富县引葫济富调水工程设计优化分析

(陕西省水务集团，陕西 西安 710004)

1 工程初步设计概况

1.1 项目建设的必要性

随着富县能源基地建设步伐的加快和国家的相关政策支持，富县的发展进入高速发展时期，城市人口和流动人口相应急剧增加，根据《延安市富县县城总体规划(2013-2030)》，2030年富县县城规划人口将达到9.5万人，预测到2030年富县县城居民生活年需水量为492万 m3/a。其次，根据富县县城现状水平年工业产值，预测到2030年富县县城工业需水量122万 m3/a。此外，根据《延安富县工业园区总体规划》，规划至2030年富县白草坬工业园区用水量为86万 m3/a。故至规划水平年2030年，富县县城及白草坬工业园区用水量总和为700万 m3/a。

目前富县县城主要有两处供水水源，即大申号水库和沙西沟水库。两座水库年供水量总和仅为367.5万 m3/a，其供水量远不能满足规划水平年2030年富县县城及白草坬工业园区用水需求。

引葫济富调水工程，将葫芦河的水引至大申号水库，通过充分调蓄利用葫芦河的引水量和大申号川的天然径流量，合理调配区域水资源，有效的改善区域供水环境条件，使县城周边区域有限的水资源得到更加合理有效的开发利用。

富县引葫济富调水工程主要由三大部分组成：(1)水源取水工程，葫芦河真庄取水低坝工程；(2)泵站工程，真庄一级泵站工程和毛家庄二级泵站工程；(3)输水管线及附属工程。

1.2 水文

工程采用葫芦河张村驿站1957-2015年实测径流系列资料，进行逐日流量分级统计排频计算。真庄取水断面日保证率P=95%的日平均流量为0.899 m3/s。真庄取水断面 20 a一遇洪峰流量为463 m3/s，50 a一遇洪峰流量为758 m3/s。渭家河毛家庄断面 20 a一遇洪峰流量为38 m3/s；50 a一遇洪峰流量为51 m3/s。

真庄坝址多年平均年输沙量为6.21万 t。

1.3 地质

工程区位于鄂尔多斯台向斜陕北坳陷中部的单斜构造区，地质构造简单，区域构造相对稳定。根据《中国地震动参数区划图(2015)》分析，工程区Ⅱ类场地的地震动峰值加速度α=0.05 g，地震动反应普特征周期为0.35 s，相应的地震基本烈度Ⅵ度，属抗震有利地段。

1.4 工程任务和规模

1)工程任务。富县引葫济富调水工程将与现状大申号水库、沙西沟水库一起承担规划年(2030年)向富县县城及白草坬工业园区供水的任务。

2)工程规模。工程自葫芦河取水，取水点位于葫芦河张村驿镇真庄村处。至规划水平年(2030年)，富县县城城区需水量为614万 m3/a，白草坬工业园区需水量为86万 m3/a，合计为700万 m3/a。工程设计最大调水规模为1.5 万 m3/d，相应葫芦河取水流量为0.174 m3/s。

1.5 工程布置及主要建筑物

1)工程规模为小(1)型，工程等别为Ⅳ等，主要水工建筑物为4级，次要建筑物级别为5级，临时性水工建筑物级别5级。

2)工程总布置由真庄取水低坝、两级泵站、加压段管线及重力输水段管线组成。

3)主要建筑物。葫芦河取水低坝轴线总长度88 m，主要由溢流坝段、冲沙闸及放水设施段及非溢流坝段三大段组成。溢流坝段为C20埋石混凝土结构，堰面采用WES实用堰曲线，堰顶高程954.00 m，基础座落于弱风化基岩之上，坝段长度62 m，最大坝高9.5 m；冲沙闸及放水设施段长度6.0 m，设2×2 m冲沙闸一道及放水闸一道；非溢流坝段长度20 m，采用M7.5浆砌石梯形结构型式，坝顶高程958.00 m，顶宽3.0 m，基础座落于弱风化基岩之上。

