临高县供水需求预测及输水管道设计研究

丰 威

(广东省水利水电建设有限公司，广州 510000)

1 概 述

如今，城市供水系统的规模和覆盖面不断在扩大和深入，但在城市周边的县区和农村普遍面临市政建设起步晚、缺少完整的集中式供水设施、用水困难等问题。针对用水缺、供水难的问题，非常有必要进行前瞻性的区域供水规划和落到实处的供水工程建设，以保障临城镇居民的用水需求。大量学者针对临城镇地区的供水工程设计方法与技术[1-3]、供水需求预测和管理[4-6]、供水工程施工组织和质量管控[7]以及供水安全风险评估[8]等展开了相关研究工作。

临高县位于海南岛西北部，随着该县建设步伐加快、需水量的不断增加以及水质要求的提高，临高县正着力建设县城主城区、马袅湾海滨国际旅游区等经济发展功能重点区域。但这些区域均未有集中供水设施，现有临城水厂取水口位于县城附近的多莲村，取水点被居民生活区包围，受上游环境污染影响，水质日益恶化。因此，必须尽快实施水厂取水水源点的迁移、水厂水量的扩容以及配水管网的完善等供水设施的建设，解决当地居民的用水需求、饮水安全。

本文以临高县供水工程为研究背景，在深入分析城市供水现状和存在问题的基础上， 以临高县总规划确定的人口规模、工业产值等数据为依据，采用分类指标预测法对当地的需水量进行预测和论证，并根据该地区供需水工程规模，对输水工程的水量规模及管道设计进行研究分析，以期为临城镇地区供水需求预测和工程管道布设提供参考。

2 工程概况

临高县位于海南岛西北部，东邻澄迈县，西南与儋州市接壤，北濒琼州海峡。本工程为临高县新建供水工程，供水范围包括临高县临城镇、博厚镇、临高角风景区、 临高县金牌港经济开发区、马袅湾滨海国际旅游区，项目主要建设内容和规模分为4部分：

1) 取水工程：本工程供水水源选在尧龙水库，取水口位于尧龙水库溢洪道东北侧，距溢洪道约260 m，距水库大坝左岸约75 m处。取水口出水口下缘距河床底部0.5 m。工程近期2020年取水规模10.4×104m3/d，年取水量为3 778×104m3；远期2030年取水规模17.8×104m3/d，年取水量为6 497×104m3。 取水方式采用河床式自流管取水，取水头部为箱形钢筋混凝土结构。

2) 输水工程：尧龙水库至滨海水厂原水输水管线，按远期(2030年)15.5×104m3/d双管平行敷设，管线全长 52.3 km；至临城水厂原水输水管线，按远期(2030 年)5.0×104m3/d双管平行敷设，管长3.53 km。

3) 净水厂工程：临城水厂扩建供水规模为1.0×104m3/d；滨海水厂建设规模近期(2020年)为5.0×104m3/d，远期(2030年)为10.0×104m3/d。

4) 清水配水工程：滨海水厂配水主干管线长 29.34 km，采用管径分别为DN800球墨铸铁管/DN350PE管和DN400PE管。

3 供水现状及存在问题

3.1 供水现状

临城镇现有临城水厂一座，原水水源为文澜江。 临城水厂分一二期建设，总供水规模为3×104m3/d。水厂一二期工程均采用网格絮凝池+斜管沉淀池+双阀滤池+送水泵房的水处理工艺。现状管径为 DN100～DN800，其中DN200以上管网总长约30 km。

波莲镇、东英镇、博厚镇、调楼镇和新盈镇目前仅有小型供水设施，临高角风景区目前没有集中供水设施，村民主要靠自打机井，抽取浅层地下水或者地表水直接饮水。金牌港经济开发区规划区、马袅湾滨海国际旅游区规划区处于初期开发建设阶段，区内无净水厂及其他较为完善的集中供水设施和供水管线，现状饮用水主要为抽取浅层地下水。

3.2 供水问题

1) 随着临城镇城市规划的市域面积扩大，经济大发展，人口增加，现水厂供水量已不能满足临城镇需求。周边城镇因为市政建设起步晚、资金短缺，目前镇内无完整的集中式供水设施，用水困难。

2) 临城水厂取水口位于县城附近的多莲村，取水点被居民生活区包围，现有取水口处水质受上游环境污染影响，水质日益恶化。对多莲村取水口 2013、2014年不同月份水质的检测结果见表1。

