高寒山區農村飲水安全管道保溫及運行管理防凍措施分析

余 林

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 農村飲水安全問題

為全面建成小康社會，實現百年目標，黨和國家對精準脫貧作出全面部署安排，按照打贏脫貧攻堅戰的相關3a行動指導意見[1]，要大力加強解決貧困地區農村貧困居民飲水安全問題，完成工程建設任務，加強管護責任，做好工程水源范圍保護，提高人飲水質，滿足水量、取用方便、供水保證方便程度等。

近年來，通過一系列的工程措施，農村居民飲水安全工作取得了一定的成效，全國范圍內以及偏遠山區飲水安全問題基本已解決。但是在偏遠新疆、北方等高寒山區農村飲水安全項目建設及運行中出現了凍脹現象，簡單的保溫處理并不能保證冬季供水正常。本文以新疆阿克陶縣山區布倫口鄉農村飲水工程為例，分析寒冷山區凍管原因，并通過保溫技術措施及運行管理方式使得凍脹問題得以解決，為以后山區管道工程設計及運行提供參考意義。

2 高寒山區冬季凍管問題

阿克陶縣地處中國的西面邊境地區，新疆地區的西南方，在帕米爾高原東面，塔里木盆地西面，位于東經73°26′，北緯37°41′。阿克陶縣為新疆深度貧困縣，飲水安全為三保障的組成部分，解決阿克陶縣飲水安全問題作為重要首要任務，只有決勝農村貧困人口的飲水安全攻堅戰，才能全面建設小康社會。近年來阿克陶縣大力開展落實農村飲水安全項目建設，包括偏遠山區木吉鄉、布倫口鄉、塔爾鄉等，做到精準不漏一戶解決農村飲水安全問題。

2.1 項目概況

阿克陶縣山區的布倫口鄉飲水安全項目地處東經75°07′～75°38′、北緯39°00′～39°18′之間，位于阿克陶縣西南部，境內高山與谷地交錯，海拔在3340～4500m之間，公格爾山與慕士塔格山群峰疊連，溝壑縱橫，山頂終年積雪，并有大面積冰川。項目區屬高山寒冷氣候，極端最低氣溫 -29.31℃，最大凍土深度200cm。該項目采用管井+輸水方式，2018年建設完成并當年投入使用，經過冬天運行出現大面積的凍管現象，冬季無法通水，后2019年對該項目區部分管網進行整改，此項目在設計中管道埋深均為3m左右，均在最大凍土層以下，閥井均采用預制鋼筋混凝土基的座玻璃鋼成品井，內置擠塑保溫內井蓋(如圖1所示)，冬季仍出現凍管問題。

2.2 原因分析

該項目在設計時已在最大凍土深度以下，閥井亦采取相應保溫措施，但在仍出現凍管問題，經分析，施工中、運行管理中皆存在問題導致冬季凍管無法正常通水。

圖1 管溝及閥井建筑物剖面圖(單位：cm)

(1)回填土壓實不夠。在施工中，部分管道段開挖回填未達到標準的設計深度，管道覆土回填夯實未按照相關規范實施，若經過降雨等情況地面下沉，導致管道覆土埋深不夠，出現凍管問題。

(2)回填土大石頭較多。山區進入3月后，本地區地表溫度開始逐漸回升，地下的冷氣開始向上返，若在施工中，回填效果不好，回填的土石頭較多，由于透風性較強，地下與地上的空氣形成對流，大量的熱量就會散出，此時管道內的水不流動就無法產生足夠的熱量來抵抗，致使管道溫度持續下降，從而會導致管道內的水結凍。

(3)水長期不流動。阿克陶縣地處邊境，山區牧民多為護邊員，有護邊任務，出勤時間長，屋內經常幾個月無人居住，屋內無暖溫度較低，水龍頭結冰，向管網延伸，導致整個管網凍管停水。

(4)山區牧民及運行水管人員防凍保溫意識不夠。山區牧民及水管人員任意上下閥井，開關閥門，導致玻璃鋼閥井內置保溫泡沫蓋置不嚴，冷空氣進入井內，內部溫度也會降至冰點之下，閘閥關閉，水流不通，水表凍壞，最終導致管道凍脹，整個冬季無法通水。

