王明 趙琳 史忠偉

1 工程背景

衡水市濱湖新區(qū)處于冀棗衡最大漏斗區(qū)的中心，因為過量開采地下深層淡水，超過了水資源的補給能力，使得區(qū)域內地下水位持續(xù)下降，形成了地下水漏斗，引發(fā)地下水水質惡化，咸淡水界面下降，出現(xiàn)了地面沉降等一系列環(huán)境地質問題，同時造成地下水開發(fā)難度不斷加大。全區(qū)地下水位以每年1.7 m左右的速度下降，濱湖新區(qū)漏斗中心水位埋深由1972年的15.92 m增大到2008年的85.21 m，目前深度仍在繼續(xù)增加。為了改善地下水超采引起的一系列不良環(huán)境、地質影響，擬用南水北調水源置換濱湖新區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中供水站的地下水水源，減少地下水開采，節(jié)約和保護地下水資源。

2 總體設計思路

衡水地下水超采綜合治理項目是在全面實施地表水替代地下水的背景下產(chǎn)生的。利用南水北調凈水廠水源（南水北調工程分水指標），置換現(xiàn)有地下水飲用水源。建設內容包括泵站、水量計量設施、鋪設管網(wǎng)及附屬設施。通過項目的實施，實現(xiàn)南水北調凈水廠向農村供水的同時，有效合理利用南水北調工程分水指標，解決了設計水平年（2030年）魏屯鎮(zhèn)、彭杜鄉(xiāng)、鄧莊鄉(xiāng)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)67個村92 260人（含3座萬人中學師生33 000人）用水問題。項目置換地下水，關停機井54眼，到2030年可壓采地下水237.7萬m3。取水泵站位于西婁家疃南水北調水廠附近，輸水管線向南主線至魏屯鎮(zhèn)，沿途經(jīng)中干渠，橫三路與縱一路相交處，往南至曹家莊；向北主線先跨越中干渠，沿橫三路至南辛莊村以南后向北穿越橫二路、橫一路后往東至彭杜鄉(xiāng)彭杜鄉(xiāng)第四供水站。

3 工程設計

3.1 設計流量確定

衡水地下水超采綜合治理項目加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)各村配水支管與各村原有供水管路的總管相連，中間不設調節(jié)池，因此，由加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)供水管路設計流量按照最高日最高時用水量確定。加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站輸水管道將南水北調水廠清水池的水輸送至彭杜鄉(xiāng)第四供水站蓄水池，且彭杜鄉(xiāng)第四供水站蓄水池容積滿足彭杜鄉(xiāng)用水總量的調節(jié)需求，等同于在供水線路上設有調節(jié)水池，因此，由加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站管路設計流量按照最高日平均時用水量確定。見表1。

表1 供水管道設計流量表

3.2 設計流速選擇

工程輸水線路采用PE管方案，其經(jīng)濟管徑的選擇直接影響到工程建成以后的運行狀況和工程總費用。在輸水流量一定的情況下，管內流速與管徑的平方成反比。管徑越大，管內流速越小，水頭損失也越小，泵站的相關投資及運行費用就越低，但管道的建設投資則越大；反之，管徑越小，管內流速越大，水頭損失也就越大，泵站的相關投資及運行費用越高，但管道的建設投資則越小。因此，最經(jīng)濟的設計是將管道工程投資、加壓泵站建設投資及年總經(jīng)營費用（如電費、設備折舊費、維護管理費、貸款利息等）綜合分析，找出設計流量下總費用最小的管道口徑，即經(jīng)濟管徑。

輸水管道的設計流速宜采用經(jīng)濟流速，不宜大于2.0 m/s，結合確定的經(jīng)濟流速及規(guī)范要求，經(jīng)比選以1.058 m/s為主管路設計控制流速。

