漁業(yè)養(yǎng)殖園海水取水工程設(shè)計(jì)方案比選

摘 要：海水取水工程的建設(shè)包括取水頭、取水管道、取水泵站等部分，該文首先對(duì)海水取水工藝系統(tǒng)進(jìn)行介紹，分析各部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。然后以某漁業(yè)養(yǎng)殖園海水取水工程為例，通過對(duì)集中式和分散式取水頭部進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)項(xiàng)目的具體情況和實(shí)施條件，推薦采用分散式取水頭；通過對(duì)多種材質(zhì)的取水管材進(jìn)行比選，推薦采用HDPE取水管，最后進(jìn)行水泵選型，為海水漁業(yè)養(yǎng)殖取水工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：漁業(yè)養(yǎng)殖；取水工程；取水頭；取水管道；海水取水泵

中圖分類號(hào)：TU991.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）29-0166-04

Abstract： The construction of seawater water intake project includes water intake head， water intake pipeline， water intake pumping station and so on. This paper first introduces the seawater water intake process system and analyzes the design points of each part. Then， taking the seawater intake project of a fishery culture park as an example， through the design of centralized and decentralized intake heads， their advantages and disadvantages are compared. according to the specific conditions and implementation conditions of the project， the decentralized intake head is recommended; through the comparison and selection of water intake pipes of various materials， HDPE intake pipes are recommended， and finally pump selection is carried out to provide reference for the design of mariculture intake engineering.

Keywords： fishery aquaculture; water intake project; water intake head; water intake pipeline; seawater pump

我國(guó)是世界海水養(yǎng)殖產(chǎn)量第一大國(guó)，2021年總產(chǎn)量高達(dá)2 211.14萬(wàn)t，占全國(guó)海水產(chǎn)品總量的65.3%。這意味著海水養(yǎng)殖已成為我國(guó)海洋漁業(yè)的主導(dǎo)力量。這樣的成就，一方面得益于我國(guó)廣闊的海域和豐富的海洋資源，另一方面也離不開我國(guó)海水養(yǎng)殖技術(shù)的不斷進(jìn)步和養(yǎng)殖模式的持續(xù)創(chuàng)新。然而，隨著我國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，超容量、高密度養(yǎng)殖導(dǎo)致近海養(yǎng)殖空間枯竭、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)失衡以及近岸海域環(huán)境惡化等問題，嚴(yán)重制約海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[1]。為保障海水養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)沿海地區(qū)建立了多座海水養(yǎng)殖園，未來隨著海水養(yǎng)殖產(chǎn)品的需求量增長(zhǎng)，海水養(yǎng)殖園的建設(shè)數(shù)量和規(guī)模會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。

海水養(yǎng)殖項(xiàng)目需要大量的海水來支持養(yǎng)殖活動(dòng)，因此，取水工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)對(duì)于確保養(yǎng)殖園的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。同時(shí)，優(yōu)質(zhì)的水源也是保障養(yǎng)殖生物健康生長(zhǎng)的重要因素。取水工程的建設(shè)包括取水頭、取水管道、取水泵站等部分[2]。取水頭應(yīng)設(shè)計(jì)合理，便于海水的引入；取水管道應(yīng)耐用環(huán)保，不污染水質(zhì)，方便安裝，鋪設(shè)平穩(wěn)，確保海水能夠順暢地輸送到養(yǎng)殖園；泵站應(yīng)安裝高效、穩(wěn)定的水泵，以滿足養(yǎng)殖園的用水需求，確保養(yǎng)殖用水的安全性。因此，海水取水工程的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如設(shè)計(jì)不合理，可能造成海水取水量不夠、取水設(shè)施淤積，進(jìn)而影響取水量，最終影響整個(gè)海水養(yǎng)殖園的正常穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

