农村供水工程马鞍形管道配水技术的研究与应用

杨静宗1 杨在华 尹自萍

(1.保山学院大数据学院，云南 保山 678000；2.云南省施甸县水务局，云南 施甸 678200)

1 概 述

水既是自然界一切生命的重要基础，也是人类赖以生存和发展的物质之一。在我国的山区农村，普遍存在供水保障率低等问题[1-3]，这与全面建成小康社会和城乡基本公共服务均等化的要求不相适应。因此，保障农村饮水安全是一项长期的任务。云南省施甸县酒房乡抗旱应急供水工程(以下简称酒房乡供水工程)，采用马鞍形管道配水技术，解决了山区因地形高差大形成的供水管网“低处供水保障率高、高处供水困难”的技术瓶颈问题，实现了联村、连片供水，并有效提高了水资源的利用率。

2 基本情况

酒房乡位于云南省施甸县西南部，怒江东岸，地处滇西横断山脉南段，其地势东高西低，属低中山陡坡地形，以构造剥蚀堆积地貌为主。其气候属北亚热带季风气候，具有冬春干燥、夏秋湿润、冬无严寒、夏无酷暑、干湿季分明的气候特点。每年11月—次年4月，在高空强盛大陆性干燥偏北气流的控制下，晴朗少雨，光照充足，蒸发量大。由于受西南暖湿气流的影响，每年5—10月气温较高、雨量充沛、降水日数增多。年均降雨量为998.4mm，降雨量空间分布不均，且山区大于坝区。该乡面积317.95km2，最高海拔2600m，最低海拔600m，自然落差2000m，属典型的山区贫困乡。全乡辖10个村、166个村民小组、380个自然村。至2019年末，总人口26212人，其中少数民族(彝、布朗、回、白、傣、佤族)共计3238人。由于降雨量空间分布不均，径流丰枯变化大，造成该乡人畜饮水十分困难。存在的主要困难如下：生活饮用水水源丰枯变化大，水量得不到保障，枯季依靠人挑马驮运水；居住地分散不集中，地形高差大，工程性缺水严重；供水工程运行管理困难。

3 供水工程运行现状

该乡农村供水工程规模较小，水源季节性变化较大，输水干管与配水主管压力、流量、流态也随之发生变化。当实际供水量不小于设计供水量时，输水干管与配水主管处于满管恒定流。当实际供水量小于设计供水量时，输水干管与配水主管处于非满管，导致农村供水工程低处供水保障率高、高处供水困难，饮水安全得不到保障，山区优为突出。

居住地高的居民通常采用以下方法解决饮水困难：源头分配水量，架设多条供水管道；分级增设高位水池，缓解供水困难；增设控制闸阀进行分区分片供水。

4 马鞍形管道配水技术

4.1 基本原理

传统方法中，农村供水工程管网的输水干管与配水主管采用异径三通配水，由直线方向同径两通承担干管供水，垂直方向管径较小的异径一通承担配水主管供水。在重力的作用下，水由高处往低处流。自然落差越大，流速越快，且自然形成输水干管水流方向流量、压力优于配水主管。相反垂直方向的异径一通配水主管由于90°侧向进水，垂直方向流量系数会低于水平方向，使得水头损失增大。当实际供水量小于设计供水量时，输水干管与配水主管处于非满管状态，会导致配水主管流量、压力低于输水干管。低处用水户水压、流量较高处用水户大，造成了“低处供水保障率高、高处供水困难”的现象。

马鞍形管道配水技术利用同径三通调整水流方向、压力、流量和流态，并将压力、流量、流态稳定的直线方向由干管输水调整为配水主管输水。当配水主管延长不小于0.5m时，将进行变径。配水主管的变径将根据供水量、落差分析计算来选定。垂直方向一通承担干管输水，并将垂直方向一通输水干管制安为反向U形。由于形状似骡马驮运的马鞍形状，故称之为马鞍形管道。

马鞍形管道主要由同径三通、弯头、内接、活接等构成。同径三通是核心，其主要功能是实现由输水干管转换为配水主管，由垂直向马鞍形管道承担干管输水的功能。马鞍形管道增加一定高度的主要原因是：当输水干管处于非满管状态时，满足配水主管满管流态，使配水主管压力、流量、流态稳定。根据酒房乡供水工程经验，高度根据配水主管高位水池的地形地貌选定，一般以1.0～3.0m为宜。当地形平缓、相对高差较小时取小值，反之取大值。

