商南縣應(yīng)急水源配置方案探析

王啟明,周瑞喜

(1.商南縣水利工作站，陜西 商洛 726300；2.商南縣水務(wù)局，陜西 商洛 726300)

商南縣應(yīng)急水源配置方案探析

王啟明1,周瑞喜2

(1.商南縣水利工作站，陜西 商洛 726300；2.商南縣水務(wù)局，陜西 商洛 726300)

商南縣位于鄂豫陜?nèi)“丝h交匯處，旱災(zāi)頻繁，試馬鎮(zhèn)、捉馬溝村、城關(guān)鎮(zhèn)西片群眾飲水無保障。文章通過分析試馬三鎮(zhèn)供水現(xiàn)狀以及存在問題，對(duì)當(dāng)?shù)赜盟枨筮M(jìn)行了預(yù)測(cè)，并從地下、地表兩個(gè)方面對(duì)應(yīng)急水源進(jìn)行了探討，提出從試馬水庫(kù)、捉馬溝水庫(kù)聯(lián)合配置提水輸送的方式進(jìn)行抗旱應(yīng)急，并對(duì)聯(lián)合供水方式、線路、管材、水泵、管徑等進(jìn)行了探討，以確保應(yīng)急水源配置工程更加科學(xué)高效。

商南；應(yīng)急水源；抗旱；供水；配置；方案

1 概 況

商南縣位于鄂豫陜?nèi)“丝h交匯處，基本狀況是“八山一水一分田”[1]。商南縣試馬鎮(zhèn)、捉馬溝村、城關(guān)鎮(zhèn)西片共有4.837萬人，屬半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季旱澇相間，秋季溫涼濕潤(rùn)，冬季寒冷干燥。試馬鎮(zhèn)、捉馬溝村居民用水為試馬水庫(kù)、捉馬溝水庫(kù)自流以及周邊小溝小溪地表水或者村民打井自給，城關(guān)鎮(zhèn)西片用水水源為縣河水庫(kù)。遇到旱季，當(dāng)?shù)毓┧畤?yán)重不足，縣河水庫(kù)供水只能滿足縣河沿途及縣城東片應(yīng)急用水，居住點(diǎn)高的城關(guān)鎮(zhèn)西片居民無水可用。從1950—2013年，當(dāng)?shù)毓舶l(fā)生不同頻率干旱64次，尤以春夏旱最多。

2 供水存在問題

2.1 干旱用水缺口較大

至規(guī)劃水平年(2025年)，試馬鎮(zhèn)、捉馬溝村、城關(guān)鎮(zhèn)西片常住人口將達(dá)到4.837萬人，居民最高日綜合生活用水量將達(dá)到5454.82 m3/d。城鎮(zhèn)的發(fā)展、用水量的增加，使得當(dāng)?shù)赜盟抗┬杳苋找嫱怀觯F(xiàn)有的供水量在有旱情的情況下很難滿足供水需要。

2.2 區(qū)內(nèi)水資源開發(fā)利用低

水庫(kù)的合理調(diào)蓄利用率低，沒有充分發(fā)揮水庫(kù)最大的興利庫(kù)容。試馬水庫(kù)、捉馬溝水庫(kù)除滿足水庫(kù)下游居民用水外還有168.5萬m3，水資源沒有充分利用，水庫(kù)功能沒有充分發(fā)揮，尤其是特大干旱期，一方無水可用，靠天吃飯，一方供水有余，水資源嚴(yán)重不均衡。

2.3 抗旱能力不足

由于管理松懈，全縣抗旱工程受損率高達(dá)40%。加之預(yù)警設(shè)施不完善，干旱預(yù)警水平低，導(dǎo)致干旱不能及時(shí)預(yù)警，應(yīng)急抗旱響應(yīng)滯后，不能及時(shí)調(diào)度最大的水庫(kù)調(diào)蓄作用，使得旱期受損嚴(yán)重。

3 需水量預(yù)測(cè)及水源地選擇

3.1 需水量預(yù)測(cè)