3 解決凍管問題技術措施

3.1 管道采取保溫措施

根據現有的工程經驗及研究成果，對高寒易凍地區，輸水管道可以采用保溫方法。電伴熱保溫措施防凍，在高寒牧區相應電壓不穩，農村飲水采用此方法成本較高，不宜采用。一般采用保溫材料對管道進行保溫[5- 6]。目前，根據國內已有的工程經驗，在農村飲水項目中使用較多的保溫材料有玻璃棉制品、巖棉制品、柔性泡沫橡塑保溫材料等，國內其它保溫材料還有例如復合硅酸鹽制品、礦渣棉制品、硅酸鎂纖維毯制品等。

管道保溫結構基本組成為防腐層+絕熱層+保護層，管道防結露結構基本組成為防腐層+絕熱層+防水層+保護層。管道保溫防凍的效果主要是取決于保溫材料與采取的保溫厚度，需要經過計算或者有限元分析選取合理的保溫厚度，確保工程實用并且經濟。若管道保溫層太薄，則管道的熱量損失嚴重，保溫效果差，起不到較好的保溫作用；反之，并不是保溫層取得越厚越好，會導致其保溫工程投資過大，不經濟。故要根據工程實際情況對保溫結構的材料選取，確定相應工程最佳保溫效果的保溫層厚度[7- 11]。管道選取保溫厚度的計算公式如下：

非金屬管道外表面溫度T0：

(1)

保溫層表面溫度Ts：

(2)

保溫層厚度：

(3)

(4)

式中，δ—需計算的保溫層厚度，mm；D、D0—管道的內、外徑，mm；D1—保溫層外徑，mm；λ—保溫絕熱材料的導熱系數；αs—保溫絕熱層外表面和周圍空氣接觸的換熱系數；T0、Ta—管道的外表面溫度及管道周圍環境的溫度；[Q]—單位每平方米保溫層外表面積所允許的最大熱損失量。

非金屬管的保溫厚度計算結果見表1。

表1 不同管徑的塑料管保溫厚度統計表

經過計算可得，保溫層的厚度取值與管道的外徑成反比例關系，管道的直徑越大，需要的保溫層越薄，越不容易發生凍脹問題，管徑越小需要的保溫層厚度越大，當管徑過小選取較厚的保溫層厚度進行保溫十分不經濟，經濟性降低。根據的工程經驗，在農村飲水安全自來水管道，可采用巖棉保溫或者管道周圍鋪設葦巴子草再覆土等措施保溫。

3.2 管溝回填處理措施

在管道工程里，管道的保溫溫度與土體的地質情況有關，還與管道的埋深、管溝底的換填材料、管溝內管腔料的回填壓實材料及管溝回填區的回填壓實度有關。管溝、閥井換填及回填不規范，不密實，空隙較多，透風性強，大量的熱量就會散出，致使管道周圍環境溫度持續下降，從而導致管道內的水結凍。根據已有的工程及試驗經驗[2]，管溝換填采取保溫措施，一般采取爐渣換填或者砂土換填保溫，管溝在回填時，要除去土層雜質，硬土塊應打碎，用輕質土進行回填壓實。阿克陶縣布倫口鄉飲水安全項目處理整改采用了將凍結主管道管溝挖出，采用細砂細土回填，并上部澆水壓實，確保管道周圍環境的密實性，經過整改后防凍保溫效果較好。

3.3 閥井建筑物保溫處理措施

在輸水管道工程主管線沿線主要包闊節制閥門井、進排氣閥井和泄水閥井、減壓池等附屬建筑物，因閥井進人孔基本都與地面平齊或以上，閥井下部部分在最大凍土深度以內，冷空氣進入閥井內部，會導致其內部管道和閥門極易發生凍脹，從而影響給管道正常供水，可采取如下保溫措施：①一般對閥井進人孔處的井蓋采用保溫井蓋，在其進人孔下至閥門井內部入口處另設置一層保溫蓋，保溫蓋一般采用厚100mm的保溫苯板；②將一些碎聚苯乙烯塊、細土或者碎棉絮放在袋中，所有填充物必須密實[3- 4]，制成保溫袋在放置于井室內，蓋在裸露的管道、閥門及水表上，起到隔絕冷空氣的效果，防止凍壞；③在閥井的井內外壁鋪設厚100mm的保溫苯板，深度在凍土層以下，防止井室周圍土體環境溫度過低導致閥井內凍脹； ④根據工程經驗，由于普通粘土磚的導熱系數比鋼筋混凝土的小，閥井最優選擇磚砌井，來增加閥井的保溫效果。布倫口鄉項目整改將閥井周圍的土體挖出，井壁及頂部采用苯板保溫，再采用細砂土進行回填，澆水密實或使用平板夯機進行夯實，減少回填土孔隙率，不能有效保暖的問題。

