鎮坪縣老城區供水管網改擴工程優化設計分析

安慧琳，薛 松

(陜西水環境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018)

1 工程概況

鎮坪縣位于安康市東南，大巴山北側腹地，全縣區域總面積1 503 km2，境內山岡連綿，峰嶺疊嶂，大巴山主脊橫亙縣境南部，南江河縱貫南北，將全縣切割為東西兩半，形成“兩山夾一谷”的地貌。

鎮坪縣老城區現狀供水管網分布于所有街道和主要巷道，老城區老供水管道多為八十年代中期建設，管材為灰口鑄鐵管，現狀供水管道老化，供水安全性較差。供水設施依舊是七八十年代建設，經常維修效率低，運行成本高。配水管網少，管徑小，供水普及率低，安全可靠性差，從2006年開始縣城管網陸續改造，原灰口鑄鐵陸續更換為PE管道及鋼管，然而國心北路段(南江河左岸)、文彩路段、竹溪河路段、曙河路段、下新路段及南江路段等管段目前依然存在腐蝕老化、漏失嚴重、多次修補、供水可造性差等問題，嚴重影響當地居民的用水安全性。基于此，本文圍繞鎮坪縣老城區供水管網改擴方案展開了優化設計分析。

2 供水水源選擇

目前鎮坪縣城區供水由小河凈水廠承擔，以石砦溝做水源。小石砦溝水源地隨著上游居民日益增多，且上游規劃有三道門森林公園開發，旅游等人類活動將大幅增加，存在污染風險；同時石砦溝水域2008年出現不明“線蟲”，且近年多有出現。而小曙河流域(在建曙河凈水廠水源)上游人煙稀少，植被良好，壩址以上住戶少，無工業污染，下游地勢逐步開闊，人口較為分散，沿河左岸有村級便道相通，沿線分布農田較少，主要為坡地和荒坡，河水水質良好。

小河凈水廠規模為3 500 m3/d，曙河凈水廠目前正在緊張建設中，供水規模為8 000 m3/d。因此本文對鎮坪縣城供水方式考慮如下：曙河凈水廠建成后由其負責老城區及文采新區供水，小河凈水廠作為補充及應急供水，在曙河水廠檢修或突發供水時間，小河凈水廠與曙河凈水廠同時對老城區及文采新區供水，可滿足鎮坪縣城居民用水需求。

曙河水質優良，各項指標均滿足“集中供水的生活飲用水”水源要求；近期石砦溝水源經工程措施處理后，各項指標也均滿足“集中供水的生活飲用水”水源要求。

3 工程規模

供水工程優化設計任務主要為改造管線7.54 km，其中國新路1#管線454 m，下新路2#管線287 m，南江路3#管線204 m，曙河路4#管線1 885 m，竹溪河路5#管線1 214 m，入戶支管3 080 m，消防支管412 m，污水管道60 m，配套建設管網檢修井、消火栓、鎮墩等設施，供水對象為鎮坪縣城居民生活用水。

4 蓄水量計算及供水規模

根據供水范圍的用水標準及人口預測情況，分析計算得出受水區設計水平年總需水量為172.73萬 m3，具體計算成果見表1。

表1 鎮坪縣2025年需水量計算表

供水量采用高日高時：Qh=Qd·kh=(8 000/24)×1.2 =400(m3/h)。

確定縣城高日高時供水規模為400 m3/h。

5 優化設計方案

5.1 管材選擇

針對表2中的三種輸水管材的優缺點比較，并結合本供水工程的重要性、施工、運行管理、投資、地形、地質條件綜合分析，本次設計配水管道推薦采用聚乙烯管，污水管道采用硬聚氯乙烯PVC-U管。

表2 輸水管材性能比較表

5.2 管徑選擇

5.2.1 計算公式

根據《室外給水設計標準》(GB 50013-2018)進行水力計算，公式為：

總水頭損失h=hy+hj=hy(局部水頭損失hj忽略不計)

式中：i為管道單位長度的水頭損失(水力坡降)(m)；l為輸水管道長度(m)；hy為管道沿程水頭損失；hj為管道局部水頭損失；q為設計流量(m3/s)；dj為管道計算內徑(m)；Ch為海曾-威廉系數。

