問題，通過實地調研、相關資料收集以及入戶座談等方式，調查了西藏高寒高海拔地區農村供水工程施工的特殊性，分析了農村供水工程凍害的原因，總結了各地采取的主要應對措施，具有較強的實用價值，為高寒高海拔地區農村供水工程建設管理提供重要參考。

關鍵詞：農村供水; 防凍保暖; 高寒高海拔地區; 西藏

中圖法分類號：TU991.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.017

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0101 - 05

0 引 言

西藏是世界上海拔最高、形成時間最晚的巨大高原，地處中國西南邊陲，面積約120萬km2，約占中國陸地面積的1/8，平均海拔在4 000 m以上，素有“世界屋脊”之稱[1-3]。據統計，西藏自治區下轄拉薩市、日喀則市、昌都市、林芝市、山南市、那曲市、阿里地區7市（區），包括74個縣（區），12個街道，140個鎮，545個鄉，9個民族鄉，208個居委會，5 259個村委會，全區常住人口330萬余人，其中農村人口（含牧區）233萬余人[4]。作為亞洲“水塔”的西藏，河流湖泊數量均列全國之首，水資源極其豐富，但時空分布極不均勻，加上特殊的自然地理條件，存在工程性缺水問題[2]，特別是部分社會經濟發展落后的農牧區，農牧民取水用水困難相對突出。

農村供水工程作為民生工程，是保障農村居民生存和身體健康的重要基礎設施[5]。黨中央、國務院、西藏自治區高度重視農村飲水安全工作，特別是“十三五”以來，全區因地制宜，或鋪設管道引水，或建設機井、大口井、光伏井等供水工程，大大提高了農牧區的供水質量，改善了用水條件，農村飲水安全工程建設實現了“量”到“質”的發展轉變。通過“十三五”規劃的實施，西藏累計落實投資50.62億元，建設工程點1.7萬處，鞏固提升203萬農牧民飲水安全，共解決52.29萬建檔立卡貧困人口飲水安全問題。截至2020年底，全區共建成農村飲水安全工程2.8萬處，農村飲水集中供水率97%，自來水普及率80%，農村飲水安全問題得到了有效解決。

西藏大部分農牧區位于嚴寒或寒冷地區，海拔高，地處偏遠，交通條件差，而且基礎設施落后，特別是供電設施不完善，又無集中采暖設施。工程規模普遍偏小是西藏農村供水設施的顯著特點，例如那曲市與阿里地區地廣人稀，每平方千米不足1人，居住非常分散，農村供水工程主要以水井為主，許多水井的服務人口不足20人。惡劣的自然條件導致冬季供水管道和設備凍害嚴重，室外自來水設施容易凍裂。與其他地區相比，寒冷地區農村供水工程與設施普遍存在冬季工程防凍保暖問題[6]。對于西藏農村供水系統，冰凍是造成供水用水問題的主要危害之一。本文針對西藏農村供水工程普遍存在的冬季結凍問題，通過實地調研、資料收集與用水戶座談等方式，調查了西藏高寒高海拔地區農村供水工程施工的特殊性，分析了凍害的原因，總結了各地主要應對措施，提出了高寒高海拔供水工程監管建議。

1 農村供水工程施工的特殊性

西藏自治區大部分縣區為高海拔地區，其中至少有28個縣（區）屬于高寒高海拔地區[7]，涉及4個地市，即阿里地區噶爾縣、普蘭縣、札達縣、日土縣、革吉縣、改則縣與措勤縣7縣，那曲市色尼區、班戈縣、尼瑪縣、雙湖縣、申扎縣、嘉黎縣、聶榮縣、索縣、巴青縣、比如縣、安多縣11個縣區，山南市曲松縣與浪卡子縣2個縣，日喀則市昂仁縣、康馬縣、崗巴縣、定結縣、定日縣、薩嘎縣、薩迦縣和仲巴縣8個縣。這些地區年平均氣溫在0 ℃左右，平均海拔4 300 m以上，總面積超過80萬km2，占全區面積65%以上，其中那曲市雙湖縣是目前世界上海拔最高的縣級行政區。這28個縣每年施工周期非常短，僅有5～6個月，由于地形的特殊性，大部分地區凍土層在1～3 m。據調查，高寒高海拔地區大部分的供水方式為打井取水，如那曲地區采取太陽能機井、機電井或大口井等方式取水，有的工程建設取水采用泵房或保暖房、高位蓄水池或水塔等方式。