2013年，試馬3鎮(zhèn)總計(jì)人口45 295人，按照人口自然增長(zhǎng)率0.6%，預(yù)測(cè)到2025年人口為48 375人。根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》及《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》，參照《陜西省行業(yè)用水定額》，綜合分析預(yù)測(cè)項(xiàng)目區(qū)人口最高日綜合生活設(shè)計(jì)水平年用水定額試馬鎮(zhèn)和捉馬溝村為60 L/d，城關(guān)鎮(zhèn)西片區(qū)為80 L/d；抗旱應(yīng)急期試馬鎮(zhèn)、捉馬溝村、城關(guān)鎮(zhèn)西片為40 L/d。根據(jù)調(diào)查用水村副業(yè)企業(yè)主要有養(yǎng)雞場(chǎng)、養(yǎng)羊場(chǎng)、餐飲服務(wù)企業(yè)等，共計(jì)43家。工業(yè)用水定額參考能源出版社《水質(zhì)技術(shù)工作手冊(cè)》、城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部主編的《工業(yè)用水定額》及《陜西省行業(yè)用水定額》等綜合確定，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析預(yù)測(cè)：平均用水定額為25 m3/d。鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水取值10%。一般按居民生活用水量、公建用水量、集體或?qū)I(yè)戶飼養(yǎng)畜禽用水量之和的10%～25%計(jì)列。本次設(shè)計(jì)取值10%。設(shè)計(jì)水平年需水量預(yù)測(cè)成果見表1，抗旱應(yīng)急期需水量預(yù)測(cè)成果見表2。

表1 設(shè)計(jì)水平年需水量預(yù)測(cè)成果表

表2 抗旱應(yīng)急期需水量預(yù)測(cè)成果表

最高日平均時(shí)供水量：設(shè)計(jì)水平年

(1)

式(1)中：Qd為設(shè)計(jì)水平年合計(jì)水量，5454.82 m3/d；kh為時(shí)變化系數(shù)，取1.5；T為一天供水時(shí)間，24×3600 s。經(jīng)計(jì)算，最高日平均時(shí)供水量Qcp為0.095 m3/s。

同理，利用公式(1)計(jì)算抗旱應(yīng)急期最高日平均時(shí)供水量Qcp為0.061 m3/s，則最高日最高時(shí)供水量：設(shè)計(jì)水平年

(2)

式(2)中：Qcp為設(shè)計(jì)水平年最高日平均時(shí)供水量，為0.095m3/s;kh為日供水量變化系數(shù)，取1.6。

經(jīng)計(jì)算，Qmax為0.152m3/s。同理，利用公式(2)，計(jì)算出抗旱應(yīng)急期，Qmax為0.098m3/s。

依據(jù)以上需水量預(yù)測(cè)到2025設(shè)計(jì)水平年，人口達(dá)到48 375人，最高日需水量為5454.82m3/d；抗旱應(yīng)急期最高日需水量為3523.85m3/d。

3.2 水源地選擇

根據(jù)商南縣地形、地貌、地質(zhì)條件等特點(diǎn)，區(qū)內(nèi)地下水由于徑流排泄條件較好，水循環(huán)交替作用積極，水化學(xué)的形式主要為溶濾作用，境內(nèi)地下水的pH值為7.9～8.0，屬于中性-微堿性水，水質(zhì)為重碳酸鈣型水及重碳酸鈣+鎂型水。工程地區(qū)地下水水位埋深50～180m，深層地下水開采費(fèi)用大、耗時(shí)耗力，應(yīng)優(yōu)先考慮地表水。

供水區(qū)周邊最近的可利用的地表水源點(diǎn)有試馬水庫(kù)、捉馬溝水庫(kù)。試馬水庫(kù)位于丹江二級(jí)支流試馬河中下游，以灌溉為主，兼有供水，向下游居民生活和工業(yè)供水等綜合利用功能，其中控制灌溉面積200hm2[2]，通過輸水洞線東干渠為下游群眾提供生活、工業(yè)用水，年供水量90萬m3，供水人口1.1萬人。水庫(kù)原設(shè)計(jì)總庫(kù)容264萬m3，有效庫(kù)容170萬m3。捉馬溝水庫(kù)位于捉馬溝流域中上游[3]，以灌溉為主，兼有供水，向下游居民生活和工業(yè)供水等綜合利用功能，其中控制灌溉面積100hm2，通過干渠為下游群眾提供生活、工業(yè)用水，年供水量60萬m3，共計(jì)0.35萬人。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容41.9萬m3，有效庫(kù)容17.7萬m3。經(jīng)對(duì)試馬水庫(kù)、捉馬溝水庫(kù)的水質(zhì)、水壓、供水進(jìn)行實(shí)際考察，取水方案綜合分析得出：試馬水庫(kù)、捉馬溝水庫(kù)有效庫(kù)容滿足95%供水保證率應(yīng)急用水要求，并有剩余，可作為長(zhǎng)期穩(wěn)定的水源地，而且距項(xiàng)目區(qū)近，選擇試馬水庫(kù)、捉馬溝水庫(kù)作為本次應(yīng)急水源是最佳方案。