3.4 采用防凍給水栓

在阿克陶縣布倫口鄉等高寒山區，由于牧民長期不在家，屋內溫度過低將供水管網凍結，宜采用給水防凍栓(如圖2所示)，牧民外出或者放牧長期不在家時，將上閥體關閉，自來水通水管的水進入滲水槽，保持通水管無水狀態，通水管不會凍結，亦不會影響供水主管。若牧民回房內，需要用水時，將上閥體打開，供水主管內的水進入通水管，從水龍頭處用水。采用防凍給水栓已解決村內部分牧民不在家影響冬季凍管的問題。

圖2 防凍給水栓原理圖

3.5 采用集中供水點方式

在高寒山區，供水管網一旦停水凍結，將會導致整個冬季無法通水，為確保山區農村牧民飲水安全問題得以解決，可以在片區集中的地方采取應急集中供水點方式，保溫房+防凍給水栓，由專門管護人員進行管護，僅供冬季停水應急使用。采用集中供水點方式亦可滿足水量、取用水得方便程度、供水保證情況、水質達標的四項指標，使山區牧民使用上安全用水。此方法已在布倫口鄉、木吉鄉等分散點采取應用，確保冬季供水不出問題。

4 運行管理防凍措施

開展實施農村貧困農牧民飲水安全項目是改善農村飲水問題的重要方法，根據目前現階段農村飲水安全項目進展情況來看，工程基本都已建設完成，正在從投資建設階段轉向運行管理階段，加強提升項目運行管理的質量，已轉變為現階段水利行業部門、管護人員的工作重心，實現工程的良性運行及長效機制。根據目前各個地區項目實際運行情況來看，項目的運行管理仍然存在很多問題，例如缺少專業的管護人員、維修人員，項目基礎設施損壞嚴重，維修跟不上、工程的使用價值地下等情況。在高寒山區，供水主管凍脹并不是一個簡單技術建設問題，后期的運行維護防凍措施亦非常重要，若運行管護不到位，管道內水長期處于靜止狀態，非常易凍，影響正常供水，從而影響農村飲水項目的效益良性運行。

4.1 采用泄水長流方式

水處于一直在流動狀態時，不會凍住結冰的，增加用水的流動性，供水主管一般都有末端泄水閥等，在冬季極端寒冷氣溫下，把泄水閥打開一點，不要全部關死，使其管道保持水的流動性，讓其小流量滴水，盡管有浪費水源的缺陷，但是在高寒山區，一旦凍結，整個冬季將無法正常供水，泄水長流能有效防止管網凍結。

4.2 管護人員履行職責

在高海拔山區，冬季寒冷，管護人員落實職責不到位，工程若無人巡查，很快就會凍結，山區牧民缺乏技術知識，任意上下閥井，經常開關閥門，會導致冷空氣進入閥井內，凍壞水表、管道等情況，影響工程正常運行。

4.3 宣傳管道防凍知識

針對山區牧民，采用防凍給水栓的水龍頭，要大力宣傳防凍措施，培訓使用，防止因不會開關防凍栓、忘記開關防凍栓導致管網凍結，影響片區其它村民供水。

5 結語

(1)要解決高寒山區農村飲水安全工程管道防凍問題既要采取工程技術措施，亦要做好運行管理防凍措施。根據已解決凍管問題工程實例分析，山區管道防凍工程措施可以采取管道外包保溫材料；優選采用細砂土進行回填壓實，去除土層雜質、硬土塊，減少回填土孔隙率；對閥井進人孔及閥井內采用保溫苯板、保溫材料袋等進行保溫；入戶管采用防凍給水栓進行防凍；必要時可建立應急集中供水點，解決冬季供水問題。

(2)在高寒山區，工程建設完成后，后期的運行維護防凍措施亦非常重要，若運行管護不到位，管道內水長期處于靜止狀態，非常易凍，影響正常供水，宜采用泄水長流方式、要大力宣傳、培訓防凍措施，避免失誤導致管網凍結，影響供水。如何保證工程的價值及效益良性運行，需從后期運行管理去完善，對運行管理單位亦是一項重大考驗。