5.2.2 計算理論及說明

鎮坪縣城管網平差計算分為兩種情況：(1)設計工況：曙河水廠單獨供水，供水規模按照設計需水量8 000 m3/d；(2)校核工況：小河、曙河水廠同時供水，供水規模按照設計需水量8 000 m3/d。

本工程由凈水廠取水，供水規模8 000 m3/d，根據《室外給水設計標準》，最大時變化系數選1.2，配水管網設計流量按最不利情況下最高日最大時供水量111.11 L/s設計。再根據管網平差計算確定各段管道的設計流量、節點壓力等參數；并按事故情況下最高日最大時供水量的70%校核，同時對消防工況進行校核；該管網工程只考慮從凈水廠供水，網內不設調節構筑物，則最大轉輸時這種工況不會發生，故本次不做最大轉輸情況的管網平差計算。

5.2.3 計算結果

1)設計工況：曙河水廠供水(8 000 m3/d)：

(1)一般工況設計：最不利點校核

一般工況即在正常情況下，達到設計水平年2025年工程區7 957 m3/d供水規模的配水要求。此時，配水管網應滿足家屬區最高日最高時用水量，即最大時情況設計配水流量185.2 L/s。其中JS1為185.2 L/s。

本次設計采用海曾-威廉公式進行平差計算的最不利點校核，計算溫度采用13°，局部損失忽略不計。計算公式如下：

V=0.44*C*(Re/C)^0.075*(g*D*I)^0.5

式中：Re=V*D/v；v=0.000 001

水壓最低點為節點JS17，其壓力為923.46 m；自由水頭最低點為JS6，其自由水頭為53.67 m。

由計算結果可知，最不利校核符合要求。

(2)事故工況校核

鎮坪縣城設計供水規模為8 000 m3/d，根據規范要求，配水管網中任意一段管道發生事故時，實際供水能力應達到正常情況下的70%，即事故工況城區供水規模為Q=8 000×70%=5 600 m3/d，則本次配水管網按事故工況進行校核，校核采用的事故流量為正常工況設計流量185.2 L/s的70%，即Q設為77.777 L/s。其中JS1為77.777 L/s。

本次事故管道選用JS3—JS24。事故校核平差計算仍采用海曾-威廉公式，計算公式與各項基礎參數同最不利點校核，在此不再贅述。

水壓最低點為節點JS17，其壓力為934.91 m；自由水頭最低點為JS6，其自由水頭為50.08 m。

(3)消防工況校核

經預測及統計，設計水平年2025年鎮坪縣城總人數為2.56萬人，本次著火點取2處，一起火災滅火設計流量按30 L/s計算。

消防水頭：按戶外消火栓所需水頭考慮，計為10 m。

水源點JS1節點流量為171.11 L/s，水源點壓力為959.85 m。水壓最低點為節點JS17，其壓力為895.58 m；自由水頭最低點為JS8，最低點自由水頭為25.26 m。

以上各種工況的計算結果，從運行來看，供水水壓和水量可保證用戶要求。通過計算確定鎮坪縣城配水管線管徑見表3。

表3 配水管線管徑計算成果表

2)校核工況：小河、曙河水廠同時供水(8 000 m3/d)：

(1)一般工況設計：最不利點校核

一般工況即在正常情況下，達到設計水平年2025年工程區8 000 m3/d供水規模的配水要求。此時，配水管網應滿足家屬區最高日最高時用水量，即最大時情況設計配水流量111.11 L/s。其中水源點1(小河水廠)JS1為48.6 L/s，水源點2(曙河水廠)JS7為62.5 L/s。

