湖泊取水工程设计关键点分析

孙艳涛

(上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司 安徽合肥 230000)

0 引言

取水工程是供水工程成败的关键。取水工程设施，对整个给水系统的组成、布局、投资及维护运行等经济行为和安全可靠性具有重大的影响。如何长时间持续有效地为后续净水厂提供足量、优质的原水是取水工程的重要任务[1]。

本文拟以安庆市应急供水工程为例, 介绍其取水工程设计是如何选择水源、取水点、取水构筑物等，并结合项目具体情况介绍取水工程设计的要点：进而分析石塘湖的水文特征、河床演变、水下地形、取水保证率、湖体水质等特殊因素，详细介绍了取水点和取水头部施工形式，为类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

安庆市实施“安庆市应急供水工程”，将破罡湖石塘湖作为安庆市区应急备用水源，与原有供水系统形成统一整体，以更好地为城市服务。该取水工程新建取水泵房一座;设备安装规模30万m3/d，从石塘湖引水，通过两根DN1500自流管引至泵站，然后通过两根DN1200输水管输送至三水厂，再利用三水厂现状1根DN1200源水管道将部分原水送至二水厂。鉴于取水工程的重要性，本文着重分析取水工程设计中存在的关键问题。

2 水源选择

根据安庆市规委会意见和安庆市供水专项规划结论：应急供水水源为石塘湖。石塘湖位于安庆城北大龙山之阳，西北为杨桥镇，东南为白泽湖乡，在湖的东北部与破罡湖相通，湖面面积现状14.47km2，规划22.04km2。

监测控制断面(点)的现状水质为II～III类，水质管理目标为II～III类，水质基本满足生活饮用水原水水质标准。考虑石塘湖距二、三水厂较近，近期方案投资少、施工难度小、便于应急备用水源工程在短时间内完成，该设计方案最终选取石塘湖作为城市供水应急备用水源。

3 河势演变分析

确定取水口位置时需收集附近河床断面演变资料，以确保构筑物的安全性[2]，根据该工程《防洪影响评价报告》分析显示: 工程建设地点位于石塘湖区，上游集水区地表径流携带的泥沙基本沉积于湖内。来水来沙区地貌特征属于沿江丘陵岗地区，土壤侵蚀强度500t/km2.a，造成湖区预计厚度约为0.9mm/a。根据石塘湖的近年运行情况，河道基本稳定，若平淤在整个石塘湖河内，影响极微。

4 取水量、保证率及水质分析

4.1 取水量、保证率分析

根据该工程《水资源分析论证报告》分析显示:

(1)现状年可供水量计算成果

根据水资源论证报告调节计算结果显示，近期97%保证率典型枯水年区域总来水量4474万m3，其中陆域来水量4803万m3，湖面产水量-329万m3；论证区农业用水量1229万m3，湖泊渗漏损失量1325万m3。根据水量平衡原理，近期97%保证率典型枯水年区域可供水量1920万m3，大于该项目地表水需水量546万m3。因此，近期论证区域地表水源能够满足97%保证率时该项目用水需求。

(2)规划年可供水量计算表

根据调节计算结果，规划水平年97%保证率典型枯水年区域总来水量4474万m3，其中陆域来水量4803万m3，湖面产水量-329万m3；论证区农业用水量1057万m3，湖泊渗漏损失量1325万m3。根据水量平衡原理，规划水平年97%保证率典型枯水年区域可供水量2092万m3，大于该项目地表水需水量546万m3。规划水平年论证区域地表水源能够满足97%保证率时该项目用水需求。

(3)取水口高程分析

按照《破罡湖流域综合规划》拟定的工程调度方案，以及调节计算结果，应急供水情况时，单一考虑石塘湖湖体连续10d供水，在调节计算下，水位为8.6m。因此，取水水位8.6m符合应急供水工程取水设计最低水位要求。

4.2 水质分析

对石塘湖水域水质检测点进行了布控，如图1所示，并对检测点进行约30项(包括总氮、总磷、氨氮)等水质因子化验，结合监测数据分析结果显示，石塘湖水质除总氮、总磷局部时段超标外，其他检测项目均符合《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的Ⅲ类地表水体标准，水质变化分析如图2～图3所示。针对石塘湖可能出现的水质污染问题，在净水厂内设置臭氧+深度处理工段。

图2 JCD-2水质变化图

图3 JCD-9水质变化图

考虑石塘湖属于应急供水备用水源地，当地政府正在实施对石塘湖综合治理工程，主要对沿湖周边及入湖河道实施截污、清淤、生态修复等工程措施，以确保在工程建设实施后石塘湖水质满足国家饮用水水源地取水标准。

5 水下地形分析

对石塘湖水域拟建取水头部位置进行初步测量，在石塘湖水域布置4个测量横断面，断面间距300m。

根据4个测量断面显示，湖底高程基本在11.00～7.00之间，石塘湖水下地形较平坦，坡度变化较小，深泓线基本位于湖中心位置。

6 取水点比选

结合湖底高程(约7.19m)和外环北路雨水管道标高(管底标高约10.476m～10.685m)情况，对取水点位置JCD-2和JCD-9进行比选结果如表1所示。

表1 取水点方案优缺点对比表

综合考虑，选取在方案一JCD-2附近作为该工程取水点。

7 取水构筑物型式

常见的取水泵房形式有岸边式取水构筑物和江心式取水构筑物两种：

(1)岸边式取水构筑物：泵房建在岸边，直接从江河岸边进行取水，由进水间和泵房两部分组成，适用于江河岸边较陡，主流近岸，岸边水深较大，水质、地质条件好，水位变动幅度较大的一些场合。按照进水间与泵房布置的不同，可分为合建式和分建式。

