尖草坪区工农业水源置换工程设计综述

翟江波

（太原市水利勘测设计院，山西 太原030002）

1 工程概况

尖草坪区位于太原市主城区北部，三山环抱、一水中分，是全市的上风头、水源地。现辖3个乡、2个镇、9个街道，82个行政村、66个社区居委会，总人口43.05万人，其中农业人口10.31万人。总土地面积285.6 km2，其中建成区面积41.6 km2。

根据水利部办公厅《关于加快地下水超采综合治理工作有关事宜的通知》（办资源〔2017〕175）号），山西省水利厅及财政厅编制了《山西省地下水超采区综合治理实施方案（2020年度）》，太原市尖草坪区柏板、西墕工农业水源置换工程，是初步设计所列区域保护工程项目之一。本次工程项目区位于太原市兰村泉域一级、三级保护区内，项目的实施有利于减缓兰村泉域地下水位下降，改善区域生态环境。通过既有的上兰扬水工程管理站提取汾河水，解决尖草坪区柏板乡和西墕乡农业灌溉和辖区内混凝土搅拌站等企业的工业用水。项目的实施，可关闭农业灌溉水井12眼，压采地下水开采量207.51万m3。

2 工程任务、规模与主要建设内容

2.1 工程任务

工程建设的主要任务：对上兰扬水站现有供水设施进行改造，通过新建泵站、蓄水池及输配水管道等设施，恢复原有供水能力，满足灌区内的农业用水需要和混凝土搅拌站等企业的工业用水需要。同时，关闭水井12眼，以地表水置换地下水，遏制地下水超采，优化水资源配置，保证水资源的可持续利用。

2.2 工程规模

本工程通过对上兰扬水站进行改造，铺设输水干管及分干管，提高灌溉水利用效率，将灌溉面积由现状466.67 hm2扩大到833.33 hm2。同时为项目区内企业供水，工程年总供水量为388.06万m3，其中农业供水量为237.5万m3，工业供水量为150.56万m3，设计流量为0.425 m3。

2.3 建设内容

结合工程任务及灌区规划设计，本次工程建设的主要内容有：

（1）关闭农业灌溉水井12眼。

（2）对上兰扬水站现有水泵进行更换，泵站设计流量0.425 m3/s，设计扬程98 m，每台功率为630 kW，共2台，总装机容量为1 260 kW。新建柏板泵站，设计流量0.024 m3/s，设计扬程200 m，配备1台水泵，总装机功率90 kW。新建西高庄泵站，泵站设计流量0.121 m3/s，设计扬程165 m，配备3台水泵，总装机功率660 kW。

（3）铺设输配水管道总长31.241 km，干管总长16.282 km，分干管总长14.959 km，分水口23处。

（4）新建蓄水池2座，每座容积1 000 m3。

（5）本次各类管道附属建筑物209座（处），其中排气阀井37座，排水阀井27座，阀门井10座，分水阀门井30座，分水阀井出水口防冲池11座，镇墩66座；交叉建筑物28处，其中穿河段2处，穿公路及乡村道路段12处，穿桥涵（管）及隧洞段14处。

3 工程设计方案

3.1 关井设计

本工程拟关闭原先用于农业灌溉的水井12眼，减少地下水开采量56.95万m3（其中：5眼岩溶井，年开采量25.22万m3；7眼孔隙水井，年开采量31.4万m3）。

据统计，拟关闭的12眼水井分别为西村1眼，柏板村4眼，上薛村3眼，西高庄村2眼，东高庄村和赵家山村各1眼。关井需拆除泵房及电气设备，井口采用钢板焊死，并设立关井标志牌，防止擅自使用。

3.2 输配水管线设计

3.2.1 管材确定

结合项目区实际情况，本次设计铺设输水干管16.282 km，8条分干管共计14.959 km，分水口23处。经过综合比较分析确定输配水管线、管材：提水干管和3号分干管，采用TPEP防腐钢管；自流输水干管，采用球墨铸铁管；自流输水分干管，采用PE 100级聚乙烯管材。

3.2.2 管道水力计算

管道流量计算。根据输配水管道水力运行条件的不同，分为提水管道计算、自流管道计算。管道设计总流量由农业灌溉流量、工业用水流量两部分组成。其中农业灌溉流量根据灌溉面积及灌水率计算，工业用流量水根据企业用水量计算确定。