表1 多莲取水口观测点观测值 /mg·L-1

根据表1可知，2013、2014年不同月份观测值中，多莲取水口点总氮(1.41～2.49 mg/L)、铅(0.23～2.39 mg/L)均超过了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水的标准限值1.0 mg/L和0.05 mg/L；铁(0.47～0.48 mg/L)超过了集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值0.3 mg/L；2013年粪大肠菌群(18 000～54 000个/L)超过了标准限值10 000个/L，已降为地表水Ⅳ指标值，不宜继续作为饮用水水源。本次设计拟将临城水厂取水点迁移至尧龙水库。

3) 周边城镇由于镇内无完整的供水设施，村民多靠自打机井，抽取浅层地下水或地表水，水质不能得到保障。浅层地下水水量小，受季节影响大，每年干旱季节不仅井水量很小，甚至干枯。

4) 处于初期开发建设阶段的工业区、开发区、创业园区等无完善的集中式供水设施，势必制约着开发建设的发展。

4 供水需求预测及输水规模

本次预测主要以相应规划成果为依据。需水量参照《城市给水工程规划规范》(GB5 0282-2016)，以 2020年为近期规划水平年，2030 年为远期规划水平年，按分类指标法进行预测。

4.1 需水量预测

本项目供水范围为临城镇区、临城镇周边农村和各乡镇及农村、临高角风景区、金牌港经济开发区和马袅湾滨海国际旅游区5个部分。现以临城镇区为例进行需水量预测。

临城镇区需水量涉及综合生活用水量、工业企业用水量、浇洒道路及绿地用水、未预见用水量及管网漏失水量和消防用水量5个方面。其中：

1) 综合生活用水量。用水量指标采用《室外给水设计规范》(GB 50013-2006)最高日用水指标采用 220～370 L/人·d，根据临高县城经济欠发达和居民收入较低的状况，其综合生活用水量预测见表2。

表2 临城镇区综合生活用水量预测表

2) 工业企业用水量。根据《临高县临城镇总体规划修编》(2005-2020)提供的统计数据，2005年临高县工业产值约为47 290万元，年均增长7.0%。以工业产值7.0%的速度增长，则2020和2030年工业产值分别为130 474.6、256 663.3万元。见表3。

表3 临城镇区工业用水量预测表

3) 浇洒道路及绿地用水。2005年和近期(2020年)临高县城建设用地分别为1 866.57和2 754.98 hm2，其中道路用地分别为59.82和110.65 hm2，公共绿地分别为78和184 hm2。由此可推算，远期2030年规划建设用地4 075.70 hm2，道路用地137.55 hm2，公共绿地面积247.28 hm2。浇洒绿化浇水用水量可按浇洒面积以1.0～3.0 L/(m2·d)计算。见表4。

表4 临城镇区浇洒道路及绿地用水量预测表

4) 未预见用水量及管网漏失水量。按照《室外给水设计规范》(GB 50013-2006)，城镇的管网漏损水量可按综合生活用水量、工业企业用水量、浇洒道路及绿地用水量之和的10%～12%计算；未预见用水量可按综合生活用水量、工业企业用水量、浇洒道路及绿地用水量、管网漏失水量之和的8%～12%计算，本项目分别取10%及8%。

5) 消防用水量。供水主干管的供水能力完全能满足消防用水量的要求。

综上，临高县临城镇区用水量预测见表5。

表5 临城镇区用水量预测表

综合以上规划成果和相应评价指标预测，临高县总水量预测汇总见表6。

表6 临高县总水量预测表

4.2 输水规模确定

经上述水量预测，本次项目近期2020年供水规模约为9×104m3/d，远期2030年供水规模约为15×104m3/d。取水水源拟选自尧龙水库，考虑10%的管网漏损率和5%的厂区自用水，本项目远期原水取水量为17.25×104m3/d。为保障临高县加来农场饮水安全工程项目取水量的稳定性，本次项目取水量包含加来农场饮水安全工程项目中的原水取水量5 500 m3/d，远期总取水量为17.80×104m3/d。

临城水厂主要负责临城镇及临城镇周边农村的供水服务，2020年临城镇及临城镇周边农村的需水量为37 860.32 m3/d；2030年需水量为49 967.85 m3/d。滨海水厂主要负责博厚镇及其镇周边农村、临高角风景区、金牌港经济开发区、马袅湾滨海国际旅游区的供水服务。2020年各用水区域需水总量为50 073.51 m3/d；2030年需水总量为95 236.50 m3/d。

5 输水管道设计

根据工程输水规模，结合输水管线沿途地形标高和管线的水力坡降，本次原水输送系统拟采用重力流方式。取水点至临城水厂和滨海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。尧龙水库至滨海水厂原水输水管线，按远期(2030年)15.5×104m3/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)5.0×104m3/d敷设，管长3.53 km。

