洛川县石头镇供水项目设计方案分析

薛 松，安慧琳

(陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710018)

陕西省黄土高原地区是我国水资源最为短缺的地区之一，特别是农村大部分地区存在供水不足的问题，极大制约了区域经济发展和群众生活水平的提高，对国家饮水安全、农民脱贫构成严重威胁，亟需进行生态保护和修复。对于我国农村饮用水供水工程，先后有诸多学者进行了丰富的研究和探索[1-4]，积攒了宝贵的经验，为设计工作起到了充分的保障作用。洛川县石头镇供水工程是在镇区现有水资源短缺，地表水可供水量不断减少，项目区居民生活用水不足，饮水安全受到极大威胁情况下，将石堡川水库作为新的供水水源并入现状供水系统，通过本次供水工程解决项目区人畜饮水问题，促进当地社会经济发展，提高居民健康水平和生活质量，推动乡村振兴战略进一步落实。

1 工程现状

1.1 石头镇区域概况

石头镇位于洛川县东南部，东邻黄龙县，南界白水县，辖28个行政村，镇区面积105.4 km2，属陕北黄土高塬南部的黄土梁塬区，黄土塬顶部地形较平坦，地势开阔，黄土塬边缘沟谷发育，地形破碎。2017年，全镇总人口3.48万人，占全县总人口的14.97%。其中城镇人口0.64万人，城镇化率为18.39%。石头镇辖乡镇以苹果为主的林果业作为农业主导产业，启动实施苹果标准化生产三年提升工程，实现了苹果生产经营全过程标准化，建成现代标准示范园。农产以小麦、玉米、油菜子为主。镇域内有包西铁路、白史路、县道323、县道208等交通干线，乡村道路纵横交错，交通便利。

1.2 水资源及供水工程现状

项目区现有供水系统分为三种，分别为吴家庄供水系统、两水河供水系统及机井群供水系统。吴家庄供水系统水源为塬下的清明沟拦水坝，采用一体化处理工艺。泵站加压供水系统设泵两组四台，一组泵设计流量25 m3/h，供水至百马庄蓄水池；一组泵设计流量23.9 m3/h，供水至武郊蓄水池，均为一用一备。水厂设计最高日供水量1315 m3/d，现状实际最高日供水量1126 m3/d。两水河供水站从两水河水库取水，主要有灌溉和人饮两大供水功能。厂内1000 m3蓄水池用于灌溉供水，400 m3蓄水池用于人饮供水。人饮供水采用一体化处理工艺，水厂设计最高日供水量1070 m3/d，现状实际最高日供水量980 m3/d。石头镇供水站位于石头镇镇区以西，水源为附近机井群取水，供水系统采用重力自流的供水方式，站内无净水设施。

石堡川水库位于洛河水系的第四大支流-石堡川河上，水库大坝坝址位于洛川县石头镇盘曲河村东0.5 km处，坝址以上控制流域面积为820 km2，石堡川水库总库容为6185.3万m3，正常蓄水位936.00 m，100 a一遇设计洪水位为936.30 m，1000 a一遇校核洪水位为939.95 m，死水位为920.00 m。水库枢纽工程由大坝、输水洞、泄洪洞、泄洪底洞、溢洪道五部分组成。石堡川水库供水对象为石堡川灌区，年供水量为5985 m3，供水任务为农业灌溉和城镇供水。

1.3 供水现状存在的问题

(1)石头镇县属资源型缺水和工程型缺水地区，用水供需矛盾突出。水资源的相对贫乏，使石头镇人均水资源占有量仅为全国人均占有量的15%，全省人均占有量的27%。随着改革开放的不断深入和乡镇建设水平的提高，用水供需矛盾日趋尖锐。供水量不足，缺水、断水现象时有发生，在管网末稍和地势较高的地区“水荒”现象尤为严重，且有些管网建设年限长，老化严重，部分管网漏损现象严重。

(2)项目区水源工程建设标准低，取水能力低。项目区现状供水设施取水水源两处，分别为清明沟拦河坝和两水河水库。清明沟拦河坝是洛川县1995年建设的“一乡一站”工程之一，以石头镇东3.3 km的清明沟常流水为水源，原设计解决石头、百益两乡镇的农村居民生活用水。两水河水库建于20世纪70年代，原设计解决朱牛乡的灌溉用水。两处水源工程经过几十年的运行，渠首拦河坝淤积严重，渠首水源丰枯变化大，调蓄能力不足，干旱时流量锐减，不能满足项目区群众生活用水基本要求。