1 工程概況

某漁業(yè)養(yǎng)殖園項(xiàng)目海水取水工程，園區(qū)遠(yuǎn)期需水量為40萬(wàn)m3/d。取水分兩期：一期、二期設(shè)計(jì)取水規(guī)模均為20萬(wàn)m3/d。為避免重復(fù)投資，按兩期規(guī)模一次性建成，預(yù)留二期設(shè)備所需設(shè)備位置，工藝設(shè)備按一期設(shè)計(jì)規(guī)模進(jìn)行配置。取水工程包括取水泵站、取水管、取水頭。其中，取水采用自流管取水方式，單根管線長(zhǎng)約2.0 km。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)

取水工程區(qū)域地層從上至下可劃分為①素填土、②1細(xì)砂、②2珊瑚碎屑、②3含淤泥珊瑚碎屑、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1粉砂、④粉質(zhì)黏土、⑤強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑥中風(fēng)化砂巖。

2.2 地震效應(yīng)

本工程區(qū)域地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g。

3 取水方案

漁業(yè)養(yǎng)殖海水主要取自臨近海域，自流管取水至集水井（進(jìn)水閥門井、格柵、進(jìn)水前池），再通過水泵提升取水。

典型海水取水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

3.1 取水頭部

取水頭部，作為海水取水設(shè)施的起點(diǎn)，其設(shè)計(jì)的合理性對(duì)于整個(gè)取水系統(tǒng)的順暢運(yùn)行至關(guān)重要。根據(jù)取水工藝方案，取水頭可采用集中式取水頭和分散式取水頭[4]。

3.1.1 集中式取水頭

集中式取水頭需要采用鋼筋混凝土永久結(jié)構(gòu)作為取水頭部，通常為預(yù)制沉箱結(jié)構(gòu)。沉箱長(zhǎng)15.55 m，寬11.05 m，高5.9 m。縱向設(shè)有4個(gè)艙格，橫向設(shè)有2個(gè)艙格，前排為壓載艙，后排為取水艙，艙格尺寸均為3.5 m（縱向）×5.0 m（橫向）。沉箱艙格除前后壁及中間隔墻，均開長(zhǎng)2.5 m，高3 m的進(jìn)水孔，側(cè)壁進(jìn)水孔安裝不銹鋼柵網(wǎng)，網(wǎng)格孔徑為20 mm×20 mm。集中式取水頭平面圖如圖2所示。

3.1.2 分散式取水頭

分散式取水頭采用多點(diǎn)淹沒式側(cè)邊進(jìn)水取水頭部，在取水頭部設(shè)置多點(diǎn)淹沒式側(cè)邊進(jìn)水口，單個(gè)管道上共布置3個(gè)圓形進(jìn)水口，每個(gè)進(jìn)水口直徑1.6 m，通過直徑1 m的管道與下方取水母管相連。

取水頭部2根管道共設(shè)6個(gè)進(jìn)水口，單個(gè)進(jìn)水口長(zhǎng)度為360°弧長(zhǎng)，高度1 m。進(jìn)水口設(shè)攔污柵，用于攔截水中漂浮物，柵條間距為120 mm，直徑10 mm。分散式取水頭斷面圖如圖3所示。

3.1.3 取水頭比選

集中式取水頭和分散式取水頭具體優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

集中式取水頭沉箱結(jié)構(gòu)重量較大，需要設(shè)置出運(yùn)場(chǎng)地，并配備大型拖運(yùn)、起重安裝設(shè)備，施工難度大，工程造價(jià)高。分散式取水頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量較輕，施工安裝方便。本工程周邊無大型拖運(yùn)船舶，船舶調(diào)遣周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，綜合考慮，推薦采用分散式取水頭。

3.2 取水管線

3.2.1 取水管材

常用的給水管材有鋼管、鋼筋混凝土管、高密度聚乙烯管（HDPE）、玻璃鋼夾砂管等[4]。

1）鋼管。在大直徑埋地管道的應(yīng)用中，鋼管是使用最為廣泛的管材。作為輸水管道的常用選擇，鋼管通常要求為成品管，由于鋼管管材強(qiáng)度高，能夠承受較高的內(nèi)外壓力，同時(shí)，鋼管采用焊接的方式進(jìn)行連接，其管身的可焊性也使得制造各種型式的管件變得方便快捷，特別適用于地形復(fù)雜和障礙物較多的地段。然而，鋼管的一大缺點(diǎn)是易于腐蝕，尤其是在海水環(huán)境中腐蝕更為嚴(yán)重，需要對(duì)鋼管進(jìn)行防腐處理[5]。