3.3 管徑的確定

除加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水主管進行經(jīng)濟分析外，供水管路管徑的確定還應依據(jù)相關水力計算比較確定，計算過程包括以經(jīng)濟流速為控制條件進行的管徑計算及相應管徑條件下的沿程水損計算，經(jīng)對比分析，確定合理流速范圍內的最優(yōu)管徑。3.3.1 管徑計算采用經(jīng)濟流速確定供水管道的管徑，計算公式為：

式中D——管道的經(jīng)濟管徑，mm；

Q——管道的設計流量，m3/h；

v——管道的設計流速，m/s。

3.3.2 沿程水損計算公式

（1）沿程沿程水損的計算公式為：

式中hl—沿程沿程水損，m；

L——計算管段的長度，m；

i——單位管長沿程水損，m/m。

（2）單位管長沿程水損的計算公式為：

式中Q——管段流量，m3/s；

C——海澄·威廉系數(shù)，PE管道為140；

d—管道內徑，m。

局部水頭損失按沿程損失的10%計算。

加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水管道設計流量274.2 m3/h，以1.058 m/s為設計流速，使用管徑計算公式進行初步計算，所得管道內徑Din為314 mm，相應管道外徑應為368 mm，需要選擇PE管道的公稱外徑為DN400。以DN400管徑為基準，進行不同外徑規(guī)格管道的流速和沿程水損計算，詳見表2。

表2 彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水干管管徑、流速及相應沿程水損比較

通過上表的計算可以看出，以公稱直徑為DN400的管道進行計算，所得流速為0.834 m/s，該流速比選定的流速小，因此，將該段管路管徑調整為DN355，使用DN355規(guī)格管道能夠滿足流速控制條件。據(jù)此，最終確定加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水管道管徑為DN355。加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)各村供水主管路管徑的確定同以上方法，確定加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)供水主管道公稱直徑為DN280。

3.4 供水泵出口壓力的確定

加壓泵站水泵出口壓力計算由最不利管線的沿程水頭損失、局部水頭損失、最不利點服務水頭及最不利管線首尾兩端高程差來計算供水泵的揚程。加壓泵站向彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水線路為1條DN355規(guī)格的PE給水管，管道總長9 720 m，供水量為274.2 m3/h。加壓泵站出口中心高程為20.0 m，彭杜鄉(xiāng)第四供水站蓄水調節(jié)池進水口高程為21.6 m，則供水線路始末兩端高差為1.60 m。以該管線的沿程、局部水頭損失、服務水頭及管線首尾兩端高程差計算水泵揚程，計算結果見表3。

表3 第四供水站供水線路水力計算表 mm

加壓泵向彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水線路供水泵揚程應為上表中沿程損失、局部損失、服務水頭及幾何高差之和：

由以上計算結果可知，向彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水泵出口能提供的最小水壓力應為46.35 m水頭。

3.5 管道壓力的確定

在給定水泵揚程技術參數(shù)供水條件下，轄區(qū)內26個村供水支管服務水頭均在19～34 m范圍內，依據(jù)規(guī)范要求，用戶水龍頭最大凈水頭超過40 m時，才需采取減壓措施。因此，在現(xiàn)有供水壓力條件下，供水支管入戶管端可以不設減壓措施。經(jīng)計算，由加壓泵站至魏屯鎮(zhèn)各村供水管路事故停泵時最大正壓力為72.57 m水頭，水泵正常工作時最大壓力為40 m；由加壓泵站至彭杜鄉(xiāng)第四供水站供水管路事故停泵時最大正壓力為69.99 m水頭，水泵正常工作時最大壓力為50 m水頭；因此供水管道最小承壓能力可采用0.80 MPa。考慮城鎮(zhèn)遠期發(fā)展，為保證村鎮(zhèn)供水管道的耐久性和供水安全性，確定管道承壓能力定為1.0 MPa。

4 結 語

衡水地下水超采綜合治理項目輸水工程用南水北調水源置換深層地下水，減少深層地下水開采，節(jié)約和保護地下水資源，工程設計經(jīng)濟合理，目前項目已竣工驗收，向村鎮(zhèn)各需水戶供水運行。