(3)项目区现状供水工程设施老化，供水规模不足，与当地社会经济发展不同步。项目区吴家庄供水站现状供水规模1126 m3/d，两水河供水站改建后供水规模980 m3/d，远不能满足项目区用水发展需要。输配水管网密度低，布置混乱，供需矛盾尖锐，由于受地形、地理位置限制和建设资金诸多因素的影响，输配水管网建设严重滞后，与当地社会经济的发展不同步。随着重点镇建设进程不断加快，苹果等经济农产种植面积不断增大，配套管网改造跟不上，不仅导致了经济的损失，而且给居民生活带来不便。

(4)项目区水源水质不可靠，居民生活用水安全无法保障。项目区机井供水系统均无水质净化设施。近年来，随着当地群众生活水平的逐年提升，入驻的新建小区和企业逐渐增多，群众日益增高的水质水量需求和水源取水量及水质逐年下降之间供需矛盾越发突出。特别是局部利用地下水的地区未经水厂净化，水质不能保证，长期饮用不合格水将严重影响人民群众的身体健康，饮水安全已成为制约民生福祉持续增进的关键因素。

2 工程规模

由于项目区现状供水设施已运行多年，系统管网已有相应程度的老化及漏损。同时考虑到水厂设施后期增容扩建的可行性，避免管网工程扩建的重复开挖，本次设计水平年分为近期设计水平年和远期设计水平年，其中净水厂按近期设计水平年考虑，为远期增容扩建预留空间。供水泵站及管道工程按远期设计水平年考虑，一次设计施工到位，避免重复施工。

项目区近期设计水平年(2025年)需水量154.2万m3，现状供水工程可供水量59.1万m3，项目区年缺水量95.1万m3。本次供水工程取水水源为石堡川水库，取水枢纽为石堡川水库右岸泵站提水。水源到水厂的输水管设计流量应按最高日平均取水量确定。考虑本工程水厂自用水量(取8%)与输水损失(取2%)。按照“以需定供”的原则，本次项目区近期供水规模为97.1万m3，日供水量3723 m3/d，设计近期供水流量为0.043 m3/s。

项目区远期设计水平年(2030年)需水量195.1万m3，考虑到现状供水工程远期的淤积及现状净水设施老化等问题，现状供水系统将面临无法取水的问题，故项目区远期供水将全部由本次工程的石堡川水库水源替代。本次项目区远期供水规模为199.1万m3，日供水量7637 m3/d，设计远期供水流量为0.088 m3/s。

3 工程总体布局及设计方案

3.1 工程总体布局

工程分为泵站工程、输水管道工程、及净水厂工程等三部分。从石堡川水库右岸取水、加压送至塬上新建净水厂。泵站工程按两级加压设计，一级泵站位于石堡川水库右岸削坡平台，二级泵站位于月家庄废弃学校空地。输水管线沿现状道路布设，布置于泵站至新建净水厂，共计7.04 km。新建水厂布设于石头镇政府东侧，白史路南侧，进行水质净化处理后接入现状配水管道，通过自流和配水泵站加压对各项目区各村镇进行供水。

3.2 取水泵站方案选择

从水库中取水形式一般有竖井式、浮船式、缆车式等抽水形式，结合石堡川水库的水情，河岸地质、岸边附属设施，可供选择的形式有三种。

(1)竖井取水：在库区一侧修建竖井，结合水泵扬程及流量，考虑到潜水泵适用井径为250 mm，此次设计竖井一口，竖井内径300 cm，壁厚30 cm，采用C25钢筋混凝土结构，通过Φ500钢管和1 m×2 m涵洞穿越水库边坡将水引入竖井，井内布置潜水泵，再通过潜水泵将水提升至二级泵站前池。考虑到水库淤积问题，在现状常水位下909 m高程处新建1 m×2 m涵洞连通水库与竖井，在其上917 m、922 m高程处分别埋设Φ500钢管与水库连通，钢管及涵洞口均设置拦污栅，保证因水库淤积及水中垃圾等因素影响竖井的进水。水泵下置于竖井常水位下2 m，保证取水库表层水。

竖井工程优点：取水方式简单，水泵采用潜水泵，无需地面泵房且不受洪水淹没影响，且工程厂区距离坝顶近，工程运行管理方便，竖井可作为永久性工程使用，平时仅需对水泵进行检修即可。竖井工程缺点：受库区蓄水影响，连通管施工麻烦，其基岩面高程为926.0 m，连通管基岩开挖量大，投资较高。

