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镇坪县老城区供水管网改扩工程优化设计分析

2021-05-13安慧琳

地下水 2021年2期
关键词:净水厂最低点水头

安慧琳,薛 松

(陕西水环境工程勘测设计研究院,陕西 西安 710018)

1 工程概况

镇坪县位于安康市东南,大巴山北侧腹地,全县区域总面积1 503 km2,境内山冈连绵,峰岭叠嶂,大巴山主脊横亘县境南部,南江河纵贯南北,将全县切割为东西两半,形成“两山夹一谷”的地貌。

镇坪县老城区现状供水管网分布于所有街道和主要巷道,老城区老供水管道多为八十年代中期建设,管材为灰口铸铁管,现状供水管道老化,供水安全性较差。供水设施依旧是七八十年代建设,经常维修效率低,运行成本高。配水管网少,管径小,供水普及率低,安全可靠性差,从2006年开始县城管网陆续改造,原灰口铸铁陆续更换为PE管道及钢管,然而国心北路段(南江河左岸)、文彩路段、竹溪河路段、曙河路段、下新路段及南江路段等管段目前依然存在腐蚀老化、漏失严重、多次修补、供水可造性差等问题,严重影响当地居民的用水安全性。基于此,本文围绕镇坪县老城区供水管网改扩方案展开了优化设计分析。

2 供水水源选择

目前镇坪县城区供水由小河净水厂承担,以石砦沟做水源。小石砦沟水源地随着上游居民日益增多,且上游规划有三道门森林公园开发,旅游等人类活动将大幅增加,存在污染风险;同时石砦沟水域2008年出现不明“线虫”,且近年多有出现。而小曙河流域(在建曙河净水厂水源)上游人烟稀少,植被良好,坝址以上住户少,无工业污染,下游地势逐步开阔,人口较为分散,沿河左岸有村级便道相通,沿线分布农田较少,主要为坡地和荒坡,河水水质良好。

小河净水厂规模为3 500 m3/d,曙河净水厂目前正在紧张建设中,供水规模为8 000 m3/d。因此本文对镇坪县城供水方式考虑如下:曙河净水厂建成后由其负责老城区及文采新区供水,小河净水厂作为补充及应急供水,在曙河水厂检修或突发供水时间,小河净水厂与曙河净水厂同时对老城区及文采新区供水,可满足镇坪县城居民用水需求。

曙河水质优良,各项指标均满足“集中供水的生活饮用水”水源要求;近期石砦沟水源经工程措施处理后,各项指标也均满足“集中供水的生活饮用水”水源要求。

3 工程规模

供水工程优化设计任务主要为改造管线7.54 km,其中国新路1#管线454 m,下新路2#管线287 m,南江路3#管线204 m,曙河路4#管线1 885 m,竹溪河路5#管线1 214 m,入户支管3 080 m,消防支管412 m,污水管道60 m,配套建设管网检修井、消火栓、镇墩等设施,供水对象为镇坪县城居民生活用水。

4 蓄水量计算及供水规模

根据供水范围的用水标准及人口预测情况,分析计算得出受水区设计水平年总需水量为172.73万 m3,具体计算成果见表1。

表1 镇坪县2025年需水量计算表

供水量采用高日高时:Qh=Qd·kh=(8 000/24)×1.2 =400(m3/h)。

确定县城高日高时供水规模为400 m3/h。

5 优化设计方案

5.1 管材选择

针对表2中的三种输水管材的优缺点比较,并结合本供水工程的重要性、施工、运行管理、投资、地形、地质条件综合分析,本次设计配水管道推荐采用聚乙烯管,污水管道采用硬聚氯乙烯PVC-U管。

表2 输水管材性能比较表

5.2 管径选择

5.2.1 计算公式

根据《室外给水设计标准》(GB 50013-2018)进行水力计算,公式为:

总水头损失h=hy+hj=hy(局部水头损失hj忽略不计)