2）鋼筋混凝土管。鋼筋混凝土管分為普通鋼筋混凝土管、自應(yīng)力鋼筋混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管。按管子承受水壓能力的不同，可分為低壓管和壓力管，壓力管的工作壓力一般有0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa等。鋼筋混凝土管強(qiáng)度高，剛性強(qiáng)，能夠承受較高的壓力和振動(dòng)載荷，適用于多種環(huán)境和使用條件。其次，可以根據(jù)需要制作成不同形狀的異型構(gòu)件，為施工安裝提供了極大的便利，造價(jià)相對(duì)較低。此外，鋼筋混凝土管還具備良好的抗?jié)B性、耐腐蝕性和耐久性。然而，鋼筋混凝土管也存在一些不足，比如其重量較大，給運(yùn)輸和安裝帶來一定的困難，且安裝要求較高，需要專業(yè)技術(shù)和設(shè)備支持，管道配件相對(duì)較少，給后期運(yùn)營(yíng)維修增加了難度。

3）高密度聚乙烯管（HDPE）。高密度聚乙烯管（HDPE）具有多個(gè)不同的等級(jí)，可分為PE63級(jí)、PE80級(jí)、PE100級(jí)及PE112級(jí)等，它們的主要區(qū)別在于原料樹脂對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度不同，數(shù)值越高對(duì)應(yīng)的管材強(qiáng)度越高。不同等級(jí)的高密度聚乙烯管材在密度、拉伸性能、抗沖擊性能和承壓能力等方面都有所區(qū)別，目前，給水中主要應(yīng)用的是PE80級(jí)和PE100級(jí)管材。

聚乙烯管分為低密度聚乙烯管、中密度聚乙烯管和高密度聚乙烯管，其中高密度聚乙烯管相比于另2種聚乙烯管，其管材的性能更加優(yōu)越，而且使用范圍也更廣，因此常作為聚乙烯管的代表。

高密度聚乙烯管是一種廣泛應(yīng)用的管材，具有諸多優(yōu)良性能，如管材環(huán)保、無味無毒、耐腐蝕性好、不結(jié)垢、不滋生細(xì)菌；而且HDPE管道重量相對(duì)較輕，搬運(yùn)和運(yùn)輸不需要大型起重運(yùn)輸設(shè)備，管材柔韌性更好，容易安裝，抗沖擊強(qiáng)度高，能夠承受強(qiáng)震和扭曲[6]；管道之間的連接方式包括熱熔連接和電熱熔連接，接頭連接的強(qiáng)度更高，接口安全可靠。

4）玻璃鋼夾砂管。玻璃鋼夾砂管是一種新型化學(xué)管材，主要由不飽和聚酯樹脂、玻璃纖維和石英砂等原料制成，通過纏繞或離心澆鑄固化而成。其管壁結(jié)構(gòu)包括外表面樹脂保護(hù)層、內(nèi)增強(qiáng)層、中間結(jié)構(gòu)層和內(nèi)襯層。玻璃鋼夾砂管（RPM）具有高強(qiáng)度、輕量化、耐腐蝕和阻力系數(shù)小等特點(diǎn)。在連接方式方面，它采用雙“O”型橡膠密封圈承插連接，這種柔性連接能夠適應(yīng)一定程度的地面不均勻沉降。

3.2.2 管材選擇

管材的選擇原則主要如下：滿足功能要求，符合衛(wèi)生要求，不污染水質(zhì)；符合國(guó)家現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求；耐腐蝕、密封性高、阻力小、強(qiáng)度高和良好的韌性，經(jīng)濟(jì)合理，方便安裝維修等。本工程輸水管較長(zhǎng)，結(jié)合本工程輸送海水的實(shí)際工況，自流管取水方案中海水取水管采用高密度聚乙烯管（HDPE）。