本次設計采用海曾-威廉公式進行平差計算的最不利點校核，計算溫度采用13°，局部損失忽略不計。計算公式如下：

V=0.44*C*(Re/C)^0.075*(g*D*I)^0.5

式中：Re=V*D/v；v=0.000 001

水壓最低點為節點JS21，其壓力為937.29 m；自由水頭最低點為JS1，其自由水頭為32.163 m。

由計算結果可知，最不利校核符合要求。

(2)事故工況校核

鎮坪縣城設計供水規模為8 000 m3/d，根據規范要求，配水管網中任意一段管道發生事故時，實際供水能力應達到正常情況下的70%，即事故工況城區供水規模為Q=8 000×70%=5 600 m3/d，則本次配水管網按事故工況進行校核，校核采用的事故流量為正常工況設計流量111.11 L/s的70%，即Q設為77.77 L/s。其中JS1為34.02 L/s，JS7為43.75 L/s。

本次事故管道選用JS4—JS5。事故校核平差計算仍采用海曾-威廉公式，計算公式與各項基礎參數同最不利點校核，在此不再贅述。

水壓最低點為節點JS21，其壓力為945.13 m；自由水頭最低點為JS1，其自由水頭為32.163 m。

由計算結果可知，事故工況校核符合要求。

(3)消防工況校核

著火點的選擇及消防流量的選取：根據《消防給水及消火栓系統技術規范》(GB 50974—2014)規定，城鎮市政消防給水設計流量，應按同一時間內的火災起數和一起火災滅火設計流量經計算確定。

經預測及統計，設計水平年2025年鎮坪縣城總人數為2.56萬人，依據《消防給水及消火栓系統技術規范》本次著火點取2處，一起火災滅火設計流量按30 L/s計算。

消防水頭：按戶外消火栓所需水頭考慮，計為10 m。

水源點1(小河水廠)JS1節點流量為78.6 L/s，水源點壓力為955.11 m；水源點2(曙河水廠)JS7節點流量為92.5 L/s，水源點壓力為959.85 m。水壓最低點為節點JS21，其壓力為929.14 m；自由水頭最低點為JS1，最低點自由水頭為32.16 m。

以上各種工況的計算結果，從運行來看，供水水壓和水量可保證用戶要求。通過計算確定鎮坪縣城配水管線管徑見表4。

一般工況設計：最不利點校核，水壓最低點為節點JS21，其壓力為937.29 m；自由水頭最低點為JS1，其自由水頭為32.163 m。

事故工況校核，水壓最低點為節點JS21，其壓力為945.13 m；自由水頭最低點為JS1，其自由水頭為32.163 m。

消防工況校核，水源點1(小河水廠)JS1節點流量為78.6 L/s，水源點壓力為955.11 m；水源點2(曙河水廠)JS7節點流量為92.5 L/s，水源點壓力為959.85 m。水壓最低點為節點JS21，其壓力為929.14 m；自由水頭最低點為JS1，最低點自由水頭為32.16 m。

從以上兩種供水方式來看，各種工況的計算結果，水壓和水量均可保證所有用戶要求。

5.3 管道結構

管道設計內水壓力按最大工作壓力P計算確定，塑料管設計內水壓力為1.5倍最大工作壓力，設計管線采用PE100級，管道設計壓力見表4。

表4 管徑及管壓選擇

5.4 管道埋設

5.5 閥件及閥井

為確保管線正常運行、日常維修和事故搶修及供水工程的調度管理，沿配水管線設閥門等附件和閥門井等附屬構筑物，主要包括排氣閥、泄水閥、檢修閥、減壓穩壓閥、泄壓閥等，閥門井為磚砌結構。

5.6 消火栓

本次采用生活、消防共用的給水系統，即室外市政消火栓直接從給水管網中接管取水，消火栓應布置在人行道上，按間距不大于120 m布置，并盡量靠近道路交叉口。本次所有管線均采用室外地下式消火栓(SA100/65-1.6)。

6 結語

為保障提供安全、可靠、穩定的水量給鎮坪縣城區用水對象，鎮坪縣老城區現存的灰口鑄鐵等管道亟需優化改造，管道更換既需要進行合理的供水規模確定，又需要對整個城區管網進行優化分析計算。因此進行城區整體供水多工況的管網平差分析意義重大，通過研究不同水源情況下管網的運行狀態，從而合理確定供水管道及其附屬建筑物，達到建設完善城區供水管網，增強供水保障能力的目的。