（1）农业灌溉用水设计管道流量计算公式：

式中：Q——管道农业灌溉用水设计流量，m3/s；

q——灌水率，（m3/s·万hm2），取3.135；

A——灌溉面积，万亩；

η——灌溉水利用系数，取0.7。

（2）需根据设计流量，自流输水管道流量计算公式：

式中：Q——自流输水管道流量，m3/s；

H——管道进出口高差，m；

C——谢才系数；

K——流量模数；

A——计算管段的面积，m2；

n——管道糙率；

L——管道长度，m；

R——断面水力半径，m；

（3）管道管径确定

管道设计流量确定后，选定经济流速，确定经济管径，管道管径计算公式：

式中：d——管道直径，mm；

Q——管道流量，m3/s；

V——管道经济流速，取1.5 m/s。

根据计算结果可知，上兰扬水站至桩号2+562处，高位蓄水池段干管，采用DN 600 TPEP管，壁厚8 mm；桩号2+562至西高庄泵站（桩号11+885）段，采用DN 600球磨铸铁管，C 30级，壁厚8.7 mm；西高庄泵站（桩号11+885）至末端高位蓄水池（桩号16+235）段，采用DN 350 TPEP管，壁厚6 mm。

8条分干管中除3号分干管为提水管，采用DN 150 TPEP管，壁厚5 mm，其他分干管均采用PE 100级管。

3.2.3 管道埋深及铺设

为保证工程压力管道的正常运行，应将管道埋置于最大冻土深度0.74 m以下。结合本次工程实际情况，管道采用地埋式，为开槽铺设。主干管基槽开挖断面在满足施工安装的前提下，其槽底宽度为1.0～1.9 m，开挖边坡为1∶0.75，基槽底部铺设300 mm厚中粗砂垫层，管道嵌入中粗砂垫层中，保证底部垫层厚度不小于150 mm。穿河段管道管顶距地面距离不小于2.5 m，并在管沟顶部设1.0 m厚的铅丝笼石防冲。

3.3 泵站设计

本次设计根据输水管线布置及用水需求，对上兰扬水站进行改造，同时新建两座泵站。结合输水干管的布置、地形、电源、占地等的要求，在西高庄村西侧空地处，新建二级提水泵站，桩号为11+885。在柏板村向北的3号分干管起点处，新建一座泵站，桩号为5+856。

上兰扬水站更换水泵后，泵站设计流量0.44 m3/s，设计扬程98 m，每台功率为630 kW，共2台，总装机容量为1260 kW。新建柏板泵站，泵站设计流量0.028 m3/s，设计扬程200 m，配备1台水泵，总装机功率90 kW。新建西高庄泵站，泵站设计流量0.143 m3/s，设计扬程165 m，配备3台水泵，总装机功率660 kW。

泵房均采用干室型泵房，两层结构，下层为钢筋混凝土结构，安装水泵、管道及各类阀门等，为水泵层，基础1 000 mm厚三七灰土垫层。上层设检修平台，并建设控制室，室内放置电气控制柜等设备，并设有值班室。

3.4 蓄水池设计

根据管道运行方式，需在镇城村西及赵家山村北，分别新建1座蓄水池，容积1 000 m3，蓄积的水作为自流灌溉水源。蓄水池选用《国家建筑标准设计图集》（04S803）1 000 m3圆形蓄水池，池顶覆土高度为500 mm，配套进水管、出水管、溢流管和池底泄水管。蓄水池为钢筋混凝土结构，水池净高4 m，池底总直径为19.7 m，水池侧壁厚为0.25 m，底板厚为0.25 m，下设0.1 m素混凝土垫层及1.0 m厚三七灰土垫层，顶板厚为0.18 m。

4 结论

本次工程项目区位于太原市兰村泉域一级、三级保护区内，兰村泉是太原市第一岩溶大泉，50年代平均流量4.05 m3/s，随着多个水源地及水厂的建设，开采量逐年加大，地下水位年降幅逐渐加大，地下水超采极为严重。

项目区所在的上兰灌区建于1958年，目前，工程年久失修，机电设备老化，提水能力下降，导致有效灌溉面积日益缩减，严重影响了工程效益的发挥。由于提水能力不满足灌溉要求，灌区内陆续凿井开采地下水补充灌溉用水。同时，项目区近年来新建了一批混凝土搅拌站等建材企业，取用地下水生产，造成区域内地下水超采进步一加重。

兰村泉域地下水压采工程实施后，可关闭机井12眼，年压采地下水开采量207.51万m3，设计灌溉面积83.33 hm2，有效保护兰村泉域地下水，改善生态环境，具有良好的社会效益和生态效益。