城乡供水一体化工程长距离引水管线布置探讨

杜坤

（新源县水利局，新疆 新源 835800）

0 引言

城乡供水工程主要由引水、排水和水循环三个系统组成，其中引水系统主要是向城乡供水对象提供水源，引水管线布置必须综合考虑施工成本、工程规划、运营及检修成本。城乡供水一体化工程长距离引水管线布置过程中尽量减少既有建筑物拆迁，避免大量占用永久性农田，最好沿现有或规划道路敷设，简化施工过程及运行管理难度，避开不良地层，避免穿越既有公路、铁路及河沟。

1 工程概况

新源县中西部乡镇城乡供水一体化工程主要为新源县中西部乡镇供水，即为新源镇等7 个乡镇和72 团的农村生活用水、牲畜用水、城市生活用水、工业用水等，供水人口170 046人，其中农村人口93 652人，城市人口76 394人。供水工程以BSKL水库为供水水源，从BSKL水库预留引水口引水，后经过长度为6 km 的新建DN1000 涂塑钢管输水管道沿恰甫河河道左岸自压输水至新源县中心水厂。新建水厂至县城区主干管道，接入县城区内配水主管后向配水管网补水，管道设计长度2.75 km，其中Y0+000～Y1+587 段采用DN900 涂塑钢管，设计输水流量1.13 m3/s，Y1+587～Y2+752 段则采用DN800 涂塑钢管，设计输水流量0.86 m3/s。该供水工程供水规模预测结果详见表1，供水工程以2035 年为远期设计水平年，总设计年供水量为4 090.91×104m3，设计供水保证率为95%。

表1 供水规模预测表

2 引水管线布置的优化

对于城乡供水工程而言，引水管线布置投资在工程总投资成本中占比超60%，如果引水管道管径过大，虽能减少水头损失，但会增大供水工程造价；如果引水管道管径过小，则会增大水头损失克服难度和泵站运行费用。为此，必须在管径和工程造价之间寻求平衡。供水工程引水方式包括重力流引水和加压流引水两种，分情况展开论述。

2.1 重力流段引水管径

所谓重力流引水即在没有压力的情况下，借助引水管自身倾斜坡度重力自流，此方式不产生动力费用，且维护检修工程量小，也是最常见的引水方式。重力流引水效率主要取决于管段倾斜坡度和管径，其中管段倾斜坡度主要与工程所在地区地形地势条件有关，而设计过程中所需进行的就是基于重力流段供水管线布置要求，合理确定管径。结合我国西部地区类似供水工程项目糙率取值经验，将新源县中西部乡镇城乡供水工程预应力钢筒混凝土管和钢管糙率分别控制在0.01以内，并充分考虑长距离供水管道局部水头损失。故此处采用曼宁公式，进行该供水工程长距离引水管线水头损失计算：

式（1）中：h—供水工程长距离管线水头损失，m；v—供水管线水流流速，m/s；l—长距离供水管线设计长度，m；C—谢才系数；R—水力半径，m。

采用上式计算出该城乡供水工程长距离管线水头损失后，考虑到工程实际供水管线存在较多的转折点，且闸阀规格不统一，为满足供水一体化工程运行要求，按照整体水头损失的15%确定局部水头损失，故总水头损失hf表示如下：

供水工程长距离引水管线中水流流速计算如下：

式（3）中：Q—引水管线设计流量，m3/s；D—引水管线管径，mm。

该城乡供水工程长距离引水管道采用预应力钢混材料管，部分地质条件差的区域改用钢管。考虑当前引水管线管材供应情况，针对较为常见的PCPP管展开管径设计。根据《水电水利工程压力钢管制作安装及验收规范》，压力输水管道流速应达到0.50 m/s的要求，重力引水管道长度根据加压泵站具体位置确定。结合该工程引水规模，拟定三种管径组合方式，采取以上公式进行水力计算，结果见表2。根据表中结果，三种管径组合形式下单管最大流速、流量取值均较为接近，但水头损失差异大；三种管径形式水头损失均能满足规范要求，但第一组管径组合在实际水力下水头损失比进出口水位差小，最符合重力引水的工程要求，故最终采用第一组DN2500/DN2500 的管径组合。

表2 水力计算结果比较表

2.2 加压流段管径选型

城乡供水工程长距离引水管线加压流段应采取经济流速法进行管径选型，保证供水目的的基础上，缩小管线布置成本。在经济流速法下结合管线选材、引水方式进行经济流速范围确定，并结合水力计算结果确定经济管径，根据标准管径进行结果修正。公式如下：

式（4）中：d—城乡供水工程引水管线管径，mm；Q—引水管线设计流量，m3/s；其余参数含义同前。

结合式（4），在水力条件及经济流速参数确定的基础上，明确引水管线管径范围。不同管材施工时间、采购成本、施工工艺不尽相同，故应用净现值法计算经济管径参数并比较不同管径方案，确定不同方案下工程建设费用和年运行成本。对于具体工程，在管径选型理论计算的基础上还应将管线任一节点工作压力控制在管线材料标准公称压力范围内，使管线经济流量不超出管线不淤流速与最大流速允许值的范围；管线布置完成后，必须确保水泵始终高效运行。

2.3 附属设置布置

在布置该城乡供水工程长距离引水管线的过程中，结合地质勘探结果，采用文中所推荐的DN2500/DN2500 管径组合形式；在布置线路时，必须在满足用地规划的基础上保证管道顺直铺设。该引水管线附属设置主要有排气设施和检修阀。

排气设施必须设置在管线最高位置和平直段等部位，并手动连接阀门和排气阀下端。为优化排气设施结构，应在排气三通处设置配气设施，同时将手动阀门引入法兰盖板，安装排气阀。优化后的排气设施结构详见图1。优化后的排气设施安装后既作为进口管道通道，又可在管线维护期间用作检修孔，便于临时排水及对引水管线的检修维护。

图1 引水管线排气设施优化图

考虑到引水管线检修时隔断及排水方面的要求，应在该供水工程长距离引水管线起始端和终端分别安装1个检修阀门，其余段按照5 000 m 的间隔设置检修阀门。如果引水管线存在管桥结构，应充分利用该结构，并以其代替检修阀门，优化检修阀门位置及数量，节省工程造价。

3 优化前后的比较

结合工程实际，进行该城乡供水工程长距离引水管线优化前后情况的比较分析。在充分考虑新源县中西部乡镇城乡供水一体化工程用水安全的基础上，通过压力管道和加压泵站引水。在优化前后的管线布置形式中随机选择不同节点，依次编号，并记录相应高程，计算优化前后水头值。结果见表3。结合优化后的高程及水头值，管线布置方案优化后完全满足标准管径要求，且模拟结果与管网压力节点对应的水压值吻合程度高，可实现长距离引水管线最优布置。

表3 引水管线布置形式优化后节点高程及水头表

4 结论

综上所述，新源县中西部乡镇城乡供水一体化工程引水管线优化布置后水头损失明显减小，引供水效率明显提升，加压流管段管径设置更加合理，辅助设施的设置也为工程顺利供水提供了保证。