式中:i为管道单位长度的水头损失(水力坡降)(m);l为输水管道长度(m);hy为管道沿程水头损失;hj为管道局部水头损失;q为设计流量(m3/s);dj为管道计算内径(m);Ch为海曾-威廉系数。

5.2.2 计算理论及说明

镇坪县城管网平差计算分为两种情况:(1)设计工况:曙河水厂单独供水,供水规模按照设计需水量8 000 m3/d;(2)校核工况:小河、曙河水厂同时供水,供水规模按照设计需水量8 000 m3/d。

本工程由净水厂取水,供水规模8 000 m3/d,根据《室外给水设计标准》,最大时变化系数选1.2,配水管网设计流量按最不利情况下最高日最大时供水量111.11 L/s设计。再根据管网平差计算确定各段管道的设计流量、节点压力等参数;并按事故情况下最高日最大时供水量的70%校核,同时对消防工况进行校核;该管网工程只考虑从净水厂供水,网内不设调节构筑物,则最大转输时这种工况不会发生,故本次不做最大转输情况的管网平差计算。

5.2.3 计算结果

1)设计工况:曙河水厂供水(8 000 m3/d):

(1)一般工况设计:最不利点校核

一般工况即在正常情况下,达到设计水平年2025年工程区7 957 m3/d供水规模的配水要求。此时,配水管网应满足家属区最高日最高时用水量,即最大时情况设计配水流量185.2 L/s。其中JS1为185.2 L/s。

本次设计采用海曾-威廉公式进行平差计算的最不利点校核,计算温度采用13°,局部损失忽略不计。计算公式如下:

V=0.44*C*(Re/C)^0.075*(g*D*I)^0.5

式中:Re=V*D/v;v=0.000 001

水压最低点为节点JS17,其压力为923.46 m;自由水头最低点为JS6,其自由水头为53.67 m。

由计算结果可知,最不利校核符合要求。

(2)事故工况校核

镇坪县城设计供水规模为8 000 m3/d,根据规范要求,配水管网中任意一段管道发生事故时,实际供水能力应达到正常情况下的70%,即事故工况城区供水规模为Q=8 000×70%=5 600 m3/d,则本次配水管网按事故工况进行校核,校核采用的事故流量为正常工况设计流量185.2 L/s的70%,即Q设为77.777 L/s。其中JS1为77.777 L/s。

本次事故管道选用JS3—JS24。事故校核平差计算仍采用海曾-威廉公式,计算公式与各项基础参数同最不利点校核,在此不再赘述。

水压最低点为节点JS17,其压力为934.91 m;自由水头最低点为JS6,其自由水头为50.08 m。

(3)消防工况校核

经预测及统计,设计水平年2025年镇坪县城总人数为2.56万人,本次着火点取2处,一起火灾灭火设计流量按30 L/s计算。

消防水头:按户外消火栓所需水头考虑,计为10 m。

水源点JS1节点流量为171.11 L/s,水源点压力为959.85 m。水压最低点为节点JS17,其压力为895.58 m;自由水头最低点为JS8,最低点自由水头为25.26 m。

以上各种工况的计算结果,从运行来看,供水水压和水量可保证用户要求。通过计算确定镇坪县城配水管线管径见表3。

表3 配水管线管径计算成果表

2)校核工况:小河、曙河水厂同时供水(8 000 m3/d):

(1)一般工况设计:最不利点校核

一般工况即在正常情况下,达到设计水平年2025年工程区8 000 m3/d供水规模的配水要求。此时,配水管网应满足家属区最高日最高时用水量,即最大时情况设计配水流量111.11 L/s。其中水源点1(小河水厂)JS1为48.6 L/s,水源点2(曙河水厂)JS7为62.5 L/s。

本次设计采用海曾-威廉公式进行平差计算的最不利点校核,计算温度采用13°,局部损失忽略不计。计算公式如下:

V=0.44*C*(Re/C)^0.075*(g*D*I)^0.5

式中:Re=V*D/v;v=0.000 001

水压最低点为节点JS21,其压力为937.29 m;自由水头最低点为JS1,其自由水头为32.163 m。

由计算结果可知,最不利校核符合要求。

(2)事故工况校核

镇坪县城设计供水规模为8 000 m3/d,根据规范要求,配水管网中任意一段管道发生事故时,实际供水能力应达到正常情况下的70%,即事故工况城区供水规模为Q=8 000×70%=5 600 m3/d,则本次配水管网按事故工况进行校核,校核采用的事故流量为正常工况设计流量111.11 L/s的70%,即Q设为77.77 L/s。其中JS1为34.02 L/s,JS7为43.75 L/s。

本次事故管道选用JS4—JS5。事故校核平差计算仍采用海曾-威廉公式,计算公式与各项基础参数同最不利点校核,在此不再赘述。

水压最低点为节点JS21,其压力为945.13 m;自由水头最低点为JS1,其自由水头为32.163 m。

由计算结果可知,事故工况校核符合要求。

(3)消防工况校核

着火点的选择及消防流量的选取:根据《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974—2014)规定,城镇市政消防给水设计流量,应按同一时间内的火灾起数和一起火灾灭火设计流量经计算确定。

经预测及统计,设计水平年2025年镇坪县城总人数为2.56万人,依据《消防给水及消火栓系统技术规范》本次着火点取2处,一起火灾灭火设计流量按30 L/s计算。

消防水头:按户外消火栓所需水头考虑,计为10 m。

水源点1(小河水厂)JS1节点流量为78.6 L/s,水源点压力为955.11 m;水源点2(曙河水厂)JS7节点流量为92.5 L/s,水源点压力为959.85 m。水压最低点为节点JS21,其压力为929.14 m;自由水头最低点为JS1,最低点自由水头为32.16 m。

以上各种工况的计算结果,从运行来看,供水水压和水量可保证用户要求。通过计算确定镇坪县城配水管线管径见表4。

一般工况设计:最不利点校核,水压最低点为节点JS21,其压力为937.29 m;自由水头最低点为JS1,其自由水头为32.163 m。

事故工况校核,水压最低点为节点JS21,其压力为945.13 m;自由水头最低点为JS1,其自由水头为32.163 m。

消防工况校核,水源点1(小河水厂)JS1节点流量为78.6 L/s,水源点压力为955.11 m;水源点2(曙河水厂)JS7节点流量为92.5 L/s,水源点压力为959.85 m。水压最低点为节点JS21,其压力为929.14 m;自由水头最低点为JS1,最低点自由水头为32.16 m。

从以上两种供水方式来看,各种工况的计算结果,水压和水量均可保证所有用户要求。

5.3 管道结构

管道设计内水压力按最大工作压力P计算确定,塑料管设计内水压力为1.5倍最大工作压力,设计管线采用PE100级,管道设计压力见表4。

表4 管径及管压选择

5.4 管道埋设

5.5 阀件及阀井

为确保管线正常运行、日常维修和事故抢修及供水工程的调度管理,沿配水管线设阀门等附件和阀门井等附属构筑物,主要包括排气阀、泄水阀、检修阀、减压稳压阀、泄压阀等,阀门井为砖砌结构。

5.6 消火栓

本次采用生活、消防共用的给水系统,即室外市政消火栓直接从给水管网中接管取水,消火栓应布置在人行道上,按间距不大于120 m布置,并尽量靠近道路交叉口。本次所有管线均采用室外地下式消火栓(SA100/65-1.6)。

6 结语

为保障提供安全、可靠、稳定的水量给镇坪县城区用水对象,镇坪县老城区现存的灰口铸铁等管道亟需优化改造,管道更换既需要进行合理的供水规模确定,又需要对整个城区管网进行优化分析计算。因此进行城区整体供水多工况的管网平差分析意义重大,通过研究不同水源情况下管网的运行状态,从而合理确定供水管道及其附属建筑物,达到建设完善城区供水管网,增强供水保障能力的目的。

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