洛川縣石頭鎮供水項目設計方案分析

薛 松，安慧琳

(陜西水環境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018)

陜西省黃土高原地區是我國水資源最為短缺的地區之一，特別是農村大部分地區存在供水不足的問題，極大制約了區域經濟發展和群眾生活水平的提高，對國家飲水安全、農民脫貧構成嚴重威脅，亟需進行生態保護和修復。對于我國農村飲用水供水工程，先后有諸多學者進行了豐富的研究和探索[1-4]，積攢了寶貴的經驗，為設計工作起到了充分的保障作用。洛川縣石頭鎮供水工程是在鎮區現有水資源短缺，地表水可供水量不斷減少，項目區居民生活用水不足，飲水安全受到極大威脅情況下，將石堡川水庫作為新的供水水源并入現狀供水系統，通過本次供水工程解決項目區人畜飲水問題，促進當地社會經濟發展，提高居民健康水平和生活質量，推動鄉村振興戰略進一步落實。

1 工程現狀

1.1 石頭鎮區域概況

石頭鎮位于洛川縣東南部，東鄰黃龍縣，南界白水縣，轄28個行政村，鎮區面積105.4 km2，屬陜北黃土高塬南部的黃土梁塬區，黃土塬頂部地形較平坦，地勢開闊，黃土塬邊緣溝谷發育，地形破碎。2017年，全鎮總人口3.48萬人，占全縣總人口的14.97%。其中城鎮人口0.64萬人，城鎮化率為18.39%。石頭鎮轄鄉鎮以蘋果為主的林果業作為農業主導產業，啟動實施蘋果標準化生產三年提升工程，實現了蘋果生產經營全過程標準化，建成現代標準示范園。農產以小麥、玉米、油菜子為主。鎮域內有包西鐵路、白史路、縣道323、縣道208等交通干線，鄉村道路縱橫交錯，交通便利。

1.2 水資源及供水工程現狀

項目區現有供水系統分為三種，分別為吳家莊供水系統、兩水河供水系統及機井群供水系統。吳家莊供水系統水源為塬下的清明溝攔水壩，采用一體化處理工藝。泵站加壓供水系統設泵兩組四臺，一組泵設計流量25 m3/h，供水至百馬莊蓄水池；一組泵設計流量23.9 m3/h，供水至武郊蓄水池，均為一用一備。水廠設計最高日供水量1315 m3/d，現狀實際最高日供水量1126 m3/d。兩水河供水站從兩水河水庫取水，主要有灌溉和人飲兩大供水功能。廠內1000 m3蓄水池用于灌溉供水，400 m3蓄水池用于人飲供水。人飲供水采用一體化處理工藝，水廠設計最高日供水量1070 m3/d，現狀實際最高日供水量980 m3/d。石頭鎮供水站位于石頭鎮鎮區以西，水源為附近機井群取水，供水系統采用重力自流的供水方式，站內無凈水設施。

石堡川水庫位于洛河水系的第四大支流-石堡川河上，水庫大壩壩址位于洛川縣石頭鎮盤曲河村東0.5 km處，壩址以上控制流域面積為820 km2，石堡川水庫總庫容為6185.3萬m3，正常蓄水位936.00 m，100 a一遇設計洪水位為936.30 m，1000 a一遇校核洪水位為939.95 m，死水位為920.00 m。水庫樞紐工程由大壩、輸水洞、泄洪洞、泄洪底洞、溢洪道五部分組成。石堡川水庫供水對象為石堡川灌區，年供水量為5985 m3，供水任務為農業灌溉和城鎮供水。

1.3 供水現狀存在的問題

(1)石頭鎮縣屬資源型缺水和工程型缺水地區，用水供需矛盾突出。水資源的相對貧乏，使石頭鎮人均水資源占有量僅為全國人均占有量的15%，全省人均占有量的27%。隨著改革開放的不斷深入和鄉鎮建設水平的提高，用水供需矛盾日趨尖銳。供水量不足，缺水、斷水現象時有發生，在管網末稍和地勢較高的地區“水荒”現象尤為嚴重，且有些管網建設年限長，老化嚴重，部分管網漏損現象嚴重。

(2)項目區水源工程建設標準低，取水能力低。項目區現狀供水設施取水水源兩處，分別為清明溝攔河壩和兩水河水庫。清明溝攔河壩是洛川縣1995年建設的“一鄉一站”工程之一，以石頭鎮東3.3 km的清明溝常流水為水源，原設計解決石頭、百益兩鄉鎮的農村居民生活用水。兩水河水庫建于20世紀70年代，原設計解決朱牛鄉的灌溉用水。兩處水源工程經過幾十年的運行，渠首攔河壩淤積嚴重，渠首水源豐枯變化大，調蓄能力不足，干旱時流量銳減，不能滿足項目區群眾生活用水基本要求。

