徐莊水廠取水工程安全保障設計應用案例分析

在水廠工程中，取水工程的安全保障十分重要。本文結合工程實際案例，介紹了湖泊水源取水工程的主要安全保障因素：取水頭部位置、進水孔口豎向高程、取水頭部和引水管安全防護。該工程在取水工程安全保障方面，創新性地將河湖航運和港口行業中的相關技術成功運用到市政取水工程中，從2年多的運行情況看，效果較好。同時，也為類似湖泊水源取水頭部安全保護解決方案提供了新的思路。

項目概況

徐州市徐莊水廠水源為駱馬湖，取水總設計規模140萬m3/d，本次取水工程頭部和引水管按140萬m3/d設計建設；取水泵房土建80萬m3/d規模一次實施，設備按近期規模40萬m3/d配置；原水輸水管DN1600-DN2000球墨鑄鐵管約2×81km，按遠期80萬m3/d一次實施，近期向2座水廠（徐莊水廠、劉灣水廠）供原水，遠期向4座水廠供原水；原水輸水管道系統設置中途提升泵站一座，規模70萬m3/d；徐莊水廠總規模40萬m3/d，總投資約27.1億元。（圖1、圖2）

圖1 徐莊水廠

圖2 駱馬湖取水泵站

取水工程安全因素分析

駱馬湖為徐州市和宿遷市共有的自然湖泊，湖區面積徐州占1/3、宿遷占2/3。徐州境內湖區一般為淺水區，近年來由于采砂嚴重，造成湖底高低不平，高差較大，最大高差約20m，湖區在采砂塘附近水深較深，一般水深為4m～5m，局部區域深達20m左右，而且湖區內有各種船舶航行，如采砂船、運輸船只、打魚船只等（圖3）。因此，就該項目而言，安全保障因素主要包括：取水水質保障：主要涉及到取水頭部位置的合理選擇、進水孔口豎向高程；取水設施的安全保護：取水頭部及引水管的安全防護技術措施。

取水工程安全保障設計方案

本文重點介紹取水頭部位置、進水孔口豎向高程以及取水頭部和引水管安全防護設計方案。

（1）取水頭部位置選擇。

對于駱馬湖水源，取水頭部位置選擇需要考慮以下因素：第一，水質好、湖床相對穩定、水深足夠；第二，取水頭部位置應屬于徐州市行政管轄范圍；第三，應盡可能距湖岸近；第四，不影響湖區的主要通航航道。只有滿足上述要求，才能夠達到既能取得湖區優質原水、取水頭部穩定安全運行，同時又距湖岸近，引水管相對較短，投資和運行成本低。

據調查，駱馬湖的沂河入湖口、老沂河入湖口、中運河入湖口、駱馬湖北、駱馬湖中、嶂山閘上、駱馬湖南、皂河北共設有8個監測站點，沂河入湖口、中運河入湖口、駱馬湖區北、駱馬湖中和嶂山閘上共5個站點為水質Ⅱ類；其他3個站點為水質Ⅲ類。（圖4）

從水質監測資料可以看出，駱馬湖北、駱馬湖中水質最優，中運河入湖口水質次之。駱馬湖北水質在Ⅱ類-Ⅲ類之間，且屬于徐州市域，原水輸水距離最近，水質好，工程投資最低，是比較合適的取水點。為避開中運河入湖水流對取水點的影響，取水頭部適當向北偏移，河流入湖口水流對湖水水質影響范圍如圖5所示。

由于駱馬湖周邊淺水區有大面積的圍網養殖，取水頭部還需要向湖心延伸，根據現場查看及對駱馬湖區初查結果，結合駱馬湖水下地形圖，在新沂窯灣鎮二灣以北308縣道40界碑處向湖內延伸約2.1km。該處湖底高程約9.5m，正常水深約13.8m，且此區域為采砂深水區，采砂區基本連片，采砂區內采砂也已基本完成，湖床穩定，水面開闊，面積約4km2范圍內無養殖設施，其水質良好（為Ⅱ類-Ⅲ類），符合飲用水源地要求，取水頭部基本布置在該區域的中部靠近湖岸，位置適中，能夠取得優質湖水，因此，取水頭部設置在此處。（圖6）

