尚義縣大青溝水廠集中供水工程分區供水方案分析

沈麗妍

（河北省水利水電勘測設計研究院集團有限公司，天津 300250）

1 工程背景［1］

尚義縣位于河北省西北部，內蒙古高原南面，東與張北縣接壤，南以長城為界，與山西天鎮、河北懷安、萬全各縣相鄰，西部、北部與內蒙古商都、興和縣交界。受水文地質條件限制，項目區現狀供水以單村和分散式供水為主， 地下水源大多是高氟水、 苦咸水。 受水源條件限制，部分工程設施老化、群眾生活需求標準提升等因素影響， 農村飲水安全呈現動態性、階段性、難鞏固、易反復的特點。實施大青溝水廠集中供水工程， 是整合項目區從分散到集中供水安全的鞏固與提升，也是落實省委、省政府打贏脫貧攻堅戰的重要保障措施。 新建大青溝集中供水工程對水質進行凈化處理，再由水廠向各個村莊供水，能夠改善村鎮飲水水質保證供水安全。

2 工程范圍與規模

尚義縣大青溝水廠集中供水工程共涉及大蘇計鄉、大營盤鄉、大青溝鎮及三工地鎮4個鄉鎮，141個村，46280人。

設計基準年：2016年； 遠期設計水平年2031年。根據SL310—2019《村鎮供水工程技術規范》［2］規定，工程供水規模應根據最高日居民生活用水量、 公共建筑用水量、飼養畜禽用水量、企業用水量、澆灑道路和綠地用水量、消防用水量、管網漏失水量和未預見用水量等總和確定。結合當地實際用水情況，項目區最高日居民生活用水定額為： 一般村莊衛生設施較少取50L/p·d；大蘇計、大營盤及大青溝樓房處衛生設施較齊全取80L/p·d，最終確定大青溝水廠最高日用水量3922.36m3/d，水廠規模設計4000m3/d。

3 工程管材確定

為確保供水安全，目前管道設計一般采用球墨鑄鐵管（DIP）、焊接鋼管（SP）、鋼塑復合管、聚乙烯管（PE）、加筋聚乙烯PE管和抗沖抗壓雙軸取向聚氯乙烯管（PVC-O）［3］。 通過對上述幾種管材優缺點的比選，并結合大青溝水廠工程區位于山區的特點， 綜合考慮確定重力自流配水管道采用PVC-O管材， 泵站加壓配水管道采用加筋聚乙烯PE管。PVC-O管材采用承插連接，加筋聚乙烯PE管采用熱熔連接， 普通地段管材壓力等級采用1.0MPa，穿越位置壓力等級采用1.25MPa。

4 工程供水方案

4.1 供水分區方案確定

給水工程設計目的是為了選擇以最低基建投資和最少年經營費來滿足用戶用水要求的方案。 確定何種工程方案最優， 應根據各方案的基建投資和年經營費用進行經濟評價。

本工程供水范圍地形多為山區， 大青溝水廠廠區設計地坪為1374.5m，供水村莊最低高程1281m，最高地面高程1383m，地形高差較大。 為有效利用地形高差產生的自由水頭， 節約水廠運行成本， 降低能耗，本工程采用分區供水：即重力自流與泵站加壓［4］相結合的供水方式。初步確定供水方案：為保證最不利村莊村口自由水頭不低于16m，擬定以地面高程為界位于1340m及以下的村莊采用重力自流供水方式，地面高程高于1340m的村莊采用泵站加壓供水方式。

采用重力自流供水方式的村莊大致分布在大青溝鎮的西北方向，地勢較低。其中沿主線方向的小五村、 張科村和師家卜村的地面高程分別為1346.7，1351.1，1344.0m，均大于1340m，但這些村距離大青溝水廠較近，總水頭損失較小，經計算入村自由水頭均滿足大于16m的要求，因此將小五村、張科村和師家卜村都劃分至重力自流配水系統中； 位于整個管網末端的大蘇計鄉（1330m）雖地勢不高，但距離大青溝水廠較遠，經水力計算，若要滿足大蘇計鄉入村自由水頭大于16m，則需要擴大整個配水管網的管徑，管網流速［5］較低且工程投資較高，因此將大蘇計鄉劃分至泵站加壓配水系統中。 除小五村、 張科村、師家卜村和大蘇計外，其余地面高程小于1340m的供水村均列入重力自流配水系統中， 重力自流配水系統的供水范圍為60個自然村， 常住人口15861人，供水規模1246.49m3/d。

采用加壓供水方式的村莊分布在大青溝鎮的東南方向，地勢較高。 地面高程大于等于1340m的列入泵站加壓系統， 供水范圍為62個自然村， 常住人口29001人。 另外公家洼、囫圇房等9村、2271人均含在大青溝樓房3892人內；位于管網下端的黑圪垯村、王油坊村、王油坊新村、西水泉、有德元、陳家村、任家村、謝家村、大白彥堡、小白彥堡村10個村莊3039人采用單村供水，暫不實施水源轉換，僅在附近預留接口1處，遠期由大青溝水廠管網延伸統一供水。加壓區域供水涉及村莊共計72村，供水規模為2675.87m3/d。

4.2 水廠時變化系數確定

時變化系數確定應根據各村鎮的供水規模、供水方式，生活用水和企業用水的條件、方式和比例，結合當地相似供水工程的最高日供水情況綜合分析確定。 工程設計按照24h運行，根據加壓區和自流區計算用水量，加壓區除1處預留高位水池接口時變化系數Kh=1.0外， 其他村莊Kh=2.0；自流區村莊時變化系數取Kh=2.15。

4.3 配水管網規模及水力計算

根據SL310—2019《村鎮供水工程技術規范》，配水管網規模采用最高日最高時流量進行設計， 通過每個片區的設計用水量及對應的時變化系數分別確定節點流量。

大青溝水廠配水管網整體設計為枝狀管網，采用海曾威廉公式［6］，按照最不利點校核進行平差計算，計算溫度為13℃，局部損失系數取1.1，計算得最大管徑為De315，最小管徑為De75。 在正常運行情況下，所有村節點的自由水頭均不小于16m， 自由水頭大于40m的村莊，需要在進村前或配水管網中途設置減壓閥。

（1）管道總水頭損失。

式中 H為管道總水頭損失；hi為管道沿程水頭損失；hj為管道局部水頭損失。

（2）管道沿程水頭損失。

表1 全日供水工程的時變化系數

式中 q為設計流量（m3/s）；l為管段長度（m）；Ch為海曾-威廉系數，加筋聚乙烯PE管取146.5，PVC-O管取145；d為管道計算內徑（m）。

（3）管道局部水頭損失。

式中 Hj為管道局部水頭；ξ為局部水頭損失系數；v為平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

設計局部水頭損失取沿程水頭損失的10%計算。

4.4 事故連通管設計

大青溝水廠配水管網分為重力自流區和泵站加壓區，正常供水時兩個系統相對獨立供水。 為保證供水安全，在重力自流配水系統和泵站加壓配水系統之間設置3處連通管道， 當重力自流管線某段主線損壞時，將附近的連通管打開，可實現部分管段由加壓系統向重力自流系統供水，避免整個重力自流系統斷水。

5 結語

供水工程方案選擇中， 在保證給水管道輸水暢通、運行可靠的前提下，經濟合理的方案尤為重要。從節約能源、 減少永久占地及基建投資和年運行費用之和最小等角度考慮， 若重力自流供水方案能滿足工程設計，則優先選擇重力自流方案，否則采取泵站加壓或自流與泵站加壓聯合供水方案。 工程實施運行2年來，供水效果滿足設計要求。