安慧琳，薛 松

(陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018)

1 工程概況

鎮(zhèn)坪縣位于安康市東南，大巴山北側(cè)腹地，全縣區(qū)域總面積1 503 km2，境內(nèi)山岡連綿，峰嶺疊嶂，大巴山主脊橫亙縣境南部，南江河縱貫?zāi)媳?，將全縣切割為東西兩半，形成“兩山夾一谷”的地貌。

鎮(zhèn)坪縣老城區(qū)現(xiàn)狀供水管網(wǎng)分布于所有街道和主要巷道，老城區(qū)老供水管道多為八十年代中期建設(shè)，管材為灰口鑄鐵管，現(xiàn)狀供水管道老化，供水安全性較差。供水設(shè)施依舊是七八十年代建設(shè)，經(jīng)常維修效率低，運(yùn)行成本高。配水管網(wǎng)少，管徑小，供水普及率低，安全可靠性差，從2006年開(kāi)始縣城管網(wǎng)陸續(xù)改造，原灰口鑄鐵陸續(xù)更換為PE管道及鋼管，然而國(guó)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(yán)重、多次修補(bǔ)、供水可造性差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦挠盟踩??；诖耍疚膰@鎮(zhèn)坪縣老城區(qū)供水管網(wǎng)改擴(kuò)方案展開(kāi)了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

2 供水水源選擇

目前鎮(zhèn)坪縣城區(qū)供水由小河凈水廠承擔(dān)，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(guī)劃有三道門森林公園開(kāi)發(fā)，旅游等人類活動(dòng)將大幅增加，存在污染風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)石砦溝水域2008年出現(xiàn)不明“線蟲”，且近年多有出現(xiàn)。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(wú)工業(yè)污染，下游地勢(shì)逐步開(kāi)闊，人口較為分散，沿河左岸有村級(jí)便道相通，沿線分布農(nóng)田較少，主要為坡地和荒坡，河水水質(zhì)良好。

小河凈水廠規(guī)模為3 500 m3/d，曙河凈水廠目前正在緊張建設(shè)中，供水規(guī)模為8 000 m3/d。因此本文對(duì)鎮(zhèn)坪縣城供水方式考慮如下：曙河凈水廠建成后由其負(fù)責(zé)老城區(qū)及文采新區(qū)供水，小河凈水廠作為補(bǔ)充及應(yīng)急供水，在曙河水廠檢修或突發(fā)供水時(shí)間，小河凈水廠與曙河凈水廠同時(shí)對(duì)老城區(qū)及文采新區(qū)供水，可滿足鎮(zhèn)坪縣城居民用水需求。

曙河水質(zhì)優(yōu)良，各項(xiàng)指標(biāo)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(jīng)工程措施處理后，各項(xiàng)指標(biāo)也均滿足“集中供水的生活飲用水”水源要求。

3 工程規(guī)模

供水工程優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)主要為改造管線7.54 km，其中國(guó)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(shè)管網(wǎng)檢修井、消火栓、鎮(zhèn)墩等設(shè)施，供水對(duì)象為鎮(zhèn)坪縣城居民生活用水。

4 蓄水量計(jì)算及供水規(guī)模

根據(jù)供水范圍的用水標(biāo)準(zhǔn)及人口預(yù)測(cè)情況，分析計(jì)算得出受水區(qū)設(shè)計(jì)水平年總需水量為172.73萬(wàn) m3，具體計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 鎮(zhèn)坪縣2025年需水量計(jì)算表

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

確定縣城高日高時(shí)供水規(guī)模為400 m3/h。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

5.1 管材選擇

針對(duì)表2中的三種輸水管材的優(yōu)缺點(diǎn)比較，并結(jié)合本供水工程的重要性、施工、運(yùn)行管理、投資、地形、地質(zhì)條件綜合分析，本次設(shè)計(jì)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(jì)算公式

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013-2018)進(jìn)行水力計(jì)算，公式為：

總水頭損失h=hy+hj=hy(局部水頭損失hj忽略不計(jì))

式中：i為管道單位長(zhǎng)度的水頭損失(水力坡降)(m)；l為輸水管道長(zhǎng)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(shè)計(jì)流量(m3/s)；dj為管道計(jì)算內(nèi)徑(m)；Ch為海曾-威廉系數(shù)。

5.2.2 計(jì)算理論及說(shuō)明

鎮(zhèn)坪縣城管網(wǎng)平差計(jì)算分為兩種情況：(1)設(shè)計(jì)工況：曙河水廠單獨(dú)供水，供水規(guī)模按照設(shè)計(jì)需水量8 000 m3/d；(2)校核工況：小河、曙河水廠同時(shí)供水，供水規(guī)模按照設(shè)計(jì)需水量8 000 m3/d。

