商南縣應急供水工程方案分析

聶 鯤

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710061）

1 引言

水資源是人類生活、生產(chǎn)必不可缺的資源,水資源短缺問題對當?shù)亟?jīng)濟、社會有不利影響,因此,建設供水工程是十分必要的[1-2]。水源是影響供水工程建設的一個重要影響因素,供水線路選擇對供水工程投資和水資源傳輸效率有較大影響[3-5]。以商南縣為研究對象,對應急供水工程方案進行研究。

2 工程概況

商南縣位于陜西省商洛市東南部,秦嶺東南麓,屬長江水系的丹江中上游地區(qū),為上（上海）伊（伊寧）線（312 國道）的中途要地。根據(jù)商南縣社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃分析預測,至規(guī)劃水平年（2025年）,干旱期城區(qū)最高日用水量將達到1.0 萬m3,故確定本應急水源工程建設規(guī)模日最大供水量1.0 萬m3/d。

工程擬從丹江河過風樓段建水源井引水,通過19.878 km的管線與跨河建筑物,鋪設20.853 km 管道將丹江河水通過四級加壓引至官坡水廠原水池。

3 水源選擇

根據(jù)水資源選擇原則和項目區(qū)所處位置,結合區(qū)域水資源概況,本次供水工程區(qū)可選取的水源有三個：（1）試馬水庫水源；（2）清油河水源；（3）丹江水源。

1）試馬水庫水源

試馬水庫水源位于商南縣城以西12 km 處的試馬鎮(zhèn)荊家河上游。水庫設計總庫容264 萬m3,有效庫容170 萬m3,年供水量70 萬m3。水庫庫容小,還擔負著解決下游試馬鎮(zhèn)2萬人左右的飲水問題。如遇干旱,水庫同樣處于干涸狀態(tài),因此試馬水庫水源作為商南縣城應急水源不可行。

2）清油河水源

清油河位于商南縣城以西15km 處,該流域內多年平均徑流深為260 mm,多年平均年徑流量9599 萬m3。沒有水庫,同時也擔負著清油河、清泉數(shù)萬人的飲水問題。加上2013年6月至今沒有有效降雨,河水流量急劇下降,水量也不能滿足縣城6 萬多人及清油河2 萬人左右的同時飲水問題。因此清油河水源作為商南縣城應急水源也不可行。

3）丹江水源

丹江發(fā)源于秦嶺山脈南麓,途徑商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣,在商南白浪鎮(zhèn)流入河南,流域面積大,水量充沛,水質良好。雖然2013年6月至今沒有有效降雨,但河水仍有較大的流量。

因此采取丹江水源作為商南縣城應急水源可行。

4 取水工程

4.1 取水工程地形地質概況

水源地擬建在過風樓鎮(zhèn)過風樓村幢子溝口東側,并位于丹江干流過風樓河段左側河漫灘之上,水源地處的地層巖性覆蓋層為新生界、第四系、全新統(tǒng)沖～洪砂礫卵石（Q42al+pl）層③,根據(jù)收集到的資料分析和推測,覆蓋層厚度11.0 m～13.00 m,根據(jù)本次水文地質調查資料,水位埋深2.87 m,高程274.63 m；含水層厚度大于8.00 m,滲透系數(shù)＞100 m/晝夜,屬極強透水層,覆蓋層以下基巖為古生界、泥盆系上統(tǒng)、青石埡組下段⑥鈣質砂巖（D3q1）,為相對隔水層,視為不透水層。根據(jù)資料分析,該水源地有修建提水大口井的水文地質條件。

4.2 取水工程布置

井位位于丹江河流河漫灘左側,地層巖性為第四系沖洪積砂礫卵石層,屬極強透水層,根據(jù)本次水文地質調查資料,水位埋深2.87 m,高程274.63 m；含水層厚度8.13 m,覆蓋層以下基巖為泥盆系變質砂巖,為相對隔水層,視為不透水層。

單井出水量依據(jù)卡明斯基公式計算：

式中：B 為透水地層長度,井壁周長29.85 m 計；K 為滲透系數(shù)按140 m/晝夜；H 井內外水位差,當井底保持1.50 m 時,河水最枯水位差6.63 m；T 為透水地層厚度11.00 m；b 為井徑（內徑9.50 m）；Q 為出水量m3/晝夜。

經(jīng)計算出水量10160 m3/晝夜,即：每小時單井出水量約為423 m3。基本滿足需要。根據(jù)日供水10800 m3的要求,缺口約640 m3,因此采用集水管補充。

根據(jù)上式計算,增設Ф10 m 的沉盤井一座,為磚混結構水源井,集水井徑10 m,深15 m,圓形。

集水管采用2根DN500 鋼制集水器,單根長54 m。

4.3 水泵選擇

設計流量按下式計算：

式中：Q 為泵站設計流量,m3/h；W 為最高日用水量,m3；T為日工作時間。

第一級水廠泵站設計流量為：

設計取水管進、出口高程見表1。

表1 取水管進、出口高程

考慮到壓力管道的水頭損失、水錘作用、水泵的損失和其他不確定因素,選擇潛水泵型號為ZL300QJ280-140/180,共3 臺,其中1 臺備用,泵站揚程為140 m,設計出水量280 t/h。泵站提升高度大于高差,滿足供水需求。水泵出水管采用DN450PE 管埋地敷設至下一級泵站調壓池。