4 供水方案

4.1 供水任務(wù)及標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合商南縣實(shí)際，本著突出重點(diǎn)，統(tǒng)籌兼顧，因地制宜，量力而行的實(shí)施方案原則，綜合確定兩座水庫(kù)聯(lián)合供水規(guī)模5454.82m3/d，干旱期應(yīng)急期供水3523.85m3/d，以解決試馬鎮(zhèn)、捉馬溝村、城關(guān)鎮(zhèn)西片4.8375萬人口應(yīng)急供水。該水源連通工程從商南縣西邊最近的試馬水庫(kù)、捉馬溝水庫(kù)提水，經(jīng)11.92km的輸水管道沿312國(guó)道提水到五里牌村高位蓄水池，以解決三鎮(zhèn)供水需求。

4.2 工程布置

試馬水庫(kù)泵站位置定于試馬水庫(kù)大壩左岸壩前路邊壩腳處，建36m2抽水站房一座，安裝抽水設(shè)備，輸水管線沿試馬溝左岸耕地至溝口312國(guó)道G1+752m處，穿過橋洞，后沿312國(guó)道南邊過試馬鎮(zhèn)、安家溝梁、安家溝、龍背溝、邵家溝至觀音堂G5+274m處穿過312國(guó)道涵洞沿312國(guó)道北邊經(jīng)井路溝、捉馬溝、楊樹嶺、蒲溝于張家村G10+285m處穿過312國(guó)道橋下沿國(guó)道南邊經(jīng)郭家村、石窯溝至五里牌村高位水池，管線總長(zhǎng)11.92km。捉馬溝水庫(kù)抽水站建在右岸溢洪道前臺(tái)地上，輸水管道沿溢洪道右岸墻頂至上壩路，沿上壩路右側(cè)至溝口G1+380m312國(guó)道處，管線長(zhǎng)1380m，修建閘閥井，與試馬水庫(kù)—高位水池管線連接，向五里牌高位水池供水。供水流程見圖1。

圖1 供水流程

4.3 管材選擇

常見的輸水管材有鋼管、球墨鑄鐵管、PVC-U管、PE管等。鋼管耐壓高，但費(fèi)用最高，需要作內(nèi)外防腐處理；球墨鑄鐵管具有耐久性強(qiáng)、承擔(dān)壓力高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有鋼管易腐蝕的缺點(diǎn)，造價(jià)較高；PVC-U管具有較好的抗拉、抗壓強(qiáng)度，但其柔性不如其他塑料管，耐腐蝕性優(yōu)良，價(jià)格在各類塑料管中最便宜，但低溫下較脆，粘接、承插膠圈連接、法蘭螺紋連接。由于本次供水彎道較多，從而產(chǎn)生的管件、止水等較多，安裝困難，且管道漏損量大；PE管具有內(nèi)壁光滑、耐腐蝕、重量輕、運(yùn)輸安裝方便、維護(hù)維修簡(jiǎn)單、施工方便、工程綜合造價(jià)低、輸水性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)綜合分析比較，結(jié)合本次設(shè)計(jì)輸水管線地形條件、管道壓力及管基礎(chǔ)地質(zhì)情況，本次設(shè)計(jì)輸配水管推薦采用PE聚乙烯管。

4.4 水泵選擇

分別在試馬水庫(kù)和捉馬溝水庫(kù)修建提水泵站，泵站位置分別定于試馬水庫(kù)大壩左壩肩處和捉馬溝水庫(kù)大壩上游右岸溢洪道附近岸坡處。新建兩座抽水站，面積57 m2，其中試馬水庫(kù)泵站21 m2，捉馬溝水庫(kù)泵站36 m2，向水廠內(nèi)抽送原水的取水泵站。