真庄一级泵站位于葫芦河取水低坝左岸阶地，厂区占地3.5亩。泵站主要由进水前池(兼沉砂池)、主泵房、综合管理房、室外厕所及厂区辅助设施等组成。泵站设计总扬程160.0 m，总装机容量600 kW，配备3台自平衡多级离心泵及对应的控制和输变电设备。

毛家庄二级泵站位于渭家河行政村毛家河组处309国道旁，厂区占地5.9亩。泵站主要由进水前池、主泵房、综合管理房、室外厕所及厂区辅助设施等组成。泵站设计总扬程190.5 m，总装机容量750 kW，配备3台自平衡多级离心泵及对应的控制和输变电设备。

加压输水管线段总长度16.114 7 km，全线均采用K9级DN450球墨铸铁管；重力输水管线段总长度20.879 4 km，全线均采用K9级DN350球墨铸铁管。

管线穿过保尔塬采用隧洞内铺设管线方式，穿管线隧洞全长480.5 m，净断面尺寸为2.2×2.2 m，城门洞形断面，洞线全断面衬砌，衬砌型式为0.4 m厚C25钢筋混凝土结构。

1.6 机电

1)真庄一级泵站和毛家庄二级泵站均采用两用一备的台数。真庄一级泵站配备水泵机组3台(两用一备)，多级离心泵，型号均为DP280-43×4，配套电机为315L2-4(N=200 kW)。毛家庄二级泵站配备水泵机组3台(两用一备)，多级离心泵，型号为DP280-43×5，配套电机为355M-4(N=250 kW)。

2)两级泵站内各布置一座10 kV变电站，变电站设S11M型变压器一台，容量630 kVA。10 kV线路由附近接入，通过架空线路接至泵站10 kV终端杆，再接至主变。

2 设计分析

2.1 引用流量为0.174 m/s计算偏大

根据初步设计报告，当地水供需平衡分析，设计水平年(2030年)富县县城居民生活和工业需水量614万 m3、白草坬工业园需水量86万 m3，总需水量700万 m3，考虑输水损失3%后，毛需水量725万 m3。

根据《延安市富县大申号水库除险加固工程初步设计报告》(2016年)，大申号水库可供水量182.5万 m3/a。根据《延安市富县沙西沟骨干坝水源工程初步设计报告》(2009年)，沙西沟水库年可供水量185万 m3。设计水平年大申号水库和沙西沟水库共可供水量367.5万 m3，缺水量为357.5万 m3。详见表1。

表1 设计水平年区域水资源供、需平衡表 万m3

缺水量357.5万 m3，由引葫济富调水工程提供，按一年供水300 d计算，则每天的日净引水量为1.19万 m3/d，考虑3%的输水流量损失后，设计毛引水量为1.23万 m3/d，则引用流量为0.142 m/s，初步设计报告的引用流量为0.174 m/s，流量偏大。应考虑增加供水天数，减少引水工程的规模，减少工程投资。

2.2 工程等别、洪水标准偏高

1)根据本工程规模及供水对象，遵照《防洪标准》(GB50201-2014)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)，按年引水量确定挡水建筑物的工程等别偏高，按《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)确定工程应为Ⅴ等小(2)型，主要建筑物为5级，次要建筑物级别为5级，临时性水工建筑物级别5级。挡水工程水工建筑物防洪标准按10 a一遇洪水设计、20 a一遇洪水校核。而且本工程为径流式引水，其失事对下游影响较小，主要是对工程取水可靠性的影响，本工程又非主要水源地，故无需过高的防洪标准。

2)泵站的工程等别可不同于堤坝的工程等别，但不应低于堤坝的级别。根据《泵站设计规范》(GB50265-2010),泵站主要建筑物为4级，次要建筑物级别为5级，防洪标准按20 a一遇洪水设计、50 a一遇洪水校核。