三、四級泵站安裝ZL300 QJ280—105/140 型水泵（含配套電機）3 臺,其中1 臺備用,揚程105 m,設計出水量280 t/h。水泵出水管采用DN450 PE管埋地敷設至下一級泵站調壓池。

5 輸水管線工程

5.1 輸水方案比較

經(jīng)過初步踏勘,擬從丹江取水,經(jīng)過多級加壓后供縣城使用。丹江至縣城水廠地形高差234 m,考慮管道水頭損失,提水總揚程330 m～380 m。取水點初步選擇在過風樓鎮(zhèn)郭家坪外的丹江河道,沿河岸邊打大口井。方案計劃為永久性設計,管道深埋,動力線路架設專線、專用變壓器。經(jīng)分析路線方案有三種。

方案一：郭山公路方案

在過風樓郭家坪水源點取水,通過輸水管道（經(jīng)過四級泵站加壓）沿郭山公路鋪設管線至官坡水廠,經(jīng)處理后凈水接縣城原配水管網(wǎng)。

方案二：縣河小栗園、三角池、任家溝、官坡水廠方案

在過風樓郭家坪水源點取水,通過輸水管道（經(jīng)過五級泵站加壓）沿商南縣城至過風樓老公路鋪設,途經(jīng)小栗園、三角池、任家溝輸送至官坡水廠處理后向城區(qū)供水。

方案三：縣河小栗園、小金峪方案

在過風樓郭家坪水源點取水,通過輸水管道（經(jīng)過四級泵站加壓）沿商南縣城至過風樓老公路鋪設至石埡子村,進小金峪溝至小金峪和沐河之間的山梁,并修建水廠一座,經(jīng)凈化處理后,埋設管線輸送凈水供工業(yè)園、任家溝,縣城使用。

根據(jù)方案施工難度、征地、拆遷數(shù)量、造價以及施工工期等分析,方案一交通便利、施工難度小、施工工期最短,能盡快地解決縣城干旱缺水的問題,故推薦采用方案一。

5.2 輸水管線布設

輸水管線依據(jù)“線路最短、節(jié)約水頭、運行安全、施工管理方便、節(jié)約投資”的原則布設,按照單管加壓的輸水方式設計。在過河段采用雙管布設。

在過風樓郭家坪水源點取水,通過輸水管道（經(jīng)過四級泵站加壓）沿郭山公路鋪設管線至官坡水廠,經(jīng)處理后凈水接縣城原配水管網(wǎng)。

本設計方案管線總長19878 m,其中：一、二級泵站間管線長度6387 m,二、三級泵站間管線長度5265 m,三、四級泵站間管線長度3364 m,四級泵站至官坡水廠間管線長度4862 m。

5.3 輸水管道設計

通過分析及市場調研,鋼管管材價格昂貴,防腐要求高,使用年限短；預應力鋼筋砼管單位重量大,運輸和施工不方便,安裝費用高,承插接口技術精度難以保證,管道滲漏較多,管材強度和工作壓力較差,輸水安全性相對較差；UPVC 雖然重量輕、水力條件好、使用壽命長,但剛度及抗穩(wěn)定性差,對管道基礎和覆土要求高,地形適應較差；PE 管各項性能較為優(yōu)越,但價格昂貴,工程投資較大；球墨鑄鐵管重量較大,安裝精度要求較高。

綜合以上分析比較,初步選用PE 管作為輸水管管材。

水源丹江河過風樓處設計來水量最高日平均用水量0.15 m3/s?？上劝唇?jīng)濟流速通過計算確定管徑并進行管道水力計算。

① 計算管徑

根據(jù)經(jīng)驗公式計算：

D1=（4Q/ V）1/2=420 mm

考慮到其他可能發(fā)生情況,設計采用標稱管徑Φ450 mm PE 管。

②管道水頭損失計算

根據(jù)該方案作水頭損失計算如下：

沿程水頭損失h沿=i·L

由i=0.000915 Q1.774/d4.774

經(jīng)計算采用DN450 PE 管,單位管線長度沿程水頭損失i=0.00582

一級泵站距離 L1=6387 m

得h沿1= i1·L1=37.2 m

考慮到輸水管道過長,地形復雜,山勢起伏大,拐彎較多,局部水頭損失選取沿程水頭損失的40%。

局部水頭損失h局1=h沿1·40%=37.2×0.4=14.9

則h總1=h沿1+h局1=37.2+14.9=52.1m

各級水頭損失計算見表2。

表2 備用水源至水廠原水輸水管計算成果表

6 結語

為了保障商南縣水資源供應,擬建設應急供水工程。通過選取3 個水源進行分析,擬采用丹江水源作為供水工程水源,將取水井設置于丹江河流河漫灘左側,地質條件較為良好；通過對比選取PE 管材和郭山公路方案作為輸水方案,有利于施工、節(jié)省投資,通過復核,水頭損失滿足相關規(guī)范要求。