5.1 原水输水管线方案

根据技术条件，本工程原水输水管线方案为：尧龙水库-加来-分水点-两路管道向滨海、临城水厂。其中：① 尧龙水库-加来：2×DN1400重力输水，流量7 427 m3/h，L=18 322 m；②加来-分水点：2×DN1200重力输水，流量7 187.5 m3/h，L=19 300 m；③分水点-临城水厂：2×DN700重力输水，流量2 396 m3/h，L=3 556 m；④分水点-滨海水厂：2×DN1000重力输水，流量4 792 m3/h，L=14 487 m。

5.2 输水管道管材选择

输水干管的管材常选择钢管(SP)、球墨铸铁管(DIP)、预应力钢筒砼压力管(PCCP)以及玻璃纤维增强塑料夹砂管(RPMP)，管材比较见表7。

表7 输水干管管材比较表

综合以上比较，为保证供水安全，管材质量要求高。同时通过管径核算，输水管道管径为DN 700～DN 1 400 mm，属于球墨铸铁管的经济口径范畴。因此，配水管道主要管材选择采用球墨铸铁管，在穿越障碍物的特殊地段、架空以及有垂直下翻顶管方式时采用焊接钢管，并加强防腐。

5.3 综合水锤防护系统

水锤是造成输水系统破坏的主要原因。为解决停泵水锤、关阀水锤以及进排气不畅对管道可能造成的破坏，在设计中分别采用在各泵站水泵出口处设置蓄能液压缓闭蝶阀、在出水管线上设置压力波预止阀、在输水管线设置空气阀3种措施。

本工程地形复杂，特别是输水前段地形起伏较大。为保证输水管道安全并增加供水安全性，参考同类供水工程，本工程在末端各水厂采用调流调压阀+稳压池配水方式，并结合先进的水锤防护措施，这样一方面保证了输水管道的压力和输水安全，同时可减轻主干管由于受各用水区用水的波动而产生高压水锤。

5.4 管线稳态水力分析

项目输水为重力输水，从尧龙水库取水，向加来、临城水厂供水，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，即在滨海水厂进厂设置2×DN 1 000的活塞式调流阀；在临城水厂进厂设置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，共设置3种工况，计算结果如下：

1)H=103.8 m ，C=125+15%局损+额定流量工况(常水位，额定流量)，见图1-图2。

图1 滨海管线稳态水力坡度线

图2 临城管线稳态水力坡度线

2)H=106 m，C=130+10%局损+最小流量工况(高水位，小流量)，见图3-图4。

图3 滨海管线稳态水力坡度线

图4 临城管线稳态水力坡度线

3)H=90.2 m ，C=120+20%局损+额定流量工况(低水位，大流量)，见图5-图6。

图5 滨海管线稳态水力坡度线

图6 临城管线稳态水力坡度线

尧龙水库至滨海水厂：该输水管线远期总输水量为17.80×104m3/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1.030 m3/s，流速0.60～1.65 m/s。管线设计总水头损失约为46 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1.435 m3/s，流速0.78～2.30 m/s。管线总水头损失约为52.2 m。

尧龙水库至临城水厂：该输水管线远期总输水量为5.75×104m3/d，两条管线同时运行工况下，单条输水管线输水量为0.33 m3/s，流速1.12～1.60 m/s。管线总水头损失约为13.0 m。不利工况下，当输水管线任一段发生故障时，另一段仍能满足设计水量的70%输水，输水管线事故流量为0.466 m3/s，流速1.57～2.20 m/s。管线总水头损失约为22.6 m。

由以上稳态计算结果可以看出，滨海水厂设置2×DN 1 000、临城水厂设置2×DN700的活塞式调流阀是合适的。

6 结 论

本文以临高县供水工程为研究背景，采用分类指标预测法对当地的需水量进行预测和论证。本次项目近期2020年供水规模约为9×104m3/d，远期2030年供水规模约为15×104m3/d。

工程输水管线为：尧龙水库-加来-分水点-两路管道向滨海、临城水厂。输水方案设计为尧龙水库至滨海水厂原水输水管线，按远期(2030年)15.5×104m3/d 双管平行敷设，管径 DN500～D700球墨铸铁管，管线全长52.3 km；至临城水厂原水输水管线，按远期(2030年)5.0×104m3/d 双管平行敷设，管径 DN500～DN600球墨铸铁管，管长3.53 km。在末端，各水厂采用调流调压阀+稳压池配水方式，并结合先进的水锤防护措施。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。

本文针对输水工程的综合水锤防护系统、水质预警监测系统研究较浅，后续应该进行专项设计论证，以检验方案的合理性。