本工程由凈水廠取水，供水規(guī)模8 000 m3/d，根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，最大時(shí)變化系數(shù)選1.2，配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量按最不利情況下最高日最大時(shí)供水量111.11 L/s設(shè)計(jì)。再根據(jù)管網(wǎng)平差計(jì)算確定各段管道的設(shè)計(jì)流量、節(jié)點(diǎn)壓力等參數(shù)；并按事故情況下最高日最大時(shí)供水量的70%校核，同時(shí)對(duì)消防工況進(jìn)行校核；該管網(wǎng)工程只考慮從凈水廠供水，網(wǎng)內(nèi)不設(shè)調(diào)節(jié)構(gòu)筑物，則最大轉(zhuǎn)輸時(shí)這種工況不會(huì)發(fā)生，故本次不做最大轉(zhuǎn)輸情況的管網(wǎng)平差計(jì)算。

5.2.3 計(jì)算結(jié)果

1)設(shè)計(jì)工況：曙河水廠供水(8 000 m3/d)：

(1)一般工況設(shè)計(jì)：最不利點(diǎn)校核

一般工況即在正常情況下，達(dá)到設(shè)計(jì)水平年2025年工程區(qū)7 957 m3/d供水規(guī)模的配水要求。此時(shí)，配水管網(wǎng)應(yīng)滿足家屬區(qū)最高日最高時(shí)用水量，即最大時(shí)情況設(shè)計(jì)配水流量185.2 L/s。其中JS1為185.2 L/s。

本次設(shè)計(jì)采用海曾-威廉公式進(jìn)行平差計(jì)算的最不利點(diǎn)校核，計(jì)算溫度采用13°，局部損失忽略不計(jì)。計(jì)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(diǎn)為節(jié)點(diǎn)JS17，其壓力為923.46 m；自由水頭最低點(diǎn)為JS6，其自由水頭為53.67 m。

由計(jì)算結(jié)果可知，最不利校核符合要求。

(2)事故工況校核

鎮(zhèn)坪縣城設(shè)計(jì)供水規(guī)模為8 000 m3/d，根據(jù)規(guī)范要求，配水管網(wǎng)中任意一段管道發(fā)生事故時(shí)，實(shí)際供水能力應(yīng)達(dá)到正常情況下的70%，即事故工況城區(qū)供水規(guī)模為Q=8 000×70%=5 600 m3/d，則本次配水管網(wǎng)按事故工況進(jìn)行校核，校核采用的事故流量為正常工況設(shè)計(jì)流量185.2 L/s的70%，即Q設(shè)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(jì)算仍采用海曾-威廉公式，計(jì)算公式與各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)同最不利點(diǎn)校核，在此不再贅述。

水壓最低點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)JS17，其壓力為934.91 m；自由水頭最低點(diǎn)為JS6，其自由水頭為50.08 m。

(3)消防工況校核

經(jīng)預(yù)測(cè)及統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)水平年2025年鎮(zhèn)坪縣城總?cè)藬?shù)為2.56萬(wàn)人，本次著火點(diǎn)取2處，一起火災(zāi)滅火設(shè)計(jì)流量按30 L/s計(jì)算。

消防水頭：按戶外消火栓所需水頭考慮，計(jì)為10 m。

水源點(diǎn)JS1節(jié)點(diǎn)流量為171.11 L/s，水源點(diǎn)壓力為959.85 m。水壓最低點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)JS17，其壓力為895.58 m；自由水頭最低點(diǎn)為JS8，最低點(diǎn)自由水頭為25.26 m。

以上各種工況的計(jì)算結(jié)果，從運(yùn)行來(lái)看，供水水壓和水量可保證用戶要求。通過(guò)計(jì)算確定鎮(zhèn)坪縣城配水管線管徑見(jiàn)表3。

表3 配水管線管徑計(jì)算成果表

2)校核工況：小河、曙河水廠同時(shí)供水(8 000 m3/d)：

(1)一般工況設(shè)計(jì)：最不利點(diǎn)校核

一般工況即在正常情況下，達(dá)到設(shè)計(jì)水平年2025年工程區(qū)8 000 m3/d供水規(guī)模的配水要求。此時(shí)，配水管網(wǎng)應(yīng)滿足家屬區(qū)最高日最高時(shí)用水量，即最大時(shí)情況設(shè)計(jì)配水流量111.11 L/s。其中水源點(diǎn)1(小河水廠)JS1為48.6 L/s，水源點(diǎn)2(曙河水廠)JS7為62.5 L/s。

