杜坤

（新源縣水利局，新疆 新源 835800）

0 引言

城鄉(xiāng)供水工程主要由引水、排水和水循環(huán)三個(gè)系統(tǒng)組成，其中引水系統(tǒng)主要是向城鄉(xiāng)供水對(duì)象提供水源，引水管線布置必須綜合考慮施工成本、工程規(guī)劃、運(yùn)營及檢修成本。城鄉(xiāng)供水一體化工程長距離引水管線布置過程中盡量減少既有建筑物拆遷，避免大量占用永久性農(nóng)田，最好沿現(xiàn)有或規(guī)劃道路敷設(shè)，簡化施工過程及運(yùn)行管理難度，避開不良地層，避免穿越既有公路、鐵路及河溝。

1 工程概況

新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)供水一體化工程主要為新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水，即為新源鎮(zhèn)等7 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和72 團(tuán)的農(nóng)村生活用水、牲畜用水、城市生活用水、工業(yè)用水等，供水人口170 046人，其中農(nóng)村人口93 652人，城市人口76 394人。供水工程以BSKL水庫為供水水源，從BSKL水庫預(yù)留引水口引水，后經(jīng)過長度為6 km 的新建DN1000 涂塑鋼管輸水管道沿恰甫河河道左岸自壓輸水至新源縣中心水廠。新建水廠至縣城區(qū)主干管道，接入縣城區(qū)內(nèi)配水主管后向配水管網(wǎng)補(bǔ)水，管道設(shè)計(jì)長度2.75 km，其中Y0+000～Y1+587 段采用DN900 涂塑鋼管，設(shè)計(jì)輸水流量1.13 m3/s，Y1+587～Y2+752 段則采用DN800 涂塑鋼管，設(shè)計(jì)輸水流量0.86 m3/s。該供水工程供水規(guī)模預(yù)測結(jié)果詳見表1，供水工程以2035 年為遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水平年，總設(shè)計(jì)年供水量為4 090.91×104m3，設(shè)計(jì)供水保證率為95%。

表1 供水規(guī)模預(yù)測表

2 引水管線布置的優(yōu)化

對(duì)于城鄉(xiāng)供水工程而言，引水管線布置投資在工程總投資成本中占比超60%，如果引水管道管徑過大，雖能減少水頭損失，但會(huì)增大供水工程造價(jià)；如果引水管道管徑過小，則會(huì)增大水頭損失克服難度和泵站運(yùn)行費(fèi)用。為此，必須在管徑和工程造價(jià)之間尋求平衡。供水工程引水方式包括重力流引水和加壓流引水兩種，分情況展開論述。

2.1 重力流段引水管徑

所謂重力流引水即在沒有壓力的情況下，借助引水管自身傾斜坡度重力自流，此方式不產(chǎn)生動(dòng)力費(fèi)用，且維護(hù)檢修工程量小，也是最常見的引水方式。重力流引水效率主要取決于管段傾斜坡度和管徑，其中管段傾斜坡度主要與工程所在地區(qū)地形地勢條件有關(guān)，而設(shè)計(jì)過程中所需進(jìn)行的就是基于重力流段供水管線布置要求，合理確定管徑。結(jié)合我國西部地區(qū)類似供水工程項(xiàng)目糙率取值經(jīng)驗(yàn)，將新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)供水工程預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管和鋼管糙率分別控制在0.01以內(nèi)，并充分考慮長距離供水管道局部水頭損失。故此處采用曼寧公式，進(jìn)行該供水工程長距離引水管線水頭損失計(jì)算：

式（1）中：h—供水工程長距離管線水頭損失，m；v—供水管線水流流速，m/s；l—長距離供水管線設(shè)計(jì)長度，m；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m。

采用上式計(jì)算出該城鄉(xiāng)供水工程長距離管線水頭損失后，考慮到工程實(shí)際供水管線存在較多的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且閘閥規(guī)格不統(tǒng)一，為滿足供水一體化工程運(yùn)行要求，按照整體水頭損失的15%確定局部水頭損失，故總水頭損失hf表示如下：

供水工程長距離引水管線中水流流速計(jì)算如下：

式（3）中：Q—引水管線設(shè)計(jì)流量，m3/s；D—引水管線管徑，mm。

該城鄉(xiāng)供水工程長距離引水管道采用預(yù)應(yīng)力鋼混材料管，部分地質(zhì)條件差的區(qū)域改用鋼管。考慮當(dāng)前引水管線管材供應(yīng)情況，針對(duì)較為常見的PCPP管展開管徑設(shè)計(jì)。根據(jù)《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》，壓力輸水管道流速應(yīng)達(dá)到0.50 m/s的要求，重力引水管道長度根據(jù)加壓泵站具體位置確定。結(jié)合該工程引水規(guī)模，擬定三種管徑組合方式，采取以上公式進(jìn)行水力計(jì)算，結(jié)果見表2。根據(jù)表中結(jié)果，三種管徑組合形式下單管最大流速、流量取值均較為接近，但水頭損失差異大；三種管徑形式水頭損失均能滿足規(guī)范要求，但第一組管徑組合在實(shí)際水力下水頭損失比進(jìn)出口水位差小，最符合重力引水的工程要求，故最終采用第一組DN2500/DN2500 的管徑組合。

