典型農(nóng)村供水工程設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)
——以翁源縣礤下片供水工程為例

吳世輝

（韶關(guān)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

1 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

1）地形地貌。工程區(qū)位于翁源縣西南面，地勢(shì)總體為自東南向西北傾斜，地形地貌主要包括低山丘陵和沖積平原兩個(gè)地形地貌單元，沖積平原與丘陵山地交錯(cuò)，天然植被基本覆蓋各山體，局部受人為因素的影響，存在少量水土流失，土壤侵蝕以水力侵蝕為主，侵蝕方式為面狀侵蝕和溝狀侵蝕。

2）地層巖性。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及工程地質(zhì)測(cè)繪，區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較為完整，自新到老地質(zhì)年代有：第四系沖洪積層、石炭系、泥盆系及燕山早期第三階段地層。

3）水文地質(zhì)條件。區(qū)域內(nèi)地下水類型主要賦存于第四系土層內(nèi)的孔隙水以及賦存于基巖中的基巖裂隙水，地下水主要為大氣降雨補(bǔ)給，由山體向河流排泄。

根據(jù)W p=0.1h p F（萬m3），式中：h p為年徑流深（mm），F(xiàn)為集雨面積（km2），0.1為單位換算系數(shù)。各水源點(diǎn)多年平均徑流量見表1。

表1 水源點(diǎn)多年平均徑流量

2 全域供水供需分析

供水水源均為山溪水，水源點(diǎn)集雨面積合計(jì)為2.06 km2。包括上山坑，壩址以上集雨面積為0.41 km2；天光腦，壩址以上集雨面積為1.04 km2；牧牛坪，壩址以上集雨面積為0.61 km2。根據(jù)水源取水點(diǎn)位置、受益行政村的分布及結(jié)合建設(shè)單位的意見，在礤下村背后的山坡上新建水廠，原水經(jīng)輸水管輸水至水廠，經(jīng)凈水設(shè)備凈化消毒后，進(jìn)入清水池，最后由清水池經(jīng)配水管網(wǎng)輸送至各個(gè)自然村供水點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 翁源縣全域供水工程平面布置圖

供水工程生活需水預(yù)測(cè)需根據(jù)供水范圍內(nèi)現(xiàn)狀受益人口數(shù)和規(guī)范要求，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展情況，考慮人口自然增長(zhǎng)率及城鎮(zhèn)化率等因素，預(yù)測(cè)規(guī)劃水平年受益人口數(shù)及需水量。本工程項(xiàng)目是為解決周陂鎮(zhèn)礤下片居民的生活用水，受益供水人口15 760人。供水人口按下式計(jì)算：

p=p0（1+r）n+p1

式中 p0——各供水范圍內(nèi)的現(xiàn)狀常住人口數(shù)（人）；

r——設(shè)計(jì)年限內(nèi)人口自然增長(zhǎng)率，本縣取5.75‰；

n——工程設(shè)計(jì)年限（年），本次取10年；

p1——設(shè)計(jì)年限內(nèi)人口機(jī)械增長(zhǎng)總數(shù)。

居民生活用水量計(jì)算公式：

式中 w——居民生活用水量（m3/d）；

p1——設(shè)計(jì)用水居民人數(shù)（人）；

q——最高居民日生活用水定額（L/人·天）

根據(jù)以上徑流計(jì)算和需水量計(jì)算，對(duì)本工程進(jìn)行供需平衡分析。采用P＝95%的枯水年的年徑流量進(jìn)行水量平衡計(jì)算。本供水工程水量平衡不考慮河道生態(tài)流量。經(jīng)水量平衡分析計(jì)算，全年上山坑徑流總量21.60萬m3、天光腦徑流總量54.80萬m3、牧牛坪徑流總量32.10萬m3，可用水量共計(jì)108.50萬m3，月供水水量30.28萬m3，剩余水量78.22萬m3，水廠水源點(diǎn)來水能滿足用水需求。根據(jù)需水量計(jì)算，本工程最高日供水量為1 261.76 m3/d，故擬建水廠，設(shè)計(jì)供水規(guī)模確定為1300 m3/d。

根據(jù)供水規(guī)模，擬新建取水陂3座，新建水廠1座（包含550 m3清水池1座，管理房1座、凈水設(shè)備1套及其附屬建筑物）及敷設(shè)供水管網(wǎng)44.18 km。本工程水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模為1 300 m3/d。

3 供水工程設(shè)計(jì)

本工程在上山坑、天光腦及牧牛坪新建取水陂取水，水源均為山溪水，壩址區(qū)域內(nèi)植被良好，無污染源，水質(zhì)良好。工程涉及供需水量平衡分析、水陂取水和水廠廠區(qū)工程、凈水工程、輸配水工程以及管道鋪設(shè)等供水工程體系設(shè)計(jì)。