2.3 输水管线布置不是最优

1)初步设计报告对于输水线路没有进行比选，引水流量0.174 m3/s需要37 km的输水管线，输水线路进、出水口高差仅11 m左右，却需要两级泵站加压再经过重力输水，是不经济的。

2)应该放开思路，尽量缩短输水管线，降低泵站扬程，减小投资。

2.4 输水管线直径偏大

初步设计报告，引水流量0.174 m3/s，输水全线采用K9级DN450球墨铸铁管，则管内流速为1.09 m/s。

根据《室内给水设计规范》(GB50013-2006)，室内吸水管直径在250～1 000 mm时，为1.2～1.6 m/s，显然选取DN450直径偏大。

选取直径DN400时，流速为1.38 m/s，比较合适。

2.5 泵站的维护和管理费用高

本工程布置了真庄一级加压泵站和毛家庄二级加压泵站，需要配备人员15人，增加了后期管理维护运行费用。

3 优化设计思路

富县引葫济富调水工程主要由三大部分组成：1)水源取水工程，主要为葫芦河真庄取水低坝工程；2)泵站工程，包括真庄一级加压泵站和毛家庄二级加压泵站工程；3)输水管线及附属工程，主要包括两大段输水管线工程(加压输水段和重力输水段)以及输水管线工程附属的隧洞。设计优化主要围绕这三大部分开展。

3.1 水源取水工程

初设报告中取水工程水工建筑物防洪标准按20 a一遇洪水设计、50 a一遇洪水校核。工程主要由非溢流坝段、放水闸段(接下游现状渠道)、冲砂闸段(泵站进水管引水口设在边墩处)和溢流坝段、真庄一级加压泵站组成。

1)根据本工程规模及供水对象，按照《防洪标准》(GB50201-2014)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)，按年供水量确定挡水建筑物的工程等别偏高，按《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)确定为小(2)型，相应工程等别为Ⅴ等，主要建筑物为5级，次要建筑物级别为5级，临时性建筑物为5级。挡水工程建筑物防洪标准按10年一遇洪水设计、20 a一遇洪水校核。且本工程为径流式引水，其失事对下游影响较小，主要是对工程取水可靠性的影响，本工程又非主要水源地，故无需过高的防洪标准。

2)泵站的工程等别可不同于堤坝的工程等别，可高于堤坝的等别，泵站的主要建筑物为4级，次要建筑物为5级，防洪标准按20 a一遇洪水设计、50 a一遇洪水校核。

3)在降低挡水建筑物防洪标准前提下，复核原溢流坝是否满足防洪要求，再确定是否拆除。即使不拆除，也需要在左岸增加冲砂和取水建筑物。

3.2 泵站工程

初设报告，取水源点输水管进口高程952.6 m，大申号水库库尾出口高程为964.2 m，高差仅为11.6 m。需要两级泵站加压再经过重力输水，是不经济的。

在初步设计布置的输水线路基础上，因土洞比较容易施工，应尽量采用穿越隧洞的方法，降低泵站扬程。

3.3 输水管线工程

1)本工程缺水量为357.5万 m3，由引葫济富调水工程提供，按一年供水300 d计算，则每天的日净引水量为1.19万 m3/d，考虑3%的输水流量损失后，设计毛引水量为1.23万 m3/d，则引用流量为0.142 m/s，输水管直径可取为DN350。

2)输水线路可比较选择进、出口尽量直线连接的线路，尽可能在水源取水处布置一级泵站。

3)将输水管出口放在大申号川流域边缘的河流内，尽量缩短输水线路。

4 结语

延安市富县引葫济富调水工程，将葫芦河的水引至大申号水库，通过充分调蓄利用葫芦河的引水量和大申号川的天然径流量，合理调配区域水资源，可有效改善区域供水环境条件，使县城周边区域有限的水资源得到更加合理有效的开发利用。工程设计方案基本可行，但是引用流量为0.174 m/s，经过葫芦河真庄低坝取水，两级加压泵站，37 km输水管线，在工程上并非最优方案，也不经济，应进行设计优化，降低工程投资。