薛 松，安慧琳

(陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018)

陜西省黃土高原地區(qū)是我國水資源最為短缺的地區(qū)之一，特別是農(nóng)村大部分地區(qū)存在供水不足的問題，極大制約了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和群眾生活水平的提高，對國家飲水安全、農(nóng)民脫貧構(gòu)成嚴重威脅，亟需進行生態(tài)保護和修復。對于我國農(nóng)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(jīng)驗，為設計工作起到了充分的保障作用。洛川縣石頭鎮(zhèn)供水工程是在鎮(zhèn)區(qū)現(xiàn)有水資源短缺，地表水可供水量不斷減少，項目區(qū)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(xiàn)狀供水系統(tǒng)，通過本次供水工程解決項目區(qū)人畜飲水問題，促進當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展，提高居民健康水平和生活質(zhì)量，推動鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略進一步落實。

1 工程現(xiàn)狀

1.1 石頭鎮(zhèn)區(qū)域概況

石頭鎮(zhèn)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(zhèn)區(qū)面積105.4 km2，屬陜北黃土高塬南部的黃土梁塬區(qū)，黃土塬頂部地形較平坦，地勢開闊，黃土塬邊緣溝谷發(fā)育，地形破碎。2017年，全鎮(zhèn)總?cè)丝?.48萬人，占全縣總?cè)丝诘?4.97%。其中城鎮(zhèn)人口0.64萬人，城鎮(zhèn)化率為18.39%。石頭鎮(zhèn)轄鄉(xiāng)鎮(zhèn)以蘋果為主的林果業(yè)作為農(nóng)業(yè)主導產(chǎn)業(yè)，啟動實施蘋果標準化生產(chǎn)三年提升工程，實現(xiàn)了蘋果生產(chǎn)經(jīng)營全過程標準化，建成現(xiàn)代標準示范園。農(nóng)產(chǎn)以小麥、玉米、油菜子為主。鎮(zhèn)域內(nèi)有包西鐵路、白史路、縣道323、縣道208等交通干線，鄉(xiāng)村道路縱橫交錯，交通便利。

1.2 水資源及供水工程現(xiàn)狀

項目區(qū)現(xiàn)有供水系統(tǒng)分為三種，分別為吳家莊供水系統(tǒng)、兩水河供水系統(tǒng)及機井群供水系統(tǒng)。吳家莊供水系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)狀實際最高日供水量980 m3/d。石頭鎮(zhèn)供水站位于石頭鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)以西，水源為附近機井群取水，供水系統(tǒng)采用重力自流的供水方式，站內(nèi)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(zhèn)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(qū)，年供水量為5985 m3，供水任務為農(nóng)業(yè)灌溉和城鎮(zhèn)供水。

1.3 供水現(xiàn)狀存在的問題

(1)石頭鎮(zhèn)縣屬資源型缺水和工程型缺水地區(qū)，用水供需矛盾突出。水資源的相對貧乏，使石頭鎮(zhèn)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(xiāng)鎮(zhèn)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(xiàn)象時有發(fā)生，在管網(wǎng)末稍和地勢較高的地區(qū)“水荒”現(xiàn)象尤為嚴重，且有些管網(wǎng)建設年限長，老化嚴重，部分管網(wǎng)漏損現(xiàn)象嚴重。

(2)項目區(qū)水源工程建設標準低，取水能力低。項目區(qū)現(xiàn)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(xiāng)一站”工程之一，以石頭鎮(zhèn)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(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)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(xiāng)的灌溉用水。兩處水源工程經(jīng)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(diào)蓄能力不足，干旱時流量銳減，不能滿足項目區(qū)群眾生活用水基本要求。

(3)項目區(qū)現(xiàn)狀供水工程設施老化，供水規(guī)模不足，與當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展不同步。項目區(qū)吳家莊供水站現(xiàn)狀供水規(guī)模1126 m3/d，兩水河供水站改建后供水規(guī)模980 m3/d，遠不能滿足項目區(qū)用水發(fā)展需要。輸配水管網(wǎng)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(wǎng)建設嚴重滯后，與當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展不同步。隨著重點鎮(zhèn)建設進程不斷加快，蘋果等經(jīng)濟農(nóng)產(chǎn)種植面積不斷增大，配套管網(wǎng)改造跟不上，不僅導致了經(jīng)濟的損失，而且給居民生活帶來不便。