（2）進水孔口標高確定。

對于設置在湖泊的取水頭部，其進水孔口的豎向高程確定應考慮在取得優質原水的同時，盡可能避免進水孔口前設置的格柵被雜草和水體中的漂浮物堵塞，減少藻類進入和較大風浪對取水的不利影響，以及考慮湖床多年泥沙淤積等因素。

圖3 取水頭湖區情況

圖4 水質監測點分布圖

圖5 河流入湖口水流水質影響分布圖

圖6 取水頭部位置圖

一般情況下，湖泊或水庫水體水質從豎向分布來看，表層可能有漂浮物，會季節性出現藻類，水質不是最優。一般來講，中上層水質不僅最優，且漂浮物、藻類很少；此外還應考慮湖泊水面寬闊，較大風浪對取水的不利影響，也宜將進水孔布置在枯水位風浪影響較小的水面下，因此，進水孔口應布置在中上層較為合適。駱馬湖設計洪水位25.79m、常水位22.79m、枯水位20.29m。據此，設計進水孔上緣按低于枯水位1.2m左右考慮，取19.00m，孔口高度取2m，則進水孔口下邊緣高程為17.00m。從現狀水深來看，駱馬湖常水位為22.79m，枯水位20.29 m，湖底高程9.5m，進水孔口位于17.00m～19.00m，既可以取到中上層的最優湖水，又避免了表層漂浮物、季節性出現的藻類以及風浪對取水的影響。因此，本工程進水孔上下緣高程確定為19.00m和17.00m。（圖7）

（3）取水頭部及引水管安全防護設施。

除國家規定設置的取水頭部水源保護區外，考慮到駱馬湖湖區常有很多打漁船、采砂船等，為避免這些船舶航行、拋錨、走錨以及人為濫采湖砂等對取水頭部、引水管安全造成影響，所以在取水頭部和引水管周圍設立安全保護區。（圖8）

在保護區邊界設置保護設施，該保護設施由抬纜浮筒和浮鼓組成，抬纜浮筒之間及抬纜浮筒與浮鼓之間通過錨鏈連接，并通過抬纜浮筒和浮鼓將取水頭部和自流引水管包圍，形成保護圈。浮鼓和抬纜浮筒顏色一般采用較為醒目的黃色，且在抬纜浮貼反光漆和在浮鼓安裝航標燈，夜間可提醒過往船舶與保護設施保持一定的安全距離航行。（圖9）

此外，在保護樁上還設置語音提醒、警示、警告廣播和視頻監控探頭。若發現船只靠近保護區，可及時廣播提醒、警示和警告，當發生意外事故時，視頻監控可回放事故過程，為事故追責和處理提供法律依據。

圖7 取水頭進水窗口豎向布置

圖8 取水頭部及引水管安全防護設施布置

圖9 取水頭部及引水管安全防護設施

結語

（1）該水廠于2016年9月建成投入運行至今，總體運行正常、安全，原水水質及出廠水水質各項指標優良。該工程能夠正常安全運行，取水工程安全保障技術措施的合理設計起到了關鍵性作用。

（2）在工程設計中，通常非常重視取水頭部位置、進水孔口豎向高程，但往往忽略取水頭部和引水管在運營期的安全防護措施。該工程在這方面有所創新，將河湖航運和港口行業中的相關技術成功運用到市政取水工程設計中，方便運行管理。從2年多的運行情況看，效果較好，同時也為類似湖泊水源取水頭部安全保護解決方案提供了新的思路。

（3）建議對于湖泊水源取水，取水頭部位置選擇和進水孔口高程設計宜遵循“水質優先，遠近適宜，高低適中，保障有效，加強管理”的原則。