南阳市桐柏县安棚镇饮水解困工程设计

2011-12-08陈梅枝

黄河水利职业技术学院学报 2011年2期

刘伟，韩罡，陈梅枝

(河南省桐柏县水利局，河南桐柏 474750）

0 引言

为贯彻落实党的“统筹城乡发展，促进社会主义新农村建设”的总体要求，保障农村饮水安全，中共桐柏县委、桐柏县人民政府决定利用国债资金建设集中供水工程，以改善农村饮水困难状况。安棚镇位于桐柏县城西北35 km，唐河县、桐柏县、泌县3 县结合部，地形自东向西，由低山、丘陵过渡为平地，自然面积95.3 km2，耕地面积0.35 万hm2。全镇有16 个行政村、175 个村民小组，人口3.1 万，主要劳动力23 640 人，其中14 个行政村属于苦咸水区。 2010 年建造的一座大型水厂，主要解决尹庄村、泰山庙、胡岗村、岭东村4 个村6 764 人、大牲畜1 358 头、小牲畜3 640 头及区域内学校师生员工的饮用水安全问题。集中供水工程采用机井为供水水源，配套安装潜水电泵、变频控制设备、增压稳压设备、消毒设备、水质检测系统设备，利用输水管网，实现自来水入户。

1 用水量与供水规模

1.1 设计人口、牲畜数量

人口、牲畜有一定的自然增长率，用水量也会逐年增加。为了正确地反映客观规律，人口、牲畜按15 年后规划数计算，人口自然增长率为7‰，牲畜自然增长率为12‰。依此计算供水量和管网流量，则：设计人口P1=9 764×（1+0.007）15=10 841 人；设计大牲畜数P2=1 358×（1+0.012）15=1 624 头；设计小牲畜数P3=3 640×（1+0.012）15=4 353 头。

1.2 给水量计算

（1）居民生活用水量。最高日居民生活用水定额按照《村镇供水工程技术规范》选取，q1=50L/（人·d）。据此，居民生活日用水量Q1=10841×50=542.05×103L。

（2）饲养畜禽用水量。供水工程主要以保障人畜饮用水安全为主。根据用水标准，大小牲畜的用水定额分别为：q2=40 L/（头·d），q3=20 L/（头·d）[1]。则饲养大小牲畜日用水量分别为：Q2=1624×40=64.96×103L，Q3=4353×20=87.06×103L。

（3）给水量计算。本工程采用全日制供水，每日取水时间Tp=6 h，变化系数Kh取2.5。经计算，最高日设计给水量Qd=1.2×（Q1+Q2+Q3）=832.96 m3；最高日平均时给水量Qcp=Qd/T=832.96/24=34.7 m3；最高日最高时给水量Qmax=2.5×Qcp=2.5×34.7=86.76 m3；水源给水泵给水量Qp=Qd/Tp=832.96/6=138.82 m3；配水管网设计流量Qt=Qmax=86.76 m3。

2 配水管网工程设计

配水管网采用树枝状管网布置。按照供水区域的分布情况，兼顾维修安装方便，管线走向尽量沿桥、公路、沟渠、机耕路等布置，以最短的管线提供最大供水范围[2]。在进入各村的干管进口处，均设置一座闸阀、水表井。供水到每一用户，并各设置一个水表，便于计量。

2.1 管段设计流量计算

树枝状管网的管段设计流量，可按其沿线出流量的50%加上下游各管段沿线出流量计算。管网中所有管段的沿线出流量之和应等于最高日最高时用水量。各管段的沿线出流量，可根据人均用水当量和各管段用水人口、用水大户的配水流量计算确定。即

式中：qL为管段的沿线出流量，L/h；R 为管段的用水人口，人；Q 为用水大户的配水流量，L/h；q 为人均用水当量，L/（h·人）。

人均用水当量的计算式为

q=1000（W-W1）·Kh/(24P)

式中：W 为村或镇最高日用水量，m3/d；W1用水大户的用水量之和，m3/d；Kh为时变化系数；P 为村或镇设计用水人口，人。

2.2 配水干管计算

（1）根据地形，选择控制点，要求控制点的服务水头为8 m。

（2）确定干管线路，进行配水干管水力计算。干管水力计算包括管道设计内径和水头损失。管道的设计内径可按下式确定。

式中：D 为干管内径，m；Q 为干管管段设计流量，m3/s；V 为干管的经济流速，0.6～1.2 m/s。

根据管段流量选定管径后，各管段的水头损失可按《村镇供水工程技术规范》SL310-2004 规定计算。其中，沿程水头损失计算式为

式中：i 为单位管长水头损失，根据《村镇供水工程技术规范》SL310-2004，对于UPVC、PE 等硬塑料管[3]，i=0.000915Q1.774/D4.774；L 为计算管段的长度，m。

局部水头损失按沿程水头损失的10%计算，总水头损失H=1.1h1。

（3）计算配水干管各节点的服务水头。控制点水压标高等于控制点地面标高加控制点服务水头，干管各节点服务水头等于该节点水压标高减该节点地面标高。节点水压标高从控制点逆水流方向倒着推算。上一节点水压标高等于下一节点水压标高加上两节点之间管段的水头损失。干管各节点服务水头均应大于控制点的服务水头。