马鞍形管道配水技术将同径三通与高位水池进行了有机结合。当配水主管的最高用水户所处地理位置低于输水干管与配水主管交叉点时，配水主管依据地形、地貌由高至低分设支管、高位水池，同时高位水池设浮球阀。当配水主管最高用水户所处地理位置高于输水干管与配水主管交叉点时，须满足高位水池自由水头不小于2.0m。此时，应根据输水干管与配水主管交叉点的水力计算结果，并结合当地实际的地形、地貌调整输水干管与配水主管交叉点位置，然后由高至低分设支管、高位水池。

马鞍形管道配水技术虽然增加了水头损失，但保证了最高用水户的供水压力、流量。同时，实现了高处优先供水，提高了水资源利用率。增加的水头损失对于垂直落差较大的农村供水工程影响较小。

4.2 马鞍形管道的制作与安装

酒房乡供水工程针对山区居住地分散、垂直高差大等自然地形、地貌特点，选择典型片区开展分级减压调控、分级增设高位水池等试验研究，并采用了马鞍形管道配水技术。通过典型片区试验，该技术解决了“低处供水保障率高、高处供水困难”的技术难题。

马鞍形管道配水技术即在输水干管与配水主管连接处设同径三通，将输水干管制安为马鞍形状。同时，结合当地地形布置高位调节水池。该技术解决了居住地不集中、用水点分散、垂直落差大造成的“低处供水保障率高、高处供水困难”的供水技术难题，科学合理地分配水资源，提高了水资源利用率，保障了人民群众的饮水安全。马鞍形管道实物和平面、立面分别见图1、图2和图3。

图1 马鞍形管道

图2 马鞍形管道平面

图3 马鞍形管道立面

图2和图3中各标号的含义为：1—无缝钢管、2—同径三通、3—无缝钢管、4—无缝钢管、5—弯头、6—内接、7—活接、8—内接、9—弯头、10—无缝钢管、11—弯头、12—无缝钢管、13—变接、14—无缝钢管；Di为输水干管，管径依据干管设计输水流量选定；Dj为配水主管，管径依据配水设计流量选定。

4.3 主要优势

农村供水工程规模较小，供水系统工艺流程一般都较简单。其主要供水工艺流程为将原水净化处理后，通过调节构筑物供水。根据当地的地形地貌采用树枝状管网布置，管径根据规划设计选定。传统管道架设采用异径三通，配水主管管径小于输水干管管径，运行中时常发生低处用水户保证率优于高处用水户，且高处用水户饮水得不到保障的问题。加之无缝钢管允许压力不大于4.0MPa，一般易造成低处用水户管件受损，部分管段因静压太大爆管等。

马鞍形管道配水技术主要有以下优点：节约投资，镀锌管选用普通的20碳钢材质，无须因高落差压力大选择12CrMo、15CrMo等特殊材质；提高了水资源利用率，供水以高处用水户优先，实现了公平用水；制作安装工艺简单，只需普通的同径三通、弯头、活接、直接，无须特殊加工工艺；管理运行方便，无须人工控制闸阀调配供水；人民群众满意度高，提高了群众的节水意识。马鞍形管道配水技术的主要特点见表1。

表1 马鞍形管道配水技术

4.4 应用效果

酒房乡供水工程水处理厂址最高海拔2210m，最低用水户海拔750m，垂直落差1460m。架设管道总长1035.7km，其中，引水管道长70.2km，输水干管长315.0km，配水管网长650.5km。采用同径三通配水技术，解决了山区乡村供水调度和运行管理技术难题，实现了乡村互联、联村、连片供水。

5 结 语

马鞍形管道配水技术，应用于酒房乡供水工程，构建了从“水源头”到“水龙头”的安全可靠的农村供水工程管理体系，实现了乡村供水一体化、同质同服务。使该乡农村自来水普及率达100%，集中供水率达99%，供水保证率达98.5%，让全乡人民群众喝上了安全水、放心水。该工程经过3年多的运行，有效提高了水资源利用率，并取得了较好的社会效益和经济效益。