2 農村供水工程的凍害原因

造成農村供水工程水工建（構）筑物及管網結凍的原因可分為自然因素和人為因素。

（1） 農村工程供水凍壞的自然因素主要是供水建（構）筑物在地基土凍脹作用、融沉作用下遭到破壞，管網則因為其中的水結冰而凍裂[8]。通常農村飲水安全工程的建筑物基礎與凍土膠結在一起， 凍土對建筑物基礎產生凍脹力， 凍脹作用是不均勻的， 當凍脹力足以造成建筑物產生變形或喪失穩定性時， 建筑物便會發生凍脹破壞， 這是高海拔季節性凍土區水工建筑物遭受凍脹破壞的主要原因。此外，高海拔凍土區在春季消融時， 土體強度不足， 水工建筑物基礎滑動或塌陷， 砌體隆起、開裂、滑動和塌陷， 進而造成破壞。在歷年凍融循環及寒凍風化作用下，供水主管產生凍裂，水工建筑物也加速老化甚至損壞。

（2） 農村供水工程凍壞的人為因素主要有設計不合理、施工不規范和管護不到位等。由于設計不結合高寒高海拔凍土區客觀實際情況、對地基土凍脹力的作用考慮不充分或不予考慮，同時又未采取防凍害辦法措施，水工建筑物在地基土凍脹力作用下喪失穩定性而受到破壞。在未充分考慮極端氣候條件的情況下，設計水工建筑物混凝土的配合比時水灰比過高或混凝土標號過低、輸（配）水主管直接埋在凍土層或埋深不夠， 均會造成農村供水工程水工建筑物凍害和水管凍裂。施工不規范也會造成水工建筑物凍害破壞。施工時灌漿不滿、墻背不勾縫、不平整， 混凝土建筑物震搗不密實、形成蜂窩、麻面，冬季寒冷時容易形成冰楔或掛霜結露，引起不規則裂縫或水平裂縫。農村供水工程使用的建筑材料、管道材料標準低，特別是老舊工程年久失修、工程老化造成破壞。各地防凍災應急機制不完善或未建立，造成農村供水工程凍災損失擴大。

3 農村供水設施防凍保暖措施

3.1 重視供水工程設計工作

目前農村供水工程的設計依據主要有SL 310-2019《村鎮供水工程技術規范》[9]、GB 50013-2018《室外給水設計標準》[10]以及《給水排水設計手冊 第3冊 城鎮給水》[11]等，這些標準規范中的許多條款規定了寒冷地區的防凍保暖設計要求，在實際設計中起到了重要的指導作用。西藏特殊自然環境地理條件及社會經濟發展水平決定了其農村供水工程設計特殊要求，更需要重視起農村供水工程設計工作。對于西藏偏遠高寒高海拔地區，農村供水工程設計的各個方面（用水量、水源、取水、水處理、調節構筑物、輸配水管網及相關建（構）筑物等）都應符合當地自然地理條件和社會經濟發展水平、基礎設施狀況、運行管理水平等特點，以此確定合理且經濟的設計方案，并在工程實踐中不斷對其進行優化、改進，這樣才能使工程更好地服務西藏農牧民，為建設美麗西藏與實施鄉村振興戰略建設創造良好的條件。

在確保工程可靠性的同時，應重視相關建（構）筑物的采暖及保溫措施。項目建成后，要加強運行管理和后期檢修，確保取得良好的保溫效果。

3.1.1 建（構）筑物采暖

SL 310-2019《村鎮供水工程技術規范》要求，寒冷地區的泵房應有保溫或采暖措施。西藏高原海拔高，空氣稀薄，屬于太陽能資源豐富區，大部分地區太陽輻射值為140～190 kcal/（cm2·a-1）[1]，通常采用太陽能采暖系統，不僅環保還節能。為了防止供水系統在寒冷季節發生凍結，一般采用輔助電加熱系統，確保其可靠運行。

3.1.2 建（構）筑物保溫

建（構）筑物保溫一般采取以下措施[2，12]：① 根據當地日照條件，科學合理確定建（構）筑物朝向，充分利用太陽能，收集盡量多輻射熱量;② 為減少當地寒風的影響，對農村供水工程建筑物形態進行合理設計，設計成 L 形或U 形;③ 為提高建筑物保溫性能，可考慮新型節能復合墻體、節能玻璃以及屋面等措施，對建筑窗墻比進行合理控制以提高其保溫性能。

3.1.3 取水井保暖

采用保溫效果很好的PVC 樹脂合成罐，其取水井特點是“一井兩路，冬夏兩用”，即一口取水井，設計兩條線路取水。為防止冬天由于管內回水而凍壞，把位于地面以下部分的立桿裹埋在土中，上部立柱預留一定的高度，結合室外立桿利用橡膠軟管供水。冬季用水時，將懸掛在井內的取水軟管提出，擰開水龍頭即可取水，用水完畢后，把軟管直接掛回取水井，這樣不僅可以防止冬季室外立桿結凍，而且還使水管免遭暴曬。夏季取用水時，直接利用室外的立桿水龍頭供水。