(3)項目區現狀供水工程設施老化，供水規模不足，與當地社會經濟發展不同步。項目區吳家莊供水站現狀供水規模1126 m3/d，兩水河供水站改建后供水規模980 m3/d，遠不能滿足項目區用水發展需要。輸配水管網密度低，布置混亂，供需矛盾尖銳，由于受地形、地理位置限制和建設資金諸多因素的影響，輸配水管網建設嚴重滯后，與當地社會經濟的發展不同步。隨著重點鎮建設進程不斷加快，蘋果等經濟農產種植面積不斷增大，配套管網改造跟不上，不僅導致了經濟的損失，而且給居民生活帶來不便。

(4)項目區水源水質不可靠，居民生活用水安全無法保障。項目區機井供水系統均無水質凈化設施。近年來，隨著當地群眾生活水平的逐年提升，入駐的新建小區和企業逐漸增多，群眾日益增高的水質水量需求和水源取水量及水質逐年下降之間供需矛盾越發突出。特別是局部利用地下水的地區未經水廠凈化，水質不能保證，長期飲用不合格水將嚴重影響人民群眾的身體健康，飲水安全已成為制約民生福祉持續增進的關鍵因素。

2 工程規模

由于項目區現狀供水設施已運行多年，系統管網已有相應程度的老化及漏損。同時考慮到水廠設施后期增容擴建的可行性，避免管網工程擴建的重復開挖，本次設計水平年分為近期設計水平年和遠期設計水平年，其中凈水廠按近期設計水平年考慮，為遠期增容擴建預留空間。供水泵站及管道工程按遠期設計水平年考慮，一次設計施工到位，避免重復施工。

項目區近期設計水平年(2025年)需水量154.2萬m3，現狀供水工程可供水量59.1萬m3，項目區年缺水量95.1萬m3。本次供水工程取水水源為石堡川水庫，取水樞紐為石堡川水庫右岸泵站提水。水源到水廠的輸水管設計流量應按最高日平均取水量確定。考慮本工程水廠自用水量(取8%)與輸水損失(取2%)。按照“以需定供”的原則，本次項目區近期供水規模為97.1萬m3，日供水量3723 m3/d，設計近期供水流量為0.043 m3/s。

項目區遠期設計水平年(2030年)需水量195.1萬m3，考慮到現狀供水工程遠期的淤積及現狀凈水設施老化等問題，現狀供水系統將面臨無法取水的問題，故項目區遠期供水將全部由本次工程的石堡川水庫水源替代。本次項目區遠期供水規模為199.1萬m3，日供水量7637 m3/d，設計遠期供水流量為0.088 m3/s。

3 工程總體布局及設計方案

3.1 工程總體布局

工程分為泵站工程、輸水管道工程、及凈水廠工程等三部分。從石堡川水庫右岸取水、加壓送至塬上新建凈水廠。泵站工程按兩級加壓設計，一級泵站位于石堡川水庫右岸削坡平臺，二級泵站位于月家莊廢棄學校空地。輸水管線沿現狀道路布設，布置于泵站至新建凈水廠，共計7.04 km。新建水廠布設于石頭鎮政府東側，白史路南側，進行水質凈化處理后接入現狀配水管道，通過自流和配水泵站加壓對各項目區各村鎮進行供水。

3.2 取水泵站方案選擇

從水庫中取水形式一般有豎井式、浮船式、纜車式等抽水形式，結合石堡川水庫的水情，河岸地質、岸邊附屬設施，可供選擇的形式有三種。

(1)豎井取水：在庫區一側修建豎井，結合水泵揚程及流量，考慮到潛水泵適用井徑為250 mm，此次設計豎井一口，豎井內徑300 cm，壁厚30 cm，采用C25鋼筋混凝土結構，通過Φ500鋼管和1 m×2 m涵洞穿越水庫邊坡將水引入豎井，井內布置潛水泵，再通過潛水泵將水提升至二級泵站前池。考慮到水庫淤積問題，在現狀常水位下909 m高程處新建1 m×2 m涵洞連通水庫與豎井，在其上917 m、922 m高程處分別埋設Φ500鋼管與水庫連通，鋼管及涵洞口均設置攔污柵，保證因水庫淤積及水中垃圾等因素影響豎井的進水。水泵下置于豎井常水位下2 m，保證取水庫表層水。

豎井工程優點：取水方式簡單，水泵采用潛水泵，無需地面泵房且不受洪水淹沒影響，且工程廠區距離壩頂近，工程運行管理方便，豎井可作為永久性工程使用，平時僅需對水泵進行檢修即可。豎井工程缺點：受庫區蓄水影響，連通管施工麻煩，其基巖面高程為926.0 m，連通管基巖開挖量大，投資較高。

