典型农村地区供水平衡下的管网扩建改造设计
彭漱墀
(韶关市防洪管理中心,广东 韶关 512000)
翁源县近年来建设的农村饮水安全工程，由于丘陵及山区人口比较分散，受人口分布和资金的限制，比较难进行联片供水，主要以解决单个行政村或自然村的小型集中式供水工程为主，水源主要利用深井、低坝或直接取用本村附近的山溪水、山泉水，取水断面的流域集雨面积较小，来水量不足，遇到枯水期，存在严重缺水现象，水源保证率不达标等问题。
龙仙镇地处粤北山区，全市境内兼有平原、丘陵、山地地形地貌，山多地少。由于自然条件原因，缺水问题一直是制约当地经济发展和人民生活水平提高的首要问题。
2.1 设计标准
根据《村镇供水工程技术规范》(SL 310—2019)，工程类型为Ⅲ型。结合实际情况，综合确定本工程水源设计取水量保证率为95% 。
2.2 供水量计算
本工程涉及的村为龙仙镇的田心村、石背村、蓝青村等16个行政村，扩网水源为龙仙镇龙仙水厂。龙仙水厂设计供水总规模为5.5万m3/d，现状供水人口约为31 428户，约110 000人用水。现状供水规模为3.0万m3/d。
设计供水量计算包括生活需水和工业需水。
本次设计主要针对农村人口供水，并且考虑工业节水规划措施，工业用水主要考虑企业生活用水量，按照规范SL 310—2019有关规定计算。
供水人口，本工程供水范围为田心、石寨及蓝青等16个行政村，以户籍年均人口增加率为依据，来设定此次供水规划年内人口增长率。供水人口按式(1)计算：
P=P0(1+γ)n+P1
(1)
式中：P为设计用水居民人数，人；
P0为供水范围内的现状常住人口数，其中包括无当地户籍的常住人口；
γ为设计年限内人口的自然增长率，根据当地近年来的人口自然增长率取0.63%；
n为工程设计年限，取10 a；
P1为设计年限内人口的机械增长总数。
居民生活用水量计算如式(2)：
W=Pq/1000
(2)
式中：W为居民生活用水量，m3/d；
P为设计用水居民人数，人；
q为最高日居民生活用水定额,L/(人·d)。
考虑到龙仙镇的实际情况，最高日居民生活用水定额取80 L/(人·d)。工程总供水规模为2356 m3/d，各供水点时变化系数取2。
经供水量计算，最高日供水量为2356 m3/d，本工程供水总规模取为2500 m3/d.
2.3 供需平衡计算
本工程扩网水源为龙仙镇龙仙水厂与江尾镇九仙水厂。
龙仙水厂设计供水总规模为0.45万m3/d，现状供水人口约为31 127人用水。现状供水规模为0.28万m3/d。
九仙水厂设计供水总规模为5.50万m3/d，现状供水人口约为31 428户，110 000人用水。现状供水规模为3.00万m3/d。
翁源县全域自然村集中供水工程(龙仙镇扩网工程)供水人口合计为20 873人，设计日用水量为2356 m3/d，供水水源为翁源县龙仙水厂及翁源县江尾镇九仙水厂，设计供水能力合计达到5.95万m3/d，大于田心村、石背村、蓝青村等16个 行政村的需水量，故水量能满足要求。
翁源县全域自然村集中供水工程2021年项目(龙仙镇扩网工程)为新建扩网项目，由翁源县龙仙镇龙仙水厂及翁源县江尾镇九仙水厂扩网供水至田心村、石背村、蓝青村等16个行政村，受益人口共计20 873人，设计供水总规模为2356 m3/d。工程类型为Ⅲ型，主要建设内容为：泵站3座、管网敷设96.318 km。
3.1 取水和净水工程标准
工程涉及的扩网水源为龙仙镇龙仙水厂与江尾镇九仙水厂。
翁源县龙仙水厂设计供水总规模为5.50万m3/d，现供水能力为3.00万m3/d。
翁源县全域自然村集中供水工程2021年项目(龙仙镇扩网工程)为扩网新建项目。各水厂水源水质检测需满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ类地表水标准[1-3]。