泵站設(shè)計(jì)流量應(yīng)為最高日工作時(shí)用水量：

(3)

式(3)中：Q為泵站設(shè)計(jì)流量，m3/h；W為最高日用水量，m3；T為日工作時(shí)間，h,根據(jù)凈水構(gòu)筑物(或凈水器)的設(shè)計(jì)凈水時(shí)間、清水池的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)能力、高位水(或水塔)的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)能力確定。

因?yàn)樵囻R、捉馬溝兩座水庫(kù)設(shè)計(jì)聯(lián)合供水規(guī)模5454.82 m3/d，按照平均分配的方式，則試馬水庫(kù)五里牌蓄水池設(shè)計(jì)流量等于捉馬溝水庫(kù)五里牌高位水池設(shè)計(jì)流量，經(jīng)計(jì)算，提水泵站設(shè)計(jì)流量為227 m3/h。考慮到水庫(kù)淤積、水泵的損失和其他不穩(wěn)定因素，可選擇斜臥式潛水軸流泵和FUU型潛水泵做方案比較。

方案一：斜臥式潛水軸流泵進(jìn)水池由斜坡護(hù)岸式，即進(jìn)水池底板采用較小厚度的混凝土，后墻、側(cè)墻均為1∶2斜坡護(hù)坡。后墻混凝土斜坡護(hù)巖兼作機(jī)泵基礎(chǔ)，上面固定軌道和出水管道，泵體可沿軌道上下移動(dòng)，機(jī)泵出水口與出水管道采用自動(dòng)耦合接口連接，進(jìn)水底板下第三層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層利用漿砌石加固，在已澆注好的管道支座上準(zhǔn)確調(diào)整管道位置，確保安裝角度和安裝高程的準(zhǔn)確性，然后固定好管道。

方案二：FUU型潛水泵方案。把潛水泵和浮桶結(jié)合，使水泵漂浮在水面上抽水，解決了水庫(kù)有淤泥、泥沙等時(shí)安裝、運(yùn)行不方便的問題。單級(jí)揚(yáng)程高，可降低整個(gè)機(jī)組的高度，增加運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。安裝時(shí)只需要將浮船式水泵接好軟管或者鋼管，接好潛水電纜后，吊到水中就可以，這樣水泵就可以漂浮在水面上抽水。

綜合上述分析比較，F(xiàn)UU型潛水泵土建投資較小，運(yùn)行可靠性低，后期維護(hù)難度大；斜臥式潛水軸流泵土建投資大，運(yùn)行可靠性較高，斜臥式潛水軸流泵解決了水庫(kù)有淤泥、泥沙等運(yùn)行難問題，后期管理、維護(hù)簡(jiǎn)單。因此，本次試馬溝水庫(kù)和捉馬溝水庫(kù)取水方案選用斜臥式潛水軸流泵。

試馬溝水庫(kù)泵站設(shè)計(jì)取水管進(jìn)口高程為516.90 m,輸水管出口高程為533.00 m，高差h=16.1 m，考慮水頭損失為51 m。因此，試馬溝水庫(kù)選取斜臥式潛水軸流泵型號(hào)為L(zhǎng)L1230-80-90，泵站揚(yáng)程為80 m。泵站提升高度大于高差，滿足供水需求。

捉馬溝水庫(kù)泵站設(shè)計(jì)取水管進(jìn)口高程為560.12 m,輸水管出口高程為533.00 m，高差h=27.12 m，捉馬溝需從庫(kù)區(qū)提水至泵站573.00 m，高差為12.88 m，捉馬溝壩頂至出水口高差為40 m，考慮水頭損失21.84 m，因此實(shí)際高差h=18.16 m，捉馬溝水庫(kù)選取斜臥式潛水軸流泵型號(hào)為L(zhǎng)L1260-22-30，泵站揚(yáng)程為22 m，泵站提水升至573.00 m即可滿足供水需求。

