山区多级串联加压给水管网工程设计探讨

邴斌，陈太生，柳志华，韩杨，熊敏

(1. 青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266100;2.巢湖市村镇建设管理处；3.巢湖市污水管理处，安徽 巢湖 238000）

山区由于其地理情况特殊，条件较为复杂，给水系统的设计及建设与传统平原地区有很大不同。本文基于青岛市市政工程设计研究院设计完成的安庆市西风禅寺风景区给水工程，针对山区给水管径小、地势高差大、能耗高的特点介绍工程的设计经验，设计从流量计算，调蓄构筑物设计、管线路由选择及管材的确定，加压方式的选择，加压泵站设计等内容入手，有针对性地提出了一些技术措施和对策，以使山区的给水系统更加安全可靠。

1 工程概况

西风禅寺风景区位于安庆市太湖县城北4km的花亭湖畔凤凰山上，为国家AAAA级风景区，景区有自然和人文景点30多处，寺周石刻遍布，旅游季节最高日接待游客人数近3000人，景区常驻居民及管理人员约50人。风景区用水点集中位于凤凰山山腰，山顶附近设置有公共卫生间，原给水工程以调蓄池收集山间溪水、雨水作为水源,采用重力流的形式对景区用水点进行给水，由于水量季节性变化大，且水体色度、细菌总数、大肠菌群等水质指标超标,水质及水量都无法保证。为了提高景区给水水质和给水安全性,计划将山下市政给水引入山上的风景区，现状市政管网给水量富余量约为8m³/h，给水压力约为0.25MPa。

2 工程设计

2.1 设计给水规模和用水量

根据《村镇给水工程设计规范》（SL687-2014）集中式给水工程设计的给水规模，主要包括居民生活用水量、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、消防用水量以及管网漏失水量和未预见用水量等。

结合景区当地的实际情况，给水涉及区域无村镇企业及畜禽饲养场，景区道路多为台阶等游步道且无公共绿地，因此，浇洒道路和绿地用水量不计；同时，考虑到西风禅寺风景区山下市政给水管网富余水量有限且景区有自建消防水池，因此，本次设计不考虑消防用水量。

（1）居民生活用水量。考虑景区给水情况的特殊性，将景区的用水分为常驻居民生活用水和游客用水两种情况，景区内目前无游客留宿条件。设计居民生活用水量标准根据《村镇给水工程设计规范》（SL687-2014）和《安徽省农村饮水安全工程初步设计报告编制指南（试行）》的相关规定选取，由于西风禅寺景区内有洗涤池、卫生设施相对较齐全，经过综合分析考虑，本次选取的居民日生活用水量定额为140L/(人•d)，游客生活用水量定额取30L/(人•d)，则最高日生活用水量为：

Q1=P·q/1000

式中，Q1为居民生活用水量，m³/d；P为用水居民人数，采用设计居民人数；q为最高日居民生活用水定额，居民取本次设计取100L/(人•d)，景区游客取30L/(人•d)。

（2）公共建筑用水量。根据公共建筑性质、规模以及用水定额来确定公共建筑用水量。设计参照《村镇给水工程设计规范》SL687-2014规定，按照居民生活用水量的20%确定，即Q2=Q1×20%。

（3）管网漏失水量和未预见水量。对于无具体资料的前提下，漏失水量和未预见水量采用经验法预估，一般按居民生活用水量、集体或者专业户饲养畜禽、公共建筑用水量之和的20%计算，Q3=（Q1+Q2）×20%。

本次设计最高日用水量：Qd=Q1+Q2+Q3+Q4=58.08m³/d。最终取58m³/d。由此计算管网的设计流量为：

Q设=Kh·Qd/24=7.26m³/h

式中：Q设为最高日最高时用水量，m³/h；Qd为最高日用水量，m³/d；Kh为时变化系数（可在2.5～3.0范围取值）；通过《给排水设计手册》查表可知，钢管当管径为DN70mm时，v=0.58m/s，1000i=13.2m。

2.2 调蓄构筑物设计

由于本次设计给水量Q设大于现状市政管网给水量富余量，因此，考虑在山腰位置设置网前高位水箱来保证用水户的水压和调节水量。由于景区游客相对分散，用水变化规律不确定，水箱调节容积计算无类似工程经验可参照，西风禅寺风景区用水点集中处于寺庙，公共卫生间等位置，设计将寺庙作为整体考虑，参照《建筑给水排水设计标准》（GB 50015-2019）3.7.3条，“当资料不足时，调节水箱容积按建筑物最高日用水量的20%～25%确定”。综合考虑用水区域供需情况及山体空间等因素，水箱容积取最高日用水量的20%约为28m³，设计水箱净尺寸为4×2.5×3m。