(2)浮船式取水：浮船式取水泵站是將水泵與浮船技術有機組合而形成一種取水泵站，適用水位漲落幅度大，漲落頻率變化無規律的江河湖泊及水庫取水。浮船式泵站結構由進出水鋼管、錨固裝置、吊車、水泵電機、浮船及船用附件、斜拉鋼纜等組成。根據工程特點，設計一個浮船，浮船總長度為20 m，型寬為7.1 m，浮船型深為1.5 m，吃水深度為0.80 m，保證水泵抽水的需要。浮船為單體、單甲板、橫骨架式全電焊結構。浮船上部為泵站主廠房，甲板上高程與室內地坪高程一致。內部布置水泵電動機組3套，一列式布置，水泵均采用潛水立式混流泵，檢修間位于浮船左側，寬度3 m，主廠房采用鋼結構。

浮船取水方案優點：能適應水庫不同水位，水源為水庫表層水，水質較好，且運行管理方便。缺點：工程承擔鎮區居民生活用水任務，不能斷水，水庫依據常年蓄水位，建成初期要滿足抽水需要，需將浮船下至庫底，水位變幅較大，浮船支撐懸臂約80 m，且懸臂需承受多根出水管道的重量，故浮船岸邊錨固困難，工程投資大，另外運行管理及檢修均需上船操作，不及岸邊泵站方便。

(3)軌道纜繩式取水：軌道纜繩取水泵站適用于水位落差較大、水流速度慢、風速較小、斜坡較長的場合。水泵汲水后經輸水管路實現不間斷自動供水。主要有卷揚機、鋼絲繩系統、泵車、水泵、軌道、供水管路及閥門、控制系統等構成。

優點：工程簡單，土建工程投資小，施工工期短。缺點：施工時需要將水庫放空，而石堡川水庫不具備此種條件，即此次設計不再深入考慮此種取水方式。

綜合上述方案論述，纜繩式取水方案雖然投資小，施工工期短，但石堡川水庫為重要水源工程，不存在放空水庫的可能，故此方案不予考慮；浮船泵站因石堡川水庫水位變幅達30 m，浮船固定難度大，且配套附屬道路難度大，工程費用高，且日后檢修不方便；豎井式泵站結構簡單，考慮到本工程為人飲工程，時間緊，任務重，為便于施工且為后期便于檢修，推薦采用豎井式取水泵站方案。考慮到村鎮供水工程水泵使用頻率高，故采用潛水泵一級取水。

3.3 輸水管管道材料比選

目前國內輸水管材有以下幾種，其優缺點和適用范圍見表1。

表1 輸水管材性能比較表

綜合以上分析比較，結合現狀，由于本配水管網工程，塬上供水區域地勢平坦，僅取水樞紐至塬上段壓力較大且地勢較陡，從供水工程的重要性、施工、運行管理、投資等方面綜合分析比較，本次設計取水樞紐至塬上段采用鋼管，塬上至新建水廠段采用PE管。

3.4 凈水廠方案設計

凈水廠水源為自石堡川水庫，水廠廠房內主要涉及加藥、加氯、反應、沉淀、超濾等核心凈水構筑物，凈水車間以北修建清水池，清水池以北修建加壓泵房，廠區西南側考慮后期廠區擴建用地。

本次采用2種工況進行處理。第一種工況：非汛期期間，浸沒式超濾膜+消毒的凈水工藝。第二種工況：汛期期間，水源水質有所下降時，采用反應、沉淀、超濾+消毒處理。非汛期期間采用超越管形式，滿足第一種工況運行。

本次采用網格反應池和斜管沉淀池，均采用鋼筋混凝土結構。網格絮凝分兩組，并行運行，每組處理規模為0.2萬m3/d，每座分9格，總時間15 min。斜管沉淀池與反應池合建，共分為2組2座，單池平面凈尺寸6 m×3 m，液面負荷4.6 m3/(m2·h)。斜管采用蜂窩六邊形塑料斜管，沉淀池出水水質一般控制在3NTU以下，以保證濾池的出水水質。

超濾系統設計產水量4000 m3/d，共設3個超濾膜池，每個膜池放置3個型號為LGJ2A-V2000×65的浸沒式超濾膜膜堆。超濾處理后水質控制在0.1 NTU以下。

4 結語

洛川縣石頭鎮供水工程設計的泵站、輸水管線以及凈水廠為典型的全套供水工程設計，目前工程已投入運行，極大地改善了石頭鎮人民吃水難、用水難的問題。在陜北缺水地區通過優化水資源配置，充分發揮黃土高原已成水庫、淤地壩等水源工程的供水潛力，結合受水區需求、地形地貌、水源特性等因素，合理設計泵站、輸水管線以及凈水廠工藝，確保農村飲水安全，提高農村供水質量，改善偏遠地區群眾的飲水條件，促進當地社會經濟發展，推動鄉村振興戰略進一步落實。