(4)項目區(qū)水源水質(zhì)不可靠，居民生活用水安全無法保障。項目區(qū)機井供水系統(tǒng)均無水質(zhì)凈化設施。近年來，隨著當?shù)厝罕娚钏降闹鹉晏嵘腭v的新建小區(qū)和企業(yè)逐漸增多，群眾日益增高的水質(zhì)水量需求和水源取水量及水質(zhì)逐年下降之間供需矛盾越發(fā)突出。特別是局部利用地下水的地區(qū)未經(jīng)水廠凈化，水質(zhì)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(xù)增進的關(guān)鍵因素。

2 工程規(guī)模

由于項目區(qū)現(xiàn)狀供水設施已運行多年，系統(tǒng)管網(wǎng)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(wǎng)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(qū)近期設計水平年(2025年)需水量154.2萬m3，現(xiàn)狀供水工程可供水量59.1萬m3，項目區(qū)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?？紤]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(qū)近期供水規(guī)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(qū)遠期設計水平年(2030年)需水量195.1萬m3，考慮到現(xiàn)狀供水工程遠期的淤積及現(xiàn)狀凈水設施老化等問題，現(xiàn)狀供水系統(tǒng)將面臨無法取水的問題，故項目區(qū)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(qū)遠期供水規(guī)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?？盏?。輸水管線沿現(xiàn)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(zhèn)政府東側(cè)，白史路南側(cè)，進行水質(zhì)凈化處理后接入現(xiàn)狀配水管道，通過自流和配水泵站加壓對各項目區(qū)各村鎮(zhèn)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(jié)合石堡川水庫的水情，河岸地質(zhì)、岸邊附屬設施，可供選擇的形式有三種。

(1)豎井取水：在庫區(qū)一側(cè)修建豎井，結(jié)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(nèi)徑300 cm，壁厚30 cm，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(nèi)布置潛水泵，再通過潛水泵將水提升至二級泵站前池?？紤]到水庫淤積問題，在現(xiàn)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(yōu)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(qū)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(qū)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(shù)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(guī)律的江河湖泊及水庫取水。浮船式泵站結(jié)構(gòu)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(jù)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(jié)構(gòu)。浮船上部為泵站主廠房，甲板上高程與室內(nèi)地坪高程一致。內(nèi)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(cè)，寬度3 m，主廠房采用鋼結(jié)構(gòu)。

浮船取水方案優(yōu)點：能適應水庫不同水位，水源為水庫表層水，水質(zhì)較好，且運行管理方便。缺點：工程承擔鎮(zhèn)區(qū)居民生活用水任務，不能斷水，水庫依據(jù)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(jīng)輸水管路實現(xiàn)不間斷自動供水。主要有卷揚機、鋼絲繩系統(tǒng)、泵車、水泵、軌道、供水管路及閥門、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

優(yōu)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(jié)構(gòu)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?？紤]到村鎮(zhèn)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(nèi)輸水管材有以下幾種，其優(yōu)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(jié)合現(xiàn)狀，由于本配水管網(wǎng)工程，塬上供水區(qū)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(nèi)主要涉及加藥、加氯、反應、沉淀、超濾等核心凈水構(gòu)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(qū)西南側(cè)考慮后期廠區(qū)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(zhì)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(wǎng)格反應池和斜管沉淀池，均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格絮凝分兩組，并行運行，每組處理規(guī)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(zhì)一般控制在3NTU以下，以保證濾池的出水水質(zhì)。

超濾系統(tǒng)設計產(chǎn)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(zhì)控制在0.1 NTU以下。

4 結(jié)語

洛川縣石頭鎮(zhèn)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(zhèn)人民吃水難、用水難的問題。在陜北缺水地區(qū)通過優(yōu)化水資源配置，充分發(fā)揮黃土高原已成水庫、淤地壩等水源工程的供水潛力，結(jié)合受水區(qū)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(nóng)村飲水安全，提高農(nóng)村供水質(zhì)量，改善偏遠地區(qū)群眾的飲水條件，促進當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展，推動鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略進一步落實。