3.2 農村供水設施防凍措施

3.2.1 從源頭解決冬季供水不正常問題

根據各地農村供水工程建設實踐經驗，選擇最優方案建設取水口。例如：有泉水的地方可選擇泉水作為取水口;河流上修建取水口時，一般根據實際情況采用截潛流或攔河壩取水方式。

3.2.2 深埋管道

由于季節性的氣溫變化，土壤也會隨著溫度發生周期性的凍結與融化。若將管道直接淺埋在表層土壤中，溫度過低，管道內的水會發生凍結，產生凍脹，甚至可能將管道漲裂;同時因低溫凍結，土壤體積將會變大，會向周圍的介質施加凍脹力，也會破壞管道[13]，因此，農村供水工程管道應敷設在當地凍土層以下，防止冬季管道結冰凍損。根據GB/T50662-2011《水工建筑物抗冰凍設計規范》，在農村供水工程的基礎防凍害埋置深度設計前， 需要確定土質和地下水情況， 充分了解當地的氣溫、 凍脹、 降雪、 凍深等有關特性。設計凍深可按下列公式進行計算確定：

[Zd=ψdψwZm]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

[ψd=α+（1-α）ψi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[ψw=1+βe-Zw01+βe-Zwi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：[Zd]為設計凍深，m;[ψd]為日照及遮蔭程度影響系數;[ψw]為地下水影響系數;[Zm]為實測歷年最大凍深，m;[α]為系數，可根據建筑物所在的氣候區進行查表確定; [ψi]為典型斷面（建筑物或渠道走向N-S，底寬與深度之比B/H=1.0，坡率m=1.0）某部位的日照及遮蔭程度修正系數，陰（或陽）面中部的值按地理位置查圖確定;[β]為系數，可查規范圖確定; [Zw0]為當地或鄰近氣象臺（站）與最大凍深相應的凍前地下水位深度，m，與土壤類型有關;[Zwi]為計算點的凍前地下水位深度，m，可取計算點地面或開挖面至當地凍結前地下水位的距離。

為保證管網系統不受凍害和免受外力破壞，須根據當地近10 a甚至更長年限的基礎氣象數據和凍土深度數據的觀測資料（那曲市與阿里地區部分縣區數據見表1），確定歷年最大凍土深度，按照《村鎮供水工程設計規范》等相關設計手冊要求[9-11]，綜合考慮外部荷載、管材強度、管材變形、管道交叉、場地地基以及土壤冰凍程度，通過熱力計算確定管底在凍土層以下的距離，確定管道埋深。無資料時可參照表2進行確定[14]。

3.2.3 淺埋與保溫層相結合

淺埋與保溫層相結合的防凍措施主要用于巖石層開挖困難、地下水位過高等特殊情況[5]。在靠近河岸的地方，地下水位相對較高，采用淺埋保溫法。一般用聚氨酯合成材料（聚氨酯泡沫）作為保溫層。與傳統建筑材料相比，聚氨酯泡沫在力學性能、保溫效果、防火性等多方面具有優勢，具有良好的耐寒性與耐熱性，適合寒冷地區使用[15];可用預制成型或現場澆筑的方法將聚氨酯泡沫保溫層敷于管道防腐層外，操作簡單，方便迅速，效率高。為克服管道深埋工程的施工土方量大、施工工期長等弊端，同時解決嚴寒地區農村供水管道的凍脹問題，可嘗試內管采用聚氯乙烯管材，外管采用聚丙烯管材的給水管材，中間保溫層采用發泡的聚氨酯硬質泡沫，構成雙層管道以實現防凍保暖，基本可以解決給水管道在冬季運行時發生的凍脹問題[16]。

3.2.4 管道保暖

對西藏農牧區暴露在外的水管以及室外埋地水表、水龍頭等設施，冬季通常使用舊棉衣、棉麻織物、塑料泡沫或專業保溫材料等進行包扎以實現防凍保暖，確保正常供水。在供水管道上加裝伴熱帶，采用時間、溫度控制和保溫等措施，可以解決供水管道凍結的問題[16]。那曲市色尼區的部分農村供水工程采取此方法對供水管道進行保暖，效果良好。