3.2 调节构筑物设计
调节构筑物主要包括清水池、高位水池。
在多水源井或滤池下游汇流处应布设清水池。在地势比较平缓的地段的规模较小的水厂可选择水塔供水。若水厂周边有合适的高地，则应选高位水池。设置调节构筑物在集中连片供水点的分压供水工程，且同减压池和加压泵站结合[4]。
设置高水位池或清水池的有效容积，I～Ⅳ型工程可为最高日用水量的15%～25%,Ⅳ型工程可为25%～40%,V型工程可为40%～60%。同时设置清水池和高位水池时,应根据各池的调节作用合理分配有效容积,清水池应比高位水池小,可按最高日用水量的5%～10%计算。
3.3 输配水工程
3.3.1 布置原则
选择较短的管线、满足管道地埋要求、沿现有道路一侧布置。施工、维护方便，降低造价，运行安全可靠。输水管一般按单管布置，双管布置时，应设连通管和检修阀[4]。
翁源县全域自然村集中供水工程2021年项目(龙仙镇扩网工程)为扩网新建项目，各供水片区在接水点处设置三通管件，直接配水至各片区供水点用户，供水水压能满足规范的要求。
3.3.2 水力计算
时变化系数按照规范SL 310—2019，本工程供水范围内各个供水点管网水力计算时，时变系数按照各供水点的实际规模来确定[5]。本工程总供水规模为2356 m3/d，各供水点时变化系数取2.0。
配水管网水力计算。根据供水方式、供水规模和管网布置特点进行管网水力计算。水力计算首先是根据经济流速确定经济管径，然后根据管网节点之间的长度来计算水头损失，再与节点地面平均高程比较确定是否加压。
(1)经济流速。
重力流的经济流速应充分利用地形高差确定，不应>3 m/s，不宜<0.6 m/s。对于加压流：dn<150 mm时，流速为0.6～1.0 m/s；
150
管径小、管线长取低值；
塑料管道流速可略高于金属管和混凝土管流速。
(2)管网水头损失。
①管道沿程水头损失，见式(3)
hf=iL
(3)
式中：hf为沿程水头损失，m；
i为单位管长水头损失，m/m；
L为计算管段长度，m。
②UPVC、PE、SRTP等塑料管的单位管长水头损失按式(4)计算：
i=0.000 915Q1.774/d4.774
(4)
式中：i为单位管长水头损失，m/m；
Q为管段流量，m3/s；
d为管道内径，m。
③管道总水头损失等于沿程损失加上局部损失，局部损失按沿程损失的5%～10%计算，本工程取10%。即总水头损失，见式(5)：
h=(1+10%)iL
(5)
式中：h为总水头损失，m;L为管段长度，m；
i为水力梯度。
经计算，总水头损失为854.25 m。
本次原水输送系统拟采用重力流方式[5]。取水点至龙仙镇龙仙水厂与江尾镇九仙水厂.原水输水管线采用双管平行敷设，为保证输水管任一段发生故障时仍能满足设计水量的70%输水，平行敷设的两条管线沿途设置连通管道，确保输送的稳定及安全性。龙水库至滨海水厂原水输水管线，按远期(2030年)15.5万m3/d敷设，管线全长 52.3 km；
至临城水厂原水输水管线，按远期(2030年)5.0为m3/d敷设，管长3.53 km。
4.1 管材选择
结合工程特点及常用的给水管材进行比选[6]。
球墨铸铁管具有强度高、延伸性好、抗腐能力强、造价低等优点，但其施工复杂，对施工条件要求较高且安装工期长；
玻璃钢管具有糙率小及抗腐能力强等优点，但抗外荷载较差和对地基及回填要求高且造价较高；
PE管具有糙率小、抗腐能力强及造价低等优点，但抗外荷载较差和对地基及回填要求高且受紫外线照射易老化；
衬塑钢管具有糙率小、抗腐能力强等优点，但造价较高且安装工期长；