3.1 取水陂設(shè)計(jì)

本工程新建取水陂3座。陂頭基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化花崗巖上。新建水陂陂身材料為C20埋石混凝土，陂高1.5 m，埋深0.8 m，陂后坡比1∶0.8，在陂后設(shè)置鋼筋混凝土消力池，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置簡(jiǎn)易沖沙口0.8 m×0.7 m（寬×高），新建水陂導(dǎo)墻墻身材料為C20埋石混凝土，墻高1.7 m，埋深0.4 m。見圖2。

圖2 取水陂剖面圖

本次計(jì)算選取天光腦水源點(diǎn)新建水陂為例進(jìn)行過流計(jì)算。水陂為全開敞式溢流壩，可直接利用堰流公式計(jì)算該溢流堰的泄流能力：

式中 σs——淹沒系數(shù)；

m0——流量綜合系數(shù)，按折線形式用堰的流量系數(shù)表取值；

B——溢流堰凈寬；

H0——堰頂水頭，取H0=H+v02/2g。水陂水位流量關(guān)系曲線見圖3。

圖3 水陂水位～流量關(guān)系曲線

由于水陂所在地為“V”形河谷，新建水陂導(dǎo)墻沿兩岸山體布置，防止水陂兩岸土體滑落對(duì)水陂造成影響，不影響水陂過流。

本工程水陂形式為曲線型實(shí)用堰，需進(jìn)行壩基面抗滑穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算復(fù)核。本次設(shè)計(jì)按抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行水陂的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與應(yīng)力的計(jì)算：

①抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式：

式中 f——陂體與陂基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)；

∑W——垂直力總和；

∑P——水平力總和；壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K值應(yīng)不小于1.20。

②陂體陂面垂直正應(yīng)力公式：

式中 σyu——上游面垂直正應(yīng)力（kPa）；

σyd——下游面垂直正應(yīng)力（kPa）；

B——壩體計(jì)算截面沿上下游方向的水平寬度（m）；

ΣW——作用于壩段上或1 m壩長(zhǎng)上全部荷載（包括揚(yáng)壓力，下同）在壩基截面上法向力的總和（kN）；

ΣM——作用于壩段上或1 m壩長(zhǎng)上全部荷載對(duì)壩基截面形心軸的力矩總和（kN·m）；

水陂穩(wěn)定計(jì)算選取兩種工況（相對(duì)高程）：工況一，壩前正常水位為0.7 m，下游正常水位為0.5 m；工況二：壩前設(shè)計(jì)水位為1.7 m，下游設(shè)計(jì)水位為1.2 m，計(jì)算壩基面抗滑穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算。見表2。

表2 壩基面抗滑穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算

由上述計(jì)算結(jié)果可知，水陂設(shè)計(jì)抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；陂趾的應(yīng)力小于壩基允許壓應(yīng)力，水陂應(yīng)力情況滿足規(guī)范要求。

3.2 水廠廠區(qū)工程設(shè)計(jì)

新建水廠廠區(qū)地坪高程為238.0 m，水廠主要建筑物包括凈水設(shè)備基礎(chǔ)、清水池、消毒房、加藥房及附屬建筑物等。凈水設(shè)備基礎(chǔ)尺寸為9.4 m×7.7 m，采用C25鋼筋混凝土澆筑，基礎(chǔ)厚度為350 mm。清水池總高度為6.05 m，埋深為3.0 m。清水池池壁及底板均采用C25鋼筋混凝土澆筑。見圖4。

圖4 清水池剖面圖

需對(duì)水廠廠區(qū)靠山體內(nèi)側(cè)開挖形成的邊坡、靠山體外側(cè)回填形成的邊坡進(jìn)行防護(hù)處理。廠區(qū)附屬工程主要包括廠區(qū)擋墻、排水溝、圍墻及廠區(qū)大門等主要建筑物。擋墻靠山體側(cè)開挖邊坡布置，設(shè)計(jì)形式為仰斜式擋土墻，擋墻采用C20混凝土澆筑，具體結(jié)構(gòu)形式見圖5。

圖5 擋墻剖面圖

根據(jù)擋墻斷面布置情況，選取擋墻最不利斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，工況為完建期工況和非常運(yùn)用工況，計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 擋墻穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算

從表3可見該擋墻斷面穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3.3 凈水工程設(shè)計(jì)

本工程主要采用一體化凈水設(shè)備對(duì)源水進(jìn)行凈水處理，凈化后的清水進(jìn)入清水池，采用次氯酸鈉裝置對(duì)清水進(jìn)行消毒，消毒之后經(jīng)配水管網(wǎng)輸送至用戶，凈水器處理規(guī)模為q=62.5 m3/h。凈水器的凈水工藝流程如圖6所示。

