宣城某水廠多層取水設計分析

包陸玖 （合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概況

宣城市水廠水源主要取自宛溪河和水陽江，這兩條河上游生活污水和工業污水排放量較大，對宣城城市供水構成一定的威脅，為了應對水源突發事件，將關廟水庫作為宣城市水廠備用水源，建設一座城市應急備用水源取水口，取水構筑物規模為10萬m3/d。

2 設計計算

2.1 水位差

根據關廟水庫的資料，水庫正常水位10．00m，枯水位6．00m，洪水位18．70m，取水泵站進水間最低水位5．50m，最小水位差0．50m。

2.2 設計參數

鋼管海曾威廉系數Ch取120，流量10萬m3/d，管道長度162m。根據《給排水設計手冊》，局部水頭損失按沿程水頭損失按10%計。

2.3 計算公式

流量與流速公式：

根據水頭損失計算公式：

取水管管徑取0．9m 時，管道內流速為1．84m/s，經計算管道總水頭損失h=0．6m；

取水管管徑取1．0m 時，管道內流速為1．49m/s，經計算管道總水頭損失h=0．4m；

取水管管徑取1．2m 時，管道內流速為1．0m/s，經計算管道總水頭損失h=0．15m。

為滿足枯水位時進水管壓力水頭，且遵循節約工程造價，加快工程進度的原則，本工程取水管管徑采用1．0m。

綜上所述，取水工程采用重力流供水方式，取水管采用2根直徑1．0m鋼管。

3 取水工程安全因素分析

宣城地處皖南山區和長江下游平原的結合部，跨長江、新安江兩大流域。其中長江流域面積約11627km2，河流主要有青弋江、水陽江、徽水河、西津河、東津河、中津河及華陽河等；境內較大的湖泊有南漪湖、固城湖；水庫共341 座，其中港口灣、陳村水庫為大型水庫。

關廟水庫主要從陳村水庫補水，補水經總干渠、東干渠和北分干渠后進入水庫，退水入清溪河至宛溪河，最后進入水陽江。關廟水庫上游來水水質較好，均可滿足Ⅱ類水標準，且中間河段主要用于灌溉，無工業排污口，因此關廟水庫水質亦符合地表水Ⅱ類水水質標準，可以滿足灌溉要求和應急備用水源的水質要求，除此之外，庫區內有各種船泊航行，如運輸船、打魚船只等對項目安全和取水水質有一定的影響。

通過上述給水水源的水資源勘察，確定其滿足徑流量大，且在水體功能區劃所規定的取水地段取水，水質符合水源水質要求，并結合水資源特點正確處理給水工程與農業水利方面關系。

3.1 取水構筑物位置選擇

關廟水庫作為城市應急備用水源取水口，位于庫區規劃水體東側放水涵洞內，出水口為D1500 鋼管，滿足取水口位置設在湖泊水流出口附近，遠離支流匯入口處，并且不影響航運，不設在漁業區附近，也避免設在湖岸蘆葦叢附近，影響水質，設在夏季主風向背風面凹岸處，取水口靠近大壩，避免泥沙淤積。總之，取水構筑物設在基礎穩定，水質良好的地方。

關廟水庫水質可以滿足集中式供水水源地取水水質標準。通過對關廟水庫取用水以及水庫上游補水，能夠達到長期有效的取水量和取水水質的要求。因此，關廟水庫作為備用水源地供宣城市城市應急備用取用水具有可靠性。

通過對北分干渠的水質分析，可知其水質在汛期和非汛期都能都符合《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中關于集中式飲用水水源地一級保護區的要求。在非應急期，關廟水庫水質主要指標較為穩定，水質無顯著變化，也無水質惡化趨勢。在應急供水期，關廟水庫消耗水量較大，具有水質惡化的風險，若在應急供水期每天從北分干渠引水補充水庫庫容，將消除水質惡化風險。

綜上所述，關廟水庫取水從水量和水質方面分析，均可得到保證，灌溉、生態和應急備用水源地可靠性強，在采取相應的措施后，取水是可靠的。

3.2 取水構筑物類型

采用自流管取水，自流管把取水頭部水引入岸邊深槽的吸水井（防洪閘門井）內，吸水井分成兩格以利清洗，然后水泵的吸水管直接從吸水井抽水，泵房與吸水井采用分建。

采用分層取水構筑物，因水庫水深變化大，采用分層取水的取水構筑物，因暴雨過后大量泥沙進入水庫，越接近湖底，泥沙量越大，而到夏季生長的藻類數量近岸比湖心多，淺水區比深水處多，因此，在取水范圍內設置幾層進水孔，可根據季節不同，水質不同，取得不同深度處較好水質的水，本項目采用二層取水分，別是在不同深度和位置處的箱式取水頭部和喇叭管取水頭部。

3.3 取水頭部的確定

取水頭部均分為兩個或兩格，因庫區漂浮物較多和不同深度取水位置差別大，故相鄰取水頭部沿水流方向宜有較大間距。

箱式取水頭部由周邊開設進水孔的鋼筋混凝土箱組成，由于進水孔總面積較大，能減少冰凌和泥沙進入量，所以通常用于冬季冰凌較多或含沙量不大、水藻較小的湖泊河流上采用，其平面形狀為矩形。