表2 水力計(jì)算結(jié)果比較表

2.2 加壓流段管徑選型

城鄉(xiāng)供水工程長距離引水管線加壓流段應(yīng)采取經(jīng)濟(jì)流速法進(jìn)行管徑選型，保證供水目的的基礎(chǔ)上，縮小管線布置成本。在經(jīng)濟(jì)流速法下結(jié)合管線選材、引水方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)流速范圍確定，并結(jié)合水力計(jì)算結(jié)果確定經(jīng)濟(jì)管徑，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管徑進(jìn)行結(jié)果修正。公式如下：

式（4）中：d—城鄉(xiāng)供水工程引水管線管徑，mm；Q—引水管線設(shè)計(jì)流量，m3/s；其余參數(shù)含義同前。

結(jié)合式（4），在水力條件及經(jīng)濟(jì)流速參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，明確引水管線管徑范圍。不同管材施工時(shí)間、采購成本、施工工藝不盡相同，故應(yīng)用凈現(xiàn)值法計(jì)算經(jīng)濟(jì)管徑參數(shù)并比較不同管徑方案，確定不同方案下工程建設(shè)費(fèi)用和年運(yùn)行成本。對(duì)于具體工程，在管徑選型理論計(jì)算的基礎(chǔ)上還應(yīng)將管線任一節(jié)點(diǎn)工作壓力控制在管線材料標(biāo)準(zhǔn)公稱壓力范圍內(nèi)，使管線經(jīng)濟(jì)流量不超出管線不淤流速與最大流速允許值的范圍；管線布置完成后，必須確保水泵始終高效運(yùn)行。

2.3 附屬設(shè)置布置

在布置該城鄉(xiāng)供水工程長距離引水管線的過程中，結(jié)合地質(zhì)勘探結(jié)果，采用文中所推薦的DN2500/DN2500 管徑組合形式；在布置線路時(shí)，必須在滿足用地規(guī)劃的基礎(chǔ)上保證管道順直鋪設(shè)。該引水管線附屬設(shè)置主要有排氣設(shè)施和檢修閥。

排氣設(shè)施必須設(shè)置在管線最高位置和平直段等部位，并手動(dòng)連接閥門和排氣閥下端。為優(yōu)化排氣設(shè)施結(jié)構(gòu)，應(yīng)在排氣三通處設(shè)置配氣設(shè)施，同時(shí)將手動(dòng)閥門引入法蘭蓋板，安裝排氣閥。優(yōu)化后的排氣設(shè)施結(jié)構(gòu)詳見圖1。優(yōu)化后的排氣設(shè)施安裝后既作為進(jìn)口管道通道，又可在管線維護(hù)期間用作檢修孔，便于臨時(shí)排水及對(duì)引水管線的檢修維護(hù)。

圖1 引水管線排氣設(shè)施優(yōu)化圖

考慮到引水管線檢修時(shí)隔斷及排水方面的要求，應(yīng)在該供水工程長距離引水管線起始端和終端分別安裝1個(gè)檢修閥門，其余段按照5 000 m 的間隔設(shè)置檢修閥門。如果引水管線存在管橋結(jié)構(gòu)，應(yīng)充分利用該結(jié)構(gòu)，并以其代替檢修閥門，優(yōu)化檢修閥門位置及數(shù)量，節(jié)省工程造價(jià)。

3 優(yōu)化前后的比較

結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行該城鄉(xiāng)供水工程長距離引水管線優(yōu)化前后情況的比較分析。在充分考慮新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)供水一體化工程用水安全的基礎(chǔ)上，通過壓力管道和加壓泵站引水。在優(yōu)化前后的管線布置形式中隨機(jī)選擇不同節(jié)點(diǎn)，依次編號(hào)，并記錄相應(yīng)高程，計(jì)算優(yōu)化前后水頭值。結(jié)果見表3。結(jié)合優(yōu)化后的高程及水頭值，管線布置方案優(yōu)化后完全滿足標(biāo)準(zhǔn)管徑要求，且模擬結(jié)果與管網(wǎng)壓力節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水壓值吻合程度高，可實(shí)現(xiàn)長距離引水管線最優(yōu)布置。

表3 引水管線布置形式優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)高程及水頭表

4 結(jié)論

綜上所述，新源縣中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)供水一體化工程引水管線優(yōu)化布置后水頭損失明顯減小，引供水效率明顯提升，加壓流管段管徑設(shè)置更加合理，輔助設(shè)施的設(shè)置也為工程順利供水提供了保證。