佳县县城供水改扩建工程水源地保护方案探析

张小卫

(佳县水利局河道治理服务中心，陕西 榆林 719299)

1 工程概况

佳县地处黄河中游西岸[1]，根据佳县“十四五”农村供水规划统计，佳县年均自产地表水资源总量为10 856 万m3/a,自产地表水可利用量为 5428 万 m3/a；地下水资源24 800万m3/a，地下水允许开采总量平水期为10 676万 m3/a，枯水期为8464万m3/a。佳县属大陆性干旱半干旱气候，降雨稀少，气候干燥[2]，年平均降水量386.6 mm。全县辖12镇1个街道办事处26.95万人，其中县城人口3万人。县城供水源地位于佳县县城以东的黄河右岸，下距佳临黄河公路大桥约400 m，为3口机井，供水规模为800 m3/d。

佳县县城供水工程主要受黄河洪水影响较大，加之净化、消毒设施落后，使得饮水安全存在巨大隐患。为了确保1-3#井免受黄河洪水淹没及冲刷，防止管理房及护坡遭受洪水冲刷基础，需建设防洪工程250.33 m，并配套3#井至高位水池581.84 m输水管线一条，增加水量；加强水处理工艺，确保供水安全。

2 防洪措施

2.1 洪水分析

府谷水文站控制流域面积404 039 km2，吴堡水文站控制流域面积433 514 km2，黄河府谷-吴堡区间干流长242 km，区间面积29 475 km2，工程区下游黄河右岸支流佳芦河总流域面积1134 km2，工程区以上集水总面积为428 464 km2，占吴堡站控制流域面积的99%，为了节约时间和工程建设成本，故本次直接采用前人吴堡站相应频率的洪水计算成果作为工程区河段的设计洪水。吴堡水文站历次计算成果见表1。

表1 吴堡水文站洪峰流量频率计算成果比较

从表1中可以看出，历次洪水计算成果比较接近。洪评阶段洪水计算资料系列最长，采用了从建站到2007年共73 a洪水资料，同时考虑了历史洪水，以及实测系列中的特大洪水。因此吴堡水文站的洪水复核成果是可信的。

鉴于黄河洪水计算涉及生产生活的许多方面，得到了国务院审查，本次采用《黄河治理开发规划纲要》中的洪水成果作为设计依据。

2.2 防洪工程设计

根据水源地近30 a洪水水位调查，最高洪水位682～683 m，2#井顶高程680.57 m，10 a一遇洪水位713.08 m，对应本工程高程系统，高程为682.58 m，由于本工程受淹后损失较小，因此本防洪工程主要任务为防冲，按此原则确定堤顶高程为682.5 m，堤顶宽考虑内交通、防汛要求取1.5 m。新建防洪工程250.33 m。

(1)冲刷深度计算。工程地处黄河右岸，依据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[3]附录D中的公式D.2.2-1和D.2.2-2进行冲刷深度计算。顺坝及平顺护岸冲刷深度按下式(1)～式(2)计算：

(1)

(2)

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深取4.0 m；Ucp为近岸垂线平均流速，取1.8 m/s；U允为允许的流速，取5.1 m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，取1/4～1/6，本次取值1/4；U为行进流速，取1.8 m/s；η为水流流速不均系系数，根据水流流向与岸坡交角查询，取1。

经以上计算，设计工程水流冲刷深度为1.19 m。

为保证本次设计新修的挡墙基础不受河流冲刷影响，且保证地基基础满足承载力的要求，基础坐落在河流冲刷深度以下，本次设计基础埋置深度为2 m，基础采用格宾笼石处理。

(2)堤防稳定计算。按照《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)要求，结合本工程的实际情况，本次设计墙体稳定计算主要验算：抗滑稳定和抗倾覆稳定两项项内容。

挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数计算公式(3)如下：

(3)

式中：KC为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；f为挡土墙基底面与地基面之间的摩擦系数，取0.5；∑G作用在挡土墙上全部垂直于基底面的荷载，kN；∑H为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载，kN。

挡墙底高程678.5 m，墙高4.0 m，墙顶宽1.5 m，墙底宽7.5 m，单米挡墙面积18 m2,格宾笼石挡墙容重按2 t/m3，则单米挡墙重量36 t；挡墙基底所承受的扬压力15 t；则抗滑力10.50 t；挡墙承受的水平水压力8 t；挡墙抗滑安全系数1.31。