喇叭口取水頭部用沒有格柵的金屬喇叭口，用樁架固定在庫床上，具有構造簡單、造價低、施工方便等特點，喇叭管的布置朝向垂直向下，設在庫床深槽主流，為避免推移質泥沙和浮冰、漂浮物進入取水頭部，在庫床深槽主流處設置取水盆，取水盆由現狀庫床自然線處深挖5m，由石塊砌筑而成，喇叭口取水頭部距盆底2m。

根據現場查看及對庫區初查結果分析，結合庫區水下地形圖和地質勘察報告，坡岸處常水位下1m 設置箱式取水頭部，該位置近岸，在常水位下能夠取得優質水源水（圖1）。

圖1 箱式取水頭部平、剖面圖

由于枯水位接近水庫中心處，為了保障枯水位時供水安全，取水管還需要向水庫中心延伸，為不影響航運，取水管埋設在水庫中心底部標高以下約0．5m，庫底按1:4放坡后做35m×30m取水盆，喇叭口式取水頭部設置在取水盆內（圖2）。

圖2 喇叭口式取水頭部剖面圖

3.4 取水頭部及進水孔設計

箱式取水頭部分成兩格，進水間分成二格以便清洗。因湖內漂浮物較多，箱式取水頭部和喇叭口取水頭部在沿水流方向有較大間距。箱式取水頭部設在湖邊近岸，常水位下1m 處。為避免推移質泥沙和浮冰、漂浮物進入取水頭部，箱式取水頭部側面進水孔的下緣距河床高度不得小于0．5m，頂部進水孔高出河底的距離不得小于1m，進水孔布置在取水頭部的側面。為了減少漂浮物、冰凌、水流對取水頭部的影響，取水頭部迎水面設計成流線型，并使取水頭部長軸與水流方向一致。通常菱形水流阻力較小，常用于箱式取水頭部。進水孔的流速要選擇恰當。流速過大，易帶入泥沙、雜草和冰凌；流速過小，又會增大進水孔和取水頭部的尺寸，增加造價和水流阻力。河床式取水構筑物進水孔的過柵流速，應根據水中漂浮物的數量、有無冰絮、取水點的水流速度、取水量大小、檢查和清理格柵的方便程度等因素確定。一般有冰絮時取0．1～0．3m/s，無冰絮時取0．2～0．6m/s。在設計最低水位下淹沒取水構筑物進水孔上緣的深度，根據河流水文、冰凌和漂浮物等因素通過水力計算確定，同時遵守下列規定，側面進水時，不得小于0．3m（上述數據在有冰蓋時，應從冰蓋下緣起算）。位于湖泊或水庫的取水構筑物最底層進水孔下緣距水體底部的高度應根據水體底部泥沙沉積和變遷情況等因素確定，不宜小于1m；當水深較淺、水質較清、取水量不大時，其高度可減至0．5m。

關廟水庫正常水位10m，枯水位6m，洪水位18．7m。箱式取水頭部設計進水孔上邊緣低于常水位1．5m，取值為8．5m，設計孔口高度取1m，則進水孔下邊緣取值為7．5m，即箱式取水頭部進水孔口位于7．5～8．5m，既避免了表層漂浮物、風浪及藻類的影響，又取到上層優質庫水。因而本工程箱式取水頭部進水孔上下緣高程確定為8．5m和7．5m（圖1）。

現狀河床自然線最低處5．5m，伸入河床取水管管中心埋設在4．5m處不影響航運，對于喇叭口取水頭部，取水喇叭口標 高2．72m，35m×30m 取水盆標高0．72m，保證本工程喇叭口取水頭部在枯水期能夠安全取水且不影響航運，也保證了本項目的供水安全性，如圖3所示。

圖3 取水工程平面圖

3.5 取水頭部及引水管安全防護措施

箱式取水頭部處在遠離主航道的岸坡中部位置，設置浮筒和航燈，提示來往船只與取水頭部位置保持安全距離；喇叭口取水頭部處在庫床底標高以下的取水盆內，取水管埋設在庫床底部0．5m 以下，均不影響航行。為保證供水安全，兩種取水頭部各采用兩根并聯的取水管，并分別匯合在接近岸頂的兩個吸水井（防洪閘）內，根據庫床水位高低確定閘閥開啟順序，但水位接近枯水位時開啟連通喇叭口取水頭部的兩根取水管，否則將其關閉以免影響進水水質，如圖4所示。

圖4 取水工程剖面圖

4 結語

在工程項目設計方案中，取水頭部位置、數量、進水孔豎向高程，但不能兼顧取得優質水源水和枯水期的安全供水，也容易忽略取水頭部和引水管安全保障措施。該工程項目設計方案在這方面有所創新，將箱式和喇叭口二種取水頭部相結合，分別在不同取水層取水，既能取到優質水層水，又能保證枯水期的供水安全，同時也不影響航運，在常水位期、汛期、枯水期，箱式和喇叭口式取水頭部通過防洪閘門井進行切換，方便管理并保障了供水安全，這為類似江河湖泊水庫水源取水工程提供一個可靠的新思路。

綜合本項目的設計案例可知，對于湖泊、水庫水源取水，取水頭部位置和進水孔標高選擇遵循“水質優先，遠近皆益，分層恰當，防護安全”的思路進行設計。