2.3 给水管线路由及管材确定

管网布置是给水工程设计中关键部分，管网的费用通常占到整个给水系统的70%～80%，甚至更多，因此，管网布置是否合理，对工程投资、运行和管理维护有很大影响，由于该项目位于山区，管线布置与地形坡度相适应，地面坡度较陡时，管线布置尽量应平行于等高线，以保证管线尽量平顺，减少起伏和折点，对于地面坡度平缓的区域，管线布置尽可能垂直于等高线，以力求管道长度最短。管道主要采用直埋敷设的方式，总计管道长度约3750m。项目用水点与给水点高差较大，给水管道设计承压大于1.0MPa，依据《城镇给水长距离输水管(渠)道工程技术规程》(CECS193:2005)，输水管宜采用钢管，但普通钢管存在明显的弊端，普通钢管防腐性能差、寿命短，为延长使用年限，通常需要对其进行内外的防腐处理。本次设计结合市场新材料选用TPEP防腐钢管作为本次给水工程管材，该管材出厂时，采用热熔结缠绕工艺,其内壁采用热喷涂环氧粉末防腐方式，延长管道使用寿命，工程实施时，不需要单独对管材进行防腐处理，能有效确保工程质量及实施进度。

2.4 加压方式的确定

根据现场勘测，现状市政给水管网接管点处地面标高为88.0m，山腰用水点标高约为300～330m(寺庙依山而建，高差较大)，山顶公共卫生间标高为433m，不考虑市政管网来水压力加压泵站至两处用水点的静扬程分别242m和345m。

给水加压方式可分为多次加压和一级加压两种方式，若采用一次加压，泵站总扬程约为489m，过高压强对管材、附属设施以及施工条件均要求较高。若采用多次加压给水，由于泵站扬程小于80m时所产生的水锤危害较小，因此，分级数多5～7级。但如分级过多,增加了泵站的建设成本，且会使后期的运行复杂，不便管理。若分级过少，则降低了泵站的运行效率。合理选择分级次数就显得尤为重要，设计时，根据市场从管材及水泵两方面考虑：首先，小流量、高扬程水泵不易购买，且运行时产生的水锤危害大，管道容易发生渗漏、爆管等现象。其次，对于小管径市政输水管用钢管常用的公称压力有1.0MPa、1.6MPa和2.5MPa三种规格，提高管材的公称压力可致使单位管长造价成本过高，通常管道最大工作压力值再加0.5MPa为钢管的设计内水压力，因而2.5MPa公称压力值的钢管，其最大工作压力不得＞200m自由水压，以此作为泵站加压级数的约束条件。同时，考虑管线路由及泵房设置空间等因素，本次工程的设计加压方式的思路见图1。

图1 多级加压示意图

本次设计中，三级加压泵站水泵均选用2台，均为一用一备，其中一级泵为无负压离心泵，单台水泵流量Q1=7.26m³/h，扬程H=180m，二级泵为无负压离心泵，单台水泵流量Q2=7.26m³/h，扬程H=132m，三级泵为变频离心泵，单台水泵流量Q3=3.6m³/h，扬程H=82m，三级加压泵站设有调节水箱，其采用重力流形式对周边用户进行给水。

2.5 泵站设计

给水加压泵站的形式主要有传统加压(直接加压）、直抽给水加压及无负压加压三种形式，具体见表1。

表1 三种形式的给水加压泵站的形式

该工程由于市政管网富余水量有限，为避免负压的产生及对上游用户的影响，不适合采用直抽给水加压的方式。对另外两种给水方式进行了方案比选，见2。

表2 无负压泵站和传统泵站的比较

根据比选，传统加压形式占地面积大、维护费用高、运行成本高。本次设计综合考虑经济、成本等方面因素，为充分利用来水压力，同时，避免对来水管网产生负压，推荐采用无负压加压泵站。

2.6 水锤防护设计

鉴于该工程小流量、高扬程的特点，设计时，对泵站水锤及输水管水锤进行了防护设计。首先，为防止突然停泵时给水管道自来水流倒流对泵站产生的水锤,在设计时,在水泵出水管上设电动蝶阀,同时，在无负压泵房外设检修闸阀以及多功能水泵控制阀。多功能控制阀可以有效地提高给水系统的安全可靠性,控制阀最大缓闭时间约120s,可有效降低水锤对水泵的影响。其次，为防止水锤对输水管造成破坏，设计时，分段设置缓闭止回阀，缓闭止回阀的高程间隔约为80m左右。可有效分散水锤压力，进而减小管道因为水锤而产生的振动，消除低水锤对管道产生的破坏。

3 结语

该工程于2019年9月完成施工验收，10月正式投入运营至今，期间经历了西风禅寺景区十一黄金周的旅游旺季及2020年春节后的旅游淡季，根据周边用户及业主的反馈，该工程的运行情况良好,可达到设计要求。本工程给水系统具有典型山区小村镇小流量、高扬程给水系统的特点，设计针对该类项目合理计算设计流量，并根据实际需要设置调蓄构筑物，采用分级串联加压的形式进行给水，可有效保证用户正常用水，设置多功能控制阀及沿线分段设置缓闭止回阀能有效减少水锤对给水系统的影响。该项目的实施可对其他类似其他偏远山区饮水安全工程设计和建设，具有一定的借鉴意义。