4.5 管徑選擇

該供水工程日最大供水規(guī)模為5454.82 m3/d。試馬水庫(kù)水源設(shè)計(jì)取水管進(jìn)口高程為516.90 m，輸水管出口高程為533.00 m，高差h=16.1 m；捉馬溝水庫(kù)水源設(shè)計(jì)取水管進(jìn)口高程為560.12 m，輸水管出口高程為533.00 m，高差h=27.12 m，根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》，可先按經(jīng)濟(jì)流速通過計(jì)算確定管徑并進(jìn)行管道水力計(jì)算。本工程管線山區(qū)翻山、過溝次數(shù)多，為減少管道淤積，經(jīng)濟(jì)流速選1.4 m/s。

方案一：計(jì)算管徑，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(4)

式(4)中:流量Q為0.152 m3/s,流速V為1.4 m/s,則D1為372 mm。

考慮到其他可能發(fā)生情況，設(shè)計(jì)采用標(biāo)稱管徑Φ400 mmPE管(1.6 MPa)。

比較方案二：按照《商南縣縣城總體規(guī)劃》，隨著“東擴(kuò)南移西延北改”建設(shè)方略的實(shí)施，商南縣供水嚴(yán)重不足，商南縣規(guī)劃修建清油河水庫(kù)取水，為了不重復(fù)建設(shè)，充分利用已成試馬水庫(kù)—高位水池管道，建議管道采用規(guī)劃管徑DN630的PE管。

經(jīng)計(jì)算，備用水源至水廠原水輸水管計(jì)算成果見表3。

表3 備用水源至水廠原水輸水管計(jì)算成果表

4.6 輸水管線工程

供水管線沿線最大凍土層深度約32 cm，為確保管道運(yùn)行安全，考慮沿線機(jī)耕路及村莊較多，管頂覆土厚度確定耕地為0.8 m，非耕地路邊為0.7 m，公路和機(jī)耕路為0.9 m。在管線的隆起點(diǎn)或平直段長(zhǎng)度大約0.5 km時(shí)設(shè)置排氣閥，在管線的低凹處或直線長(zhǎng)度大于1.5 km時(shí)設(shè)置泄水閥；在管線直線長(zhǎng)度大于5 km時(shí)設(shè)置檢修閥；縱斷面與建筑物銜接段管道比降不大于1∶2.5；縱向穿越的小溝道段埋深適當(dāng)加大，以滿足沖刷要求；與其他如通信光纜、管線等線路建筑物交叉時(shí)，滿足相應(yīng)行業(yè)凈距要求。

在供水管道基礎(chǔ)處理中，在管道下面鋪設(shè)20 cm細(xì)土或細(xì)砂作為墊層，管道兩側(cè)采用中砂或細(xì)土回填至管頂；管頂以上50 cm采用原土或砂礫石人工夯實(shí)回填，壓實(shí)度不小于0.90，上部亦采用原土機(jī)械壓實(shí)回填至原地面，按路面要求壓實(shí)，管溝兩側(cè)臨時(shí)開挖坡比為1∶0.75，巖基采用管溝臨時(shí)開挖坡比1∶0.3。

5 結(jié) 論

近年來，商南縣旱災(zāi)頻發(fā)，試馬鎮(zhèn)等3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水越來越緊張。通過利用試馬水庫(kù)、捉馬水庫(kù)聯(lián)合配置調(diào)水的方式，供水5454.82 m3/d，可作為試馬鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)西片供水水源的補(bǔ)充，不僅可以極大地緩解試馬鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)的供水壓力，保證試馬水庫(kù)和捉馬溝水庫(kù)下游河道的生態(tài)蓄水，對(duì)合理開發(fā)利用水資源、防止環(huán)境惡化起到了一定的作用，還可以有效地促進(jìn)商南縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

[1] 魏傳晉.商南縣林業(yè)發(fā)展方向與思路[J].陜西林業(yè)科技,2011(3):88-89.

[2] 葉有烽.試馬水庫(kù)除險(xiǎn)加固建設(shè)及效益分析 [J].地下水，2014(6):191-192.

[3] 王棟，郝露宇.捉馬溝水庫(kù)側(cè)槽溢洪道水面線計(jì)算[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014(36):401-402.

王啟明(1976-)，男，工程師，主要從事水利工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工管理。

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