经以上计算可见，新修挡墙结构断面尺寸合理，能够满足稳定要求。

3 输水管线布设

在确保供水系统布局合理的前提下，线路力求最短，施工、运行维护方便，本次设计3#水源井上水管线与1#、2#水源井上水管线走向一致。根据实际情况，三号水源井配套潜水泵流量为140 m3/h，本次设计配套3号井上水管DN250钢管总计581.84 m。管径选用DN250，总损失3.53 m，管道流速0.79 m/s。3号井水泵扬程216 m，设计流量140 m3/h，压力较高，流量较小，管材选用钢管较为合理。选用不同壁厚钢管，管壁应力见表2。

表2 不同壁厚钢管应力计算表

由上表可以看出，钢管壁厚为4～6 mm时，管壁应力1013～675 kg/cm2，都在钢材的允许应力范围之内，考虑管道运行期锈蚀厚度后，设计选用钢管壁厚为8 mm。

结合工程经验，为防止管道水锤，增设DN50压力波动预止阀一个，放在1#泄水阀井内，设在三通DN250×50的支管DN50上，另设防水锤型DN50空气阀3个，设在1#～3#排气阀井内，设在三通DN250×50的支管DN50上。压力波动预止阀采用卧式安装，排气阀采用立式安装。间距不宜超过100 m，故在桩号0+378.03,0+452.08处设两个C20镇墩，镇墩大小1.0 m×1.0 m×1.0 m，两镇墩之间的管道应设伸缩节，故在镇墩上游端设置三处DN250-2.5 MPa伸缩节。

4 水质安全保障措施

因为水源受黄河水质影响较大，所以需加强水处理工艺，常用的消毒方法有氯消毒、ClO2消毒、紫外线消毒等。

4.1 水处理工艺选择

根据净水普遍采用消毒方法和发展趋势，本次选择二氧化氯消毒。采用一体式二氧化氯发生器，加氯用以杀菌并使管网中保持一定数量的余氯。投加消毒剂点设在清水池进水管口处，为确保供水水质，消毒剂与水接触时间不得低于 30 min，出厂水自由性余氯控制在 0.5 mg/L，在管网末梢控制在 0.05～0.10 mg/L。本工程采用 QT 型一体式二氧化氯消毒设备。QT 系型化学法二氧化氯发生器以盐酸和氯酸钠为原料，采用负压曝气工艺，生产以二氧化氯为主，氯气为辅的复合消毒液。二氧化氯发生器由供料系统、反应系统、控制系统、吸收系统、安全系统组成，整体为新型耐高温、耐腐蚀高强度材质。运行时，亚氯酸钠及氯酸钠水溶液与盐酸通过计量泵定量输送到反应系统中，负压曝气反应产生二氧化氯气体，经吸收系统吸收后，形成一定浓度的二氧化氯消毒液，然后通过水射器进入待处理水中。水处理工艺过程如图1所示。

图1 水处理工艺过程

加氯量按下式(4)计算：

q=0.001×α×Q1

(4)

式中：q为加氯量，kg/h；α为最大投氯量，滤后加氯为 0.5～1.0 mg/L，取1.0 mg/L；Q1为处理水量，取69.5 m3/h(每天工作 24 h)。

经计算，q=0.0695 kg/h。根据以上计算，每加药一次按 10 d计算， 供水工程一次加药量为 0.695 kg。本工程配套采用 QT-1000 型号二氧化氯发生器 2 套(一用一备)。

4.2 水质监测设备

本工程化验设备按《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求的106 项水质指标进行配置。水质监测设备能够对水厂进、出水的指标如：pH值、COD、SS、COD、溶解氧、浊度、余氯等主要指标进行检测。根据供水工程实际，本工程配备 2000 m3/d 供制水过程 KNF-400 型在线水质检测、监测仪和 CL8322 型余氯分析监测仪各 1 套。

4.3 水源保护

根据县城水源实际,取水点周围半径 100 m以内的水域内，严禁洗涤、游泳等可能污染水源的任何活动；将取水点上游 1000 m以外的一定范围河段划为水源保护区，严格控制上游污染物排放量。排放污水时应符合 TJ 36 和GB 3838 的有关规定，保证取水点的水质符合饮用水水源水质要求；取水点上游 1000 m ～下游 100 m 的水域，不应有工业废水和生活污水排入；其沿岸防护范围内，不应堆放废渣、垃圾，不应畜圈、粪便和有毒物品的码头，不得使用工业废水或生活污水灌溉及施用持久性或剧毒的农药，不得从事放牧等有可能污染该段水域水质的活动。取水口与净水构筑物，应及时清除漂浮杂物；取水、净水与调节构筑物应定期清淤、清洗。

5 结 语

通过分析探讨可知，佳县县城供水源地地处黄河右岸，主要受黄河洪水威胁，造成水源工程和水质无保障。经过地质勘察，从建设防洪工程、管道增设、水质处理三方面对供水工程防洪、水量、水质进行安全保障，为确保佳县县城供水安全提供了保障。