(2)江心式取水构筑物：泵房与岸边式取水构筑物基本相同，但用伸入江河中的进水管(末端设取水头部)来代替岸边式进水间的进水孔。适用于河床稳定，河岸较平坦，枯水期主流离岸较远，岸边水深不够而江中有足够水深的情况。

根据实测的水下地形资料，石塘湖岸坡较缓，深泓处于湖心位置，湖边为鱼塘或高地，从高程和水质两方面考虑均推荐采取江心式取水构筑物。

8 取水头部型式

取水头部的选型，首先要满足使用功能要求，并综合考虑地形地质条件、水域特性及施工条件等因素[3]。该工程石塘湖湖底整体较为平坦，水深较浅；结合该工程实际情况，拟采用江心式取水构筑物，需要在湖体中设置取水头部，以保证泵站在各种运行工况下都能取得水质良好的足够水量。

取水头部形式很多，应该根据水源的水文、地质、施工、航运以及含沙量和漂浮物等具体情况确定。常见的取水头部型式有喇叭管式、箱式等。

(1)喇叭管取水头部：原水取水管伸入河道后直接采用喇叭口进行取水。喇叭口可根据河床条件和水文情况不同，采用水平式、顺水流式、向上式或向下式安装。

(2)箱式取水头部：取水头部为一钢筋混凝土箱式结构，在其顶面及侧面设置进水窗并安装拦污格栅，取水管伸入箱体进行取水的形式。

两者投资相差不大，但结合石塘湖水文条件、取水水量、河床深度因素进行综合考虑，如采用喇叭口异径管，边缘已接近湖底，无法保证取水安全深度要求，该工程采取箱式取水头部。

9 取水工程设计

9.1 设计参数

取水工程包括取水头部、进水管、吸水井、取水泵房等。

(1)设计取水量

自取水头部设置自流管，将石塘湖原水引至一级泵房吸水池。供水规模按照26万m3/d规模设计，因输水管线较长，沿途渗漏水量按10%计，另，考虑水厂自用水量5%，则取水泵房设计水量按照30万m3/d计算。

(2)设计水位

根据水资源论证报告显示，石塘湖最低水位为8.60m，为保证取水安全可靠，设计最低水位取8.60m。

9.2 取水头部

取水头部采用箱式取水头部，箱涵尺寸：L×B×H=11.65m×7.5m×5.1m。取水头部处,湖底高程约7.5m，设计取水头部箱涵进水口下底标高7.80m，上口高程8.40m，取水头部设计如图4～图5所示。

设计规模： 30万m3/d;

格栅数量： 12组;

栅条间隙： 50mm;

栅条宽度： 10mm;

格栅尺寸： 1.75m×0.65m。

图6 取水泵房剖面图

图4 取水头部设计平面图

图5 取水头部设计剖面图

9.3 自流引水管

自流引水管采用两根DN1500钢管，每根长约1175m，设计流速为1.376m/s，自流总水头损失约1.4m，两根取水头部自流管中心距离4m。

取水钢管穿越外环北路采用顶管施工，湖体内管道采用水下施工方式，其余部位采用开挖施工方式。

9.4 取水泵房

考虑水厂自用水量和输水管线漏损量，取水泵房按30万m3/d规模一次完成，通过自流管引水至泵房吸水池。取水泵房设计如图6所示。

吸水池设成2格，以利于检修清洗，中间设过水孔，并设闸门及启闭机。

泵房采用半地下式，共设置6台泵位； 泵站内配置5台双吸泵(4用1备)，每台泵参数为Q=3300m3/h，H=46m，电机功率560kW/台，其中一台变频控制。

10 主要施工方式

10.1 取水头部

根据取水要求，取水头部可采用钢筋混凝土箱式结构或钢构件组合箱式结构。各结构形式各有其优缺点：

(1) 钢筋混凝土箱式结构：耐久性好，防冲撞能力强，箱体预制吊运水下拼装、施工能力适应性强。

(2)钢构件箱式结构：结构自重较轻，材料较省一些，但耐久性较差。由于头部尺寸较大，拼装构件多，水下拼装较复杂，并且防冲撞能力较差。

根据二者优缺点比较，推荐采用钢筋混凝土箱式结构取水头部。基础采用筏板基础，取水头部采用围堰现浇施工。为防止河床冲刷，在头部四周范围内抛石护底，确保头部安全。

10.2 引水进水管

引水进水管采用2根DN1500钢管，将水引至取水泵房。根据引水管的埋深要求，采用部分水下开挖、部分陆上开挖及部分顶管相结合方式进行施工，管顶覆土不小于1.0m。管道在水下部分，采用开槽浮运、沉管、抛石护管埋设施工；管道穿越已建外环北路时，拟采用顶管施工埋设管道。

11 结语

根据石塘湖基本情况、水文特性、可势演变，对取水点、取水头部等进行比选论证，同时结合石塘湖本身的特点，对取水工程设计和施工方式进行了比选分析，最终选择了江心式箱涵取水头部、自流管固定式取水方案、湖心围堰施工方式等，为该工程的顺利实施奠定了基础，对类似湖泊型取水工程建设具有一定的参考意义。