本次設(shè)計(jì)采用海曾-威廉公式進(jìn)行平差計(jì)算的最不利點(diǎn)校核，計(jì)算溫度采用13°，局部損失忽略不計(jì)。計(jì)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(diǎn)為節(jié)點(diǎn)JS21，其壓力為937.29 m；自由水頭最低點(diǎn)為JS1，其自由水頭為32.163 m。

由計(jì)算結(jié)果可知，最不利校核符合要求。

(2)事故工況校核

鎮(zhèn)坪縣城設(shè)計(jì)供水規(guī)模為8 000 m3/d，根據(jù)規(guī)范要求，配水管網(wǎng)中任意一段管道發(fā)生事故時(shí)，實(shí)際供水能力應(yīng)達(dá)到正常情況下的70%，即事故工況城區(qū)供水規(guī)模為Q=8 000×70%=5 600 m3/d，則本次配水管網(wǎng)按事故工況進(jìn)行校核，校核采用的事故流量為正常工況設(shè)計(jì)流量111.11 L/s的70%，即Q設(shè)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(jì)算仍采用海曾-威廉公式，計(jì)算公式與各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)同最不利點(diǎn)校核，在此不再贅述。

水壓最低點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)JS21，其壓力為945.13 m；自由水頭最低點(diǎn)為JS1，其自由水頭為32.163 m。

由計(jì)算結(jié)果可知，事故工況校核符合要求。

(3)消防工況校核

著火點(diǎn)的選擇及消防流量的選取：根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50974—2014)規(guī)定，城鎮(zhèn)市政消防給水設(shè)計(jì)流量，應(yīng)按同一時(shí)間內(nèi)的火災(zāi)起數(shù)和一起火災(zāi)滅火設(shè)計(jì)流量經(jīng)計(jì)算確定。

經(jīng)預(yù)測(cè)及統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)水平年2025年鎮(zhèn)坪縣城總?cè)藬?shù)為2.56萬(wàn)人，依據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》本次著火點(diǎn)取2處，一起火災(zāi)滅火設(shè)計(jì)流量按30 L/s計(jì)算。

消防水頭：按戶外消火栓所需水頭考慮，計(jì)為10 m。

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

以上各種工況的計(jì)算結(jié)果，從運(yùn)行來(lái)看，供水水壓和水量可保證用戶要求。通過(guò)計(jì)算確定鎮(zhèn)坪縣城配水管線管徑見(jiàn)表4。

一般工況設(shè)計(jì)：最不利點(diǎn)校核，水壓最低點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)JS21，其壓力為937.29 m；自由水頭最低點(diǎn)為JS1，其自由水頭為32.163 m。

事故工況校核，水壓最低點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)JS21，其壓力為945.13 m；自由水頭最低點(diǎn)為JS1，其自由水頭為32.163 m。

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

從以上兩種供水方式來(lái)看，各種工況的計(jì)算結(jié)果，水壓和水量均可保證所有用戶要求。

5.3 管道結(jié)構(gòu)

管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力按最大工作壓力P計(jì)算確定，塑料管設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為1.5倍最大工作壓力，設(shè)計(jì)管線采用PE100級(jí)，管道設(shè)計(jì)壓力見(jiàn)表4。

表4 管徑及管壓選擇

5.4 管道埋設(shè)

5.5 閥件及閥井

為確保管線正常運(yùn)行、日常維修和事故搶修及供水工程的調(diào)度管理，沿配水管線設(shè)閥門等附件和閥門井等附屬構(gòu)筑物，主要包括排氣閥、泄水閥、檢修閥、減壓穩(wěn)壓閥、泄壓閥等，閥門井為磚砌結(jié)構(gòu)。

5.6 消火栓

本次采用生活、消防共用的給水系統(tǒng)，即室外市政消火栓直接從給水管網(wǎng)中接管取水，消火栓應(yīng)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(jié)語(yǔ)

為保障提供安全、可靠、穩(wěn)定的水量給鎮(zhèn)坪縣城區(qū)用水對(duì)象，鎮(zhèn)坪縣老城區(qū)現(xiàn)存的灰口鑄鐵等管道亟需優(yōu)化改造，管道更換既需要進(jìn)行合理的供水規(guī)模確定，又需要對(duì)整個(gè)城區(qū)管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算。因此進(jìn)行城區(qū)整體供水多工況的管網(wǎng)平差分析意義重大，通過(guò)研究不同水源情況下管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而合理確定供水管道及其附屬建筑物，達(dá)到建設(shè)完善城區(qū)供水管網(wǎng)，增強(qiáng)供水保障能力的目的。