2.3 配水支管计算

通过干管的计算，支管起点的水压标高均为已知数，支管终点的水压标高为该点地面标高加该点最小服务水头。由此可求出支管的平均水力坡度。于是，根据i=0.000915Q1.774/d4.774，可以确定支管的管径为

d=（0.000915Q1.774/i）1/4.774

2.4 入户管道

入户管道均采用Φ20mm 的PE 管。

3 供水设施设计

3.1 水泵选型

水泵扬程H＝1.1×（H自+H动+H输损+h扬损）

式中：H自为节点自由水头，20.69 m；H动为动水位埋深，112 m；h输损为输水管水头损失，2.06 m；h扬损为局部水头损失，按30%h输损计，0.62m。

H＝1.1×（20.69+112+2.06+0.62）＝148.91m。

水泵流量Q＝40 m3/h，管道内径D=100 mm。根据单井出水量及居民最高日最高时用水量以及水泵厂家的产品性能等综合考虑，确定选择水泵出水量为40 m3/h，扬程为169 m，电机功率30 kW，水泵型号为200QJ40-169/13。

3.2 气压罐选型

安棚镇饮水安全工程计划采用无塔供水压力罐作为调蓄设备，对压力罐的最低工作压力和调节容积，应分别计算确定。

3.2.1 压力罐最低工作压力的计算

压力罐最低工作压力应满足配水管网最不利用户接管点和消火栓设置处的最小服务水头要求。其计算式为

压力罐通过电接点压力表和自动控制柜实现自动控制。为切实保证供水压力，可适当提高压力罐的最低工作压力。在安装调试时，可将压力罐的电接点压力表压力下限值设定为0.20 MPa。

3.2.2 压力罐的容积计算

（1）压力罐内水的调节容积。压力罐内水的调节容积可按下式计算：

式中：Vx为压力罐内水的调节容积，m3；β 为容积附加系数，取1.25；C 为安全系数，1.0～1.3；qb为罐内为平均压力时水泵的出水量，应等于或略大于最高日最高时用水量的1.2 倍，m3/h；nmax为水泵在1 h内的最多启动次数，取9 次。

所以，Vx=0.25×1.25×1.3×105/9=4.74 m3。

（2）压力罐的总容积。压力罐的总容积可按下式计算：

式中：ab为气压罐内最小工作压力与最大工作压力比，宜采用0.65～0.85。

所以，V=4.74/（1-0.65）=13.54m3

考虑到适当加大压力罐的容积，能够有效降低每小时水泵的启停次数，延长设备寿命，且降低运行费用，故该工程选用的压力罐容积为15 m3。

3.3 消毒措施

本工程在对原水进行次氯酸钠消毒后，直接向用户供水。消毒设备采用WL50—III 型次氯酸钠发生器。该设备利用电解低浓度盐水产生次氯酸钠溶液，将生成的次氯酸钠溶液加入到清水池，使之与水充分混合，从而达到消毒的目的。次氯酸钠发生器安置在管理房内，通过加药软管末端的注射器控制加药量，实现自动加药。经过消毒，出厂水游离性余氯不低于0.3 mg/L，管网末梢水游离性余氯不低于0.05 mg/L，达到了国家饮用水卫生标准[4]。

3.4 水质检测系统

水质检测自动化控制系统由水质信号采集器、余氯信号采集器、余氯超标报警器、水质日常常规自检设备4 部分组成。

4 主要施工方法和技术措施

4.1 管道铺设土方开挖

管道铺设土方开挖采用机械与人工相结合方法，应符合下列要求：（1）管道开挖尺寸为0.5 m×0.8 m（宽×深），槽壁平整，边坡坡度符合施工设计的规定。（2）槽底高程的允许偏差应符合设计要求。

4.2 管道铺设

（1）管道安装前，应对管材、管件进行外观检查，清除管内杂物。（2）管道安装宜先干管后支管。承插口管材，插口在上游，承口在下游，依次施工。（3）管道中心线应平直，管底与槽底结合良好。（4）管道连接后，除接头外，应覆土20～30 cm。

4.3 管道铺设土方回填

给水管道施工完毕并经检验合格后，管道铺设应及时回填。回填时，应符合下列规定：（1）槽底至管顶以上50 cm 范围内，不得含有机物、冻土，以及大于50 mm 的砖、石等硬块。（2）冬季回填时，管顶以上50 cm 范围以外可均匀掺入冻土，其数量不得超过填土体积的15%，且冻块尺寸不得超过100 mm。（3）回填土的含水量宜控制在最佳含水量附近。（4）对回填土应逐层进行压实，且不得损伤管道。回填土每层的压实遍数，应按要求的压实度、压实工具、虚铺厚度和含水量，经现场试验确定。（5）分段回填压实时，相邻段的接茬应呈阶梯形，且不得漏夯。采用木夯、蛙式夯等压实工具时，应夯夯相连。