3.2.5 管道放空及防凍給水栓

末端供水設施防凍主要是解決連接末端水龍頭管道的防凍問題。在冬季用完水以后，泄空凍土層以上管道中的水，通常在凍土層以下（最低點）設置泄水井的方式來泄空管道防凍，或采用立管防凍栓，放空后的管道中無水，則不會發生因水凍脹作用而使水管受到破壞。為了解決管道直接放空卻不節水的問題，節水防凍給水栓在市場上應運而生，其基本原理是：節水防凍栓具有內外兩層不同管徑的ABS管，在埋地進水管上安裝一個堵水球閥進行控制，取用水時，把連接出水內管的手柄壓下，堵水球閥就會開啟，水則從內管中自動流出;用水完畢后，向上輕輕提起手柄，堵水球閥將自動關閉，同時內管中的水則回流到管道底部，于是凍土層以上水管內為空，從而達到防凍效果[12]。

3.2.6 流動法防凍

若是自來水用水戶，冬季水龍頭中的水只要不停地流動，就不會結冰引起末端凍結而影響取用水。根據氣象部門的天氣預報或多年的生活經驗，預知次日氣溫低于零下3 ℃時，在當日傍晚將水龍頭稍微開啟，保持水龍頭長流水，自來水管就不易結凍。但此方法不節水，一般情況下不推薦使用。

3.2.7 水井防凍措施

西藏地區以地下水為水源的農村供水工程很普遍，主要有機井、大口井以及手壓井等。對于機井提水工程，一般都建有井房（泵房），井房內安裝水泵提水，其冬季防凍措施主要是井房內保溫，防止水泵及管道內結冰。據調研，阿里地區與那曲市農牧區通常將井房建設成陽光取水房（保暖房），利用太陽能被動采暖方式進行采暖。對于大口井，部分地區也建設有井房，可采用傳統取暖裝置，建設陽光保暖房。對于采用手壓井取用水的用戶，冬季夜間為防止結冰，在用水完畢后，用手提起井筒上部的單向出水橡皮墊，把井筒上部的水放空，這樣就不會結冰，再次使用時，加一點“引水”便能手壓取水[6]。

3.2.8 蓄水池防凍措施

針對農村供水工程中對水工建筑物水池（如高位蓄水池、調節池、清水池等）防凍措施主要有以下幾種：在開挖困難的地方，如石質山區等，可將水池建在地面以上，為防止冬季水池結冰，需要采取保溫層設計、加厚池壁等措施。在開挖相對容易的地方，可把水池建在地面以下，也可采用半挖半填方式，并進行堆埋覆土保溫，并且這兩種方法都要求使水池頂部埋深不小于當地最大凍土層厚度，以防止冬季結冰[5]。

3.3 應急保障措施

根據西藏農牧民寒冷季節取用水的實際情況，對農村供水設施應急保障措施總結如下：若水管或水表已結冰，不可直接用火烘烤或用開水急燙，如果水管的材質是PVC管或PP-R管，為避免水管或水表爆裂，可采用熱毛巾敷在水管（水表）上，然后再用熱水沖淋。若水龍頭因凍結而不能用水時，等升溫化凍后可自動恢復正常使用;或者采用溫熱水（40 ℃左右）淋沖裸露在外的水管，待其化凍后可用水。若水表長期不用，則需要關閉表前控制閥，并且將水表及表后管中的水放空。若用水戶冬季臨時外出或長期不在家，為防止出現緊急情況無法及時處置而造成經濟損失或影響周圍鄰居正常用水，應把聯系方式留給鄰居。高寒高海拔地區冬季因水管、水表、水龍頭等設施夜間冰凍導致次日不能解凍而影響取用水的現象時有發生，尤其是背陰位置情況較為突出，用水戶應提前貯好水以備用。

4 高寒高海拔地區供水工程管理建議

4.1 加強施工監管

在農村供水項目實施過程中，要重視施工質量，嚴格施工程序，加強工程施工過程中的全過程監督。對供水工程所需的各種管材、提水設備、水泥、鋼材等應統一采購，對進場各類材料、供水設備進行質量抽檢，嚴格按照施工規范要求進行管道敷設，管道安裝施工要滿足埋深及防凍要求，確保管材施工質量。各地在工程驗收過程中應嚴格把控工程檔案資料驗收標準，加強督促檢查力度。

4.2 強化監督檢查

加強對轄區內農村供水工程防凍保暖工作的指導、監督和檢查，把防凍保暖工作作為重要工作來抓。要加強供水設施日常巡查維修，完善供水設施防寒保暖措施，建立健全應急保障工作機制。要積極做好防寒防凍的物資儲備，在冬季來臨前，提早購置閥門井蓋、鐵鍬、除雪工具等材料，為防寒防凍工作提供充足的物資保障。

