尚义县大青沟水厂集中供水工程分区供水方案分析

沈丽妍

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250）

1 工程背景［1］

尚义县位于河北省西北部，内蒙古高原南面，东与张北县接壤，南以长城为界，与山西天镇、河北怀安、万全各县相邻，西部、北部与内蒙古商都、兴和县交界。受水文地质条件限制，项目区现状供水以单村和分散式供水为主， 地下水源大多是高氟水、 苦咸水。 受水源条件限制，部分工程设施老化、群众生活需求标准提升等因素影响， 农村饮水安全呈现动态性、阶段性、难巩固、易反复的特点。实施大青沟水厂集中供水工程， 是整合项目区从分散到集中供水安全的巩固与提升，也是落实省委、省政府打赢脱贫攻坚战的重要保障措施。 新建大青沟集中供水工程对水质进行净化处理，再由水厂向各个村庄供水，能够改善村镇饮水水质保证供水安全。

2 工程范围与规模

尚义县大青沟水厂集中供水工程共涉及大苏计乡、大营盘乡、大青沟镇及三工地镇4个乡镇，141个村，46280人。

设计基准年：2016年； 远期设计水平年2031年。根据SL310—2019《村镇供水工程技术规范》［2］规定，工程供水规模应根据最高日居民生活用水量、 公共建筑用水量、饲养畜禽用水量、企业用水量、浇洒道路和绿地用水量、消防用水量、管网漏失水量和未预见用水量等总和确定。结合当地实际用水情况，项目区最高日居民生活用水定额为： 一般村庄卫生设施较少取50L/p·d；大苏计、大营盘及大青沟楼房处卫生设施较齐全取80L/p·d，最终确定大青沟水厂最高日用水量3922.36m3/d，水厂规模设计4000m3/d。

3 工程管材确定

为确保供水安全，目前管道设计一般采用球墨铸铁管（DIP）、焊接钢管（SP）、钢塑复合管、聚乙烯管（PE）、加筋聚乙烯PE管和抗冲抗压双轴取向聚氯乙烯管（PVC-O）［3］。 通过对上述几种管材优缺点的比选，并结合大青沟水厂工程区位于山区的特点， 综合考虑确定重力自流配水管道采用PVC-O管材， 泵站加压配水管道采用加筋聚乙烯PE管。PVC-O管材采用承插连接，加筋聚乙烯PE管采用热熔连接， 普通地段管材压力等级采用1.0MPa，穿越位置压力等级采用1.25MPa。

4 工程供水方案

4.1 供水分区方案确定

给水工程设计目的是为了选择以最低基建投资和最少年经营费来满足用户用水要求的方案。 确定何种工程方案最优， 应根据各方案的基建投资和年经营费用进行经济评价。

本工程供水范围地形多为山区， 大青沟水厂厂区设计地坪为1374.5m，供水村庄最低高程1281m，最高地面高程1383m，地形高差较大。 为有效利用地形高差产生的自由水头， 节约水厂运行成本， 降低能耗，本工程采用分区供水：即重力自流与泵站加压［4］相结合的供水方式。初步确定供水方案：为保证最不利村庄村口自由水头不低于16m，拟定以地面高程为界位于1340m及以下的村庄采用重力自流供水方式，地面高程高于1340m的村庄采用泵站加压供水方式。

采用重力自流供水方式的村庄大致分布在大青沟镇的西北方向，地势较低。其中沿主线方向的小五村、 张科村和师家卜村的地面高程分别为1346.7，1351.1，1344.0m，均大于1340m，但这些村距离大青沟水厂较近，总水头损失较小，经计算入村自由水头均满足大于16m的要求，因此将小五村、张科村和师家卜村都划分至重力自流配水系统中； 位于整个管网末端的大苏计乡（1330m）虽地势不高，但距离大青沟水厂较远，经水力计算，若要满足大苏计乡入村自由水头大于16m，则需要扩大整个配水管网的管径，管网流速［5］较低且工程投资较高，因此将大苏计乡划分至泵站加压配水系统中。 除小五村、 张科村、师家卜村和大苏计外，其余地面高程小于1340m的供水村均列入重力自流配水系统中， 重力自流配水系统的供水范围为60个自然村， 常住人口15861人，供水规模1246.49m3/d。

采用加压供水方式的村庄分布在大青沟镇的东南方向，地势较高。 地面高程大于等于1340m的列入泵站加压系统， 供水范围为62个自然村， 常住人口29001人。 另外公家洼、囫囵房等9村、2271人均含在大青沟楼房3892人内；位于管网下端的黑圪垯村、王油坊村、王油坊新村、西水泉、有德元、陈家村、任家村、谢家村、大白彦堡、小白彦堡村10个村庄3039人采用单村供水，暂不实施水源转换，仅在附近预留接口1处，远期由大青沟水厂管网延伸统一供水。加压区域供水涉及村庄共计72村，供水规模为2675.87m3/d。

4.2 水厂时变化系数确定

时变化系数确定应根据各村镇的供水规模、供水方式，生活用水和企业用水的条件、方式和比例，结合当地相似供水工程的最高日供水情况综合分析确定。 工程设计按照24h运行，根据加压区和自流区计算用水量，加压区除1处预留高位水池接口时变化系数Kh=1.0外， 其他村庄Kh=2.0；自流区村庄时变化系数取Kh=2.15。

4.3 配水管网规模及水力计算

根据SL310—2019《村镇供水工程技术规范》，配水管网规模采用最高日最高时流量进行设计， 通过每个片区的设计用水量及对应的时变化系数分别确定节点流量。

大青沟水厂配水管网整体设计为枝状管网，采用海曾威廉公式［6］，按照最不利点校核进行平差计算，计算温度为13℃，局部损失系数取1.1，计算得最大管径为De315，最小管径为De75。 在正常运行情况下，所有村节点的自由水头均不小于16m， 自由水头大于40m的村庄，需要在进村前或配水管网中途设置减压阀。

（1）管道总水头损失。

式中 H为管道总水头损失；hi为管道沿程水头损失；hj为管道局部水头损失。

（2）管道沿程水头损失。

表1 全日供水工程的时变化系数

式中 q为设计流量（m3/s）；l为管段长度（m）；Ch为海曾-威廉系数，加筋聚乙烯PE管取146.5，PVC-O管取145；d为管道计算内径（m）。

（3）管道局部水头损失。

式中 Hj为管道局部水头；ξ为局部水头损失系数；v为平均流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）。

设计局部水头损失取沿程水头损失的10%计算。

4.4 事故连通管设计

大青沟水厂配水管网分为重力自流区和泵站加压区，正常供水时两个系统相对独立供水。 为保证供水安全，在重力自流配水系统和泵站加压配水系统之间设置3处连通管道， 当重力自流管线某段主线损坏时，将附近的连通管打开，可实现部分管段由加压系统向重力自流系统供水，避免整个重力自流系统断水。

5 结语

供水工程方案选择中， 在保证给水管道输水畅通、运行可靠的前提下，经济合理的方案尤为重要。从节约能源、 减少永久占地及基建投资和年运行费用之和最小等角度考虑， 若重力自流供水方案能满足工程设计，则优先选择重力自流方案，否则采取泵站加压或自流与泵站加压联合供水方案。 工程实施运行2年来，供水效果满足设计要求。