(2)浮船式取水：浮船式取水泵站是将水泵与浮船技术有机组合而形成一种取水泵站，适用水位涨落幅度大，涨落频率变化无规律的江河湖泊及水库取水。浮船式泵站结构由进出水钢管、锚固装置、吊车、水泵电机、浮船及船用附件、斜拉钢缆等组成。根据工程特点，设计一个浮船，浮船总长度为20 m，型宽为7.1 m，浮船型深为1.5 m，吃水深度为0.80 m，保证水泵抽水的需要。浮船为单体、单甲板、横骨架式全电焊结构。浮船上部为泵站主厂房，甲板上高程与室内地坪高程一致。内部布置水泵电动机组3套，一列式布置，水泵均采用潜水立式混流泵，检修间位于浮船左侧，宽度3 m，主厂房采用钢结构。

浮船取水方案优点：能适应水库不同水位，水源为水库表层水，水质较好，且运行管理方便。缺点：工程承担镇区居民生活用水任务，不能断水，水库依据常年蓄水位，建成初期要满足抽水需要，需将浮船下至库底，水位变幅较大，浮船支撑悬臂约80 m，且悬臂需承受多根出水管道的重量，故浮船岸边锚固困难，工程投资大，另外运行管理及检修均需上船操作，不及岸边泵站方便。

(3)轨道缆绳式取水：轨道缆绳取水泵站适用于水位落差较大、水流速度慢、风速较小、斜坡较长的场合。水泵汲水后经输水管路实现不间断自动供水。主要有卷扬机、钢丝绳系统、泵车、水泵、轨道、供水管路及阀门、控制系统等构成。

优点：工程简单，土建工程投资小，施工工期短。缺点：施工时需要将水库放空，而石堡川水库不具备此种条件，即此次设计不再深入考虑此种取水方式。

综合上述方案论述，缆绳式取水方案虽然投资小，施工工期短，但石堡川水库为重要水源工程，不存在放空水库的可能，故此方案不予考虑；浮船泵站因石堡川水库水位变幅达30 m，浮船固定难度大，且配套附属道路难度大，工程费用高，且日后检修不方便；竖井式泵站结构简单，考虑到本工程为人饮工程，时间紧，任务重，为便于施工且为后期便于检修，推荐采用竖井式取水泵站方案。考虑到村镇供水工程水泵使用频率高，故采用潜水泵一级取水。

3.3 输水管管道材料比选

目前国内输水管材有以下几种，其优缺点和适用范围见表1。

表1 输水管材性能比较表

综合以上分析比较，结合现状，由于本配水管网工程，塬上供水区域地势平坦，仅取水枢纽至塬上段压力较大且地势较陡，从供水工程的重要性、施工、运行管理、投资等方面综合分析比较，本次设计取水枢纽至塬上段采用钢管，塬上至新建水厂段采用PE管。

3.4 净水厂方案设计

净水厂水源为自石堡川水库，水厂厂房内主要涉及加药、加氯、反应、沉淀、超滤等核心净水构筑物，净水车间以北修建清水池，清水池以北修建加压泵房，厂区西南侧考虑后期厂区扩建用地。

本次采用2种工况进行处理。第一种工况：非汛期期间，浸没式超滤膜+消毒的净水工艺。第二种工况：汛期期间，水源水质有所下降时，采用反应、沉淀、超滤+消毒处理。非汛期期间采用超越管形式，满足第一种工况运行。

本次采用网格反应池和斜管沉淀池，均采用钢筋混凝土结构。网格絮凝分两组，并行运行，每组处理规模为0.2万m3/d，每座分9格，总时间15 min。斜管沉淀池与反应池合建，共分为2组2座，单池平面净尺寸6 m×3 m，液面负荷4.6 m3/(m2·h)。斜管采用蜂窝六边形塑料斜管，沉淀池出水水质一般控制在3NTU以下，以保证滤池的出水水质。

超滤系统设计产水量4000 m3/d，共设3个超滤膜池，每个膜池放置3个型号为LGJ2A-V2000×65的浸没式超滤膜膜堆。超滤处理后水质控制在0.1 NTU以下。

4 结语

洛川县石头镇供水工程设计的泵站、输水管线以及净水厂为典型的全套供水工程设计，目前工程已投入运行，极大地改善了石头镇人民吃水难、用水难的问题。在陕北缺水地区通过优化水资源配置，充分发挥黄土高原已成水库、淤地坝等水源工程的供水潜力，结合受水区需求、地形地貌、水源特性等因素，合理设计泵站、输水管线以及净水厂工艺，确保农村饮水安全，提高农村供水质量，改善偏远地区群众的饮水条件，促进当地社会经济发展，推动乡村振兴战略进一步落实。