圖6 凈水工藝流程示意圖

3.4 輸配水工程

本工程為新建供水工程，在水源點(diǎn)新建取水陂，敷設(shè)輸水管道引水至水廠，源水經(jīng)一體化凈水設(shè)備凈化后進(jìn)入清水池，再經(jīng)配水管網(wǎng)輸送至各個(gè)自然村供水點(diǎn)，具體布置見圖1。

3.5管道鋪設(shè)工程

根據(jù)本工程的特點(diǎn)及當(dāng)?shù)亟o水常用的管材（球墨鑄鐵管、玻璃鋼管、PE管、鋼塑復(fù)合管及鋼管）進(jìn)行比選，通過對(duì)管道強(qiáng)度、抗腐性、施工條件、造價(jià)等各方面因素綜合比較，工程采用PE100管。管道敷設(shè)采用地埋敷設(shè)為主，局部路段沒有地埋條件的，可以明敷。見圖7。經(jīng)過水力相關(guān)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，本工程供水管網(wǎng)總長(zhǎng)度為44.18 km。其中，輸水管長(zhǎng)度合計(jì)為9.86 km，配水管長(zhǎng)度合計(jì)為34.32 km。管徑范圍dn32～dn250 m。

圖7 管道敷設(shè)開挖斷面圖

4 供水工程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

本工程項(xiàng)目以供水為主要目標(biāo)，總體效益以社會(huì)效益為主，故經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)以國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)為主，評(píng)價(jià)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)合理性。

4.1 工程效益增量

本項(xiàng)目靜態(tài)總投資為1 310.45萬元，分1年實(shí)施，國(guó)民經(jīng)濟(jì)年運(yùn)行費(fèi)總額為18.33萬元，工程效益涉及供水和社會(huì)效益，按增量法計(jì)算：

1）供水效益。該工程年供水量45.63萬m3，影子水價(jià)采用1.50元/m3，則年供水效益68.44萬元。

2）社會(huì)效益。本工程建成后可提高供水的保證率，解放農(nóng)村勞動(dòng)力，改善和提高農(nóng)村的生活條件、農(nóng)民的生活質(zhì)量和健康水平；減少疾病的發(fā)生，節(jié)省醫(yī)療費(fèi)用；加快農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和群眾脫貧致富，加快農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村社會(huì)的穩(wěn)定、和諧發(fā)揮積極作用。由此產(chǎn)生的效益如下：每年節(jié)省取水工日的效益為23.1萬元，每年發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的效益23.1萬元，每年減少治病支出的效益為20萬元，總計(jì)年社會(huì)效益為66.2萬元。

4.2 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

本工程是以供水效益為主的工程，按“規(guī)范”新建防洪、治澇、灌溉、城鎮(zhèn)供水等工程的正常運(yùn)行期30～50年。工程的正常運(yùn)行期取30年，據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，工程的建設(shè)期為1年，故工程的計(jì)算期為31年。以工程建設(shè)的第一年為計(jì)算期的起點(diǎn)，社會(huì)折現(xiàn)率IS=8%。經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率EIRR=12.13%＞8%（本工程為民生工程，其社會(huì)折現(xiàn)率IS取8%），當(dāng)IS=8%時(shí)，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值NPV=365.6萬元＞0萬元，經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比1.34＞1，綜上所述，國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)是可行的。

4.3 經(jīng)濟(jì)敏感性分析

為進(jìn)一步論證國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的可靠性，選取固定資產(chǎn)投資和效益作為敏感因素進(jìn)行敏感性分析。按固定資產(chǎn)投資增、減10%，效益增、減10%兩項(xiàng)不確定性因素單獨(dú)發(fā)生浮動(dòng)進(jìn)行敏感性分析，分析成果見表4。

表4 國(guó)民經(jīng)濟(jì)敏感性分析

從敏感性分析結(jié)果可以看出，當(dāng)投資變化率在10%上、下浮動(dòng)，其經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率仍大于社會(huì)折現(xiàn)率，均不改變工程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)論，說明本工程在經(jīng)濟(jì)上具有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

5 結(jié) 論

以翁源縣礤下片供水工程為研究背景，進(jìn)行水源確定和供需水量平衡計(jì)算分析，在上山坑、天光腦及牧牛坪新建取水陂取水，水源均為山溪水，水質(zhì)良好，工程最高日供水量為1 261.76 m3/d，水廠水源點(diǎn)來水能滿足用水需求。設(shè)計(jì)出一套取水陂工程、水廠廠區(qū)工程、凈水工程和輸配水工程的供水工程體系，并進(jìn)行安全計(jì)算復(fù)核，皆滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)和敏感性分析指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。