4.3 做好宣傳教育

加強對用水戶安全用水知識和自我防范意識的宣傳，向用水戶提供防凍保暖的便民技術服務，幫助和指導用水戶做好用水設備的防凍保暖工作。加強農村供水工程維修技術技能的培訓，提高農村供水管水員對農村供水管網熟悉度，對損壞供水設施部件及時更換。加強對入戶管網末端設施的防護保護知識宣傳。

4.4 總結經驗加強推廣

加強總結提煉好的冬季防凍保暖做法經驗，積極推廣、落實各類農村飲水安全工程冬季防凍措施技術和管護措施。例如，可積極推廣那曲市“微型太陽能機電井工程”、昌都市供水管道“太陽能+電熱絲輔助保暖”模式和“用戶端自動感應換水系統+新型防凍水龍頭方式供水”模式，可解決農村供水工程冬季供水保障水平不高的問題。為進一步提高高寒高海拔地區供水設施冬季供水保障水平，應加強對供水防凍保暖技術的研發、應用與推廣。

參考文獻：

[1] 李亞龍， 惠軍， 羅文兵， 等. 西藏農村飲水安全工程建設管理實踐與探索 [M]. 北京： 科學出版社， 2019.

[2] 符成澤. 對西藏偏遠高寒縣城給水工程設計的思考 [J]. 給水排水， 2015， 51（7）： 27-30.

[3] 郭永剛，達娃，劉志林，等. 西藏水利概況[M]. 拉薩：西藏自治區水利廳，2015.

[4] 西藏自治區統計局， 國家統計局西藏調查總隊. 西藏統計年鑒（2017）[M]. 北京： 中國統計出版社， 2017.

[5] 張漢松. 關于農村供水發展的幾點思考 [J]. 中國農村水利水電， 2011（12）： 76-77，85.

[6] 丁昆侖， 孫文海， 賈燕南. 農村供水工程防凍保護措施 [J]. 中國農村水利水電， 2013（12）： 98-100，107.

[7] 唐玉潤. 淺談西藏28縣高寒高海拔縣城給水工程施工的特殊性 [J]. 工程技術， 2016，11（6）：145.

[8] 梁亞偉. 山區丘陵高海拔季節性凍土區農村飲水安全工程凍害原因及防治 [J]. 水利科技， 2008（4）： 5-8.

[9] SL310-2019 村鎮供水工程技術規范? [S].

[10] GB50013-2018 室外給水設計標準 [S].

[11] 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司. 給水排水設計手冊（第三版） 第3冊 城鎮給水 [M]. 北京： 中國建筑工業出版社， 2016.

[12] 趙偉. 西藏高寒高海拔偏遠縣城末端供水設施研究 [J]. 給水排水， 2018， 54（12）： 85-88.

[13] 曹美樂. 寒區凍融環境下村鎮給水管道保溫分析 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2016.

[14] 矯立超，戎賢，孔祥飛，等. 聚氨酯泡沫在節能建筑中的應用 [J]. 工程塑料應用，2019，47（3）：140-144.

[15] 白莉，王炎，劉曉龍. 嚴寒地區村鎮給水管道周圍土壤溫度場的數值模擬 [J]. 吉林建筑工程學院學報， 2014，31（3）：45-48.

[16] 陳常寶，葛恩軍，焦自顏，等. 冬季畜舍供水管道防凍保溫技術 [J]. 中國畜禽種業，2017，13（4）： 97.

（編輯：李 晗）

Discussion on anti-freezing and warming measures for rural water supply

projects in Tibet area with high altitude and extremely cold

LI Wei1，2，ZHOU Shuang2，QIAO Wei1， LI Yalong1， GUO Hua2， SHA Jincai3

（1. Institute? of? Agricultural? Water? Conservancy， Changjiang? River Scientific? Research? Institute， Wuhan 430010 China; 2. Division of? Rural Water Conservancy， Hydropower and Water Conservation， Department? of? ?Water? Resources? of? Tibet? Autonomous? Region，

Lhasa? 850000，  China; 3. Shannan Water? Resources Bureau， Shannan 856000， China）

Abstract： Freezing is one of the main hazards of water intake for farmers and herdsmen in high altitude areas of Tibet. By means of on-site investigation， data collection and discussion with users，this study investigates the particularity of rural water supply projects in high altitude areas of Tibet， and analyzes the causes of freezing damage of rural water supply engineering，and summarizes the main countermeasures in the present situation.the summarized measures have strong practical value. It can provide an important reference for the design suggestion and management of rural water supply facilities in high altitude area.

Key words： rural water supply; high altitude and extremely cold area; anti-freezing and warming;Tibet