钢管具有强度高、抗陷能力强及维修管理方便等优点，但抗腐能力较差和耐久性一般且造价高[7-8]。PVC管具有造价低糙率小、抗腐能力强等优点，但其使用过程中容易产生脆性，对人体产生危害。
综合比降管材的经济、耐久度和施工便利程度等。推荐配水主管及主要支管采用墨铸铁管。
4.2 管道敷设设计
本工程主要配水管道敷设主要采用PE管，入户部分管材采用衬塑钢管，本工程管道敷设PE管采用地埋敷设，衬塑钢管采用明敷敷设。
输配水管道埋设于地下，要求管顶覆土不宜<1.0 m。当管径<75 mm，开挖沟槽沟宽≥0.5 m；
当管径>75 mm，开挖沟槽沟宽≥管外径加0.5 m，且总宽度≥0.7 m。如有局部超挖，需用符合要求的土壤夯实。
管线穿越县道及以上时，需顶管作业，管道埋深为1.8 m，顶管采用气压平衡式作业。
管线跨越桥梁时，采用明敷方式，用托架固定，管道跨越桥梁两岸需设置支墩或镇墩等。
4.3 管道附属设施
4.3.1 设计原则
工程管道附属建筑物及配套设施主要是管线局部高点根据需要与否来布置调节池，如需要则根据地形及供水点分段设置；
其次地埋管道的排气阀、排空阀等应设置阀井进行保护；
漏出的排气阀采用套管进行保护。
4.3.2 设计要求
设置排气阀在传输管道的凸起点位置，若运输距离过长的管段，则间隔1 km设置一个，若有压力隆起点，则在相应位置布设排气阀，排除管理聚积空气。同时未免产生负压应该使空气自动进入在产生水锤的时候。
(1)据测量资料及沿线实际地形需要，在管道的低凹处应设泄水阀。
(2)据测量资料及沿线实际地形需要，在配水干管分水点下游侧的干管和分水支管上设检修阀。
(3)管道上的排气阀、泄水阀、检修阀等根据管线布置情况均设置在阀门井内，井径为1.2 m。
(4)在入村的干管上分别设置水表，水表直径同管径；
供水管入户时均设置水表，每户设一个水表。
(5)应采用鉴定合格并具有生产许可证的水表，水表的常用流量应略大于管道的设计流量。
4.4 管线稳态水力分析
项目输水为重力输水，从龙仙水厂和九仙水厂取水，向龙仙镇水厂供水，全程管道密闭重力输水。参考长距离输水管线末端调节阀水击控制理想特性理论，所有末端调节阀均采用等百分比特性，即在龙仙水厂进厂设置2×DN1000的活塞式调流阀；
在九仙水厂进厂设置2×DN700的活塞式调流阀。现采用海曾威廉公式对工程输水方案进行管线稳态水力计算，计算结果如图1～图2。
图1 龙仙管线稳态水力坡度线
图2 九仙管线稳态水力坡度线
该输水管线远期总输水量为5.5万m3/d(考虑10%管网漏失率，5%水厂自用水量)，两条管线同时运行工况下，单条输水管线输水量为0.92 m3/s，流速0.45～1.35 m/s。管线设计总水头损失约为41 m。不利工况下，当输水管任一段发生故障时另一段仍能满足设计水量的70%输水，管线输水量为1.03 m3/s，流速 0.57～1.93 m/s。管线总水头损失约为49 m。
由以上稳态计算结果可以看出龙仙水厂设置2×DN1000，九仙水厂设置2×DN700的活塞式调流阀是合适的。
本文以翁源县龙仙镇供水扩建工程为研究背景，采用预测法对当地的蓄水量进行预测，项目供水规模约为2356 m3/d。
工程输水管位为龙仙水厂和九仙水厂路管道向龙仙镇。输水方案设计原水输水管线，按2500 m3/d双管平行敷设，管径 DN500～DN700球墨铸铁管，管线全长 36.3 km并采用海曾威廉公式对工程输水方案进行管线稳态水力计算验证输水方案有效可行。
本次研究针对输水工程的综合防护系统、水质预警监测系统较浅，后续应该进行专项设计论证以检验方案的合理性。
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