3.2.3 管徑確定

海水取水管管徑按遠(yuǎn)期輸水能力設(shè)計(jì)，根據(jù)園區(qū)規(guī)劃，園區(qū)遠(yuǎn)期需水量為40萬(wàn)m3/d。為保證供水的可靠性，至少采用2根海水取水管。

1）設(shè)計(jì)流量Q。輸水管的設(shè)計(jì)流量，應(yīng)按最高日平均時(shí)供水量確定，并計(jì)入輸水管的漏損水量（10%）[7]。

則設(shè)計(jì)流量Q=1.1×40=44萬(wàn)m3/d。

2）設(shè)計(jì)管徑。

D=，

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，m3/d；v為設(shè)計(jì)流速，m/s；D為設(shè)計(jì)管徑，m。

3）管徑確定。正常情況下，海水取水管最大設(shè)計(jì)流量為18 333.3 m3/h（遠(yuǎn)期）。結(jié)合管材價(jià)格、管道安裝費(fèi)用及取水的安全可靠性，自流管取水方案采用2根DN1 600 mm高密度聚乙烯管（HDPE）。

3.3 水泵選型

一期日供水量20萬(wàn)m3，漏損系數(shù)1.1，則設(shè)計(jì)小時(shí)供水量9 166.7 m3/h，設(shè)計(jì)秒流量2.55 m3/s。二期日供水總量40萬(wàn)m3，漏損系數(shù)1.1，則設(shè)計(jì)小時(shí)供水量18 333.3 m3/h，設(shè)計(jì)秒流量5.09 m3/s。

水頭損失主要包括2類：沿程水頭損失和局部水頭損失。其中，局部水頭損失按沿程水頭損失的15%計(jì)。沿程水頭損失公式采用達(dá)西公式

hy=λ，

λ=，

C=R1/6/n，

式中：hy為管道水頭損失，m；λ為沿程阻力系數(shù)；l為管道長(zhǎng)度，m；d1為管道計(jì)算內(nèi)徑，m；v為管道內(nèi)流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；C為謝才系數(shù)；n為糙率；R為水力半徑。

經(jīng)計(jì)算，總水頭損失為7.19 m。

進(jìn)水前池布置在場(chǎng)地標(biāo)高約3.6 m處，為地下式調(diào)節(jié)池，工程設(shè)計(jì)極端低水位為-0.52 m（重現(xiàn)期為50年的年極值低水位），最不利點(diǎn)地面標(biāo)高為3.6 m，則水泵靜揚(yáng)程為3.6-（-0.52）=4.12 m。

泵站總揚(yáng)程=靜揚(yáng)程+總水頭損失=4.12+7.19=11.31 m；因此，泵站一期選用4臺(tái)臥式單級(jí)雙吸離心泵，流量3 334 m3/h，揚(yáng)程15 m，功率185 kW，數(shù)量4臺(tái)，3用1備，2臺(tái)變頻控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某漁業(yè)養(yǎng)殖園海水取水工程為例，首先對(duì)海水取水工藝進(jìn)行了介紹，然后根據(jù)項(xiàng)目的具體情況和實(shí)施條件，通過對(duì)取水頭部、取水管材進(jìn)行比選，最終采用分散式取水頭和HDPE取水管，最后進(jìn)行水泵選型，為海水漁業(yè)養(yǎng)殖取水工程設(shè)計(jì)提供參考。海水養(yǎng)殖項(xiàng)目的取水工程是保障養(yǎng)殖活動(dòng)順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著海水養(yǎng)殖技術(shù)的不斷發(fā)展和養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，取水工程也需要不斷優(yōu)化和升級(jí)。通過科學(xué)的設(shè)計(jì)和建設(shè)、嚴(yán)格的運(yùn)營(yíng)管理和環(huán)保要求的不斷升級(jí)，可以確保取水工程的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，為海水養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

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