衡水滨湖新区地下水超采综合治理工程输水管线设计

王明 赵琳 史忠伟

1 工程背景

衡水市滨湖新区处于冀枣衡最大漏斗区的中心，因为过量开采地下深层淡水，超过了水资源的补给能力，使得区域内地下水位持续下降，形成了地下水漏斗，引发地下水水质恶化，咸淡水界面下降，出现了地面沉降等一系列环境地质问题，同时造成地下水开发难度不断加大。全区地下水位以每年1.7 m左右的速度下降，滨湖新区漏斗中心水位埋深由1972年的15.92 m增大到2008年的85.21 m，目前深度仍在继续增加。为了改善地下水超采引起的一系列不良环境、地质影响，拟用南水北调水源置换滨湖新区乡镇集中供水站的地下水水源，减少地下水开采，节约和保护地下水资源。

2 总体设计思路

衡水地下水超采综合治理项目是在全面实施地表水替代地下水的背景下产生的。利用南水北调净水厂水源（南水北调工程分水指标），置换现有地下水饮用水源。建设内容包括泵站、水量计量设施、铺设管网及附属设施。通过项目的实施，实现南水北调净水厂向农村供水的同时，有效合理利用南水北调工程分水指标，解决了设计水平年（2030年）魏屯镇、彭杜乡、邓庄乡3个乡镇67个村92 260人（含3座万人中学师生33 000人）用水问题。项目置换地下水，关停机井54眼，到2030年可压采地下水237.7万m3。取水泵站位于西娄家疃南水北调水厂附近，输水管线向南主线至魏屯镇，沿途经中干渠，横三路与纵一路相交处，往南至曹家庄；向北主线先跨越中干渠，沿横三路至南辛庄村以南后向北穿越横二路、横一路后往东至彭杜乡彭杜乡第四供水站。

3 工程设计

3.1 设计流量确定

衡水地下水超采综合治理项目加压泵站至魏屯镇各村配水支管与各村原有供水管路的总管相连，中间不设调节池，因此，由加压泵站至魏屯镇供水管路设计流量按照最高日最高时用水量确定。加压泵站至彭杜乡第四供水站输水管道将南水北调水厂清水池的水输送至彭杜乡第四供水站蓄水池，且彭杜乡第四供水站蓄水池容积满足彭杜乡用水总量的调节需求，等同于在供水线路上设有调节水池，因此，由加压泵站至彭杜乡第四供水站管路设计流量按照最高日平均时用水量确定。见表1。

表1 供水管道设计流量表

3.2 设计流速选择

工程输水线路采用PE管方案，其经济管径的选择直接影响到工程建成以后的运行状况和工程总费用。在输水流量一定的情况下，管内流速与管径的平方成反比。管径越大，管内流速越小，水头损失也越小，泵站的相关投资及运行费用就越低，但管道的建设投资则越大；反之，管径越小，管内流速越大，水头损失也就越大，泵站的相关投资及运行费用越高，但管道的建设投资则越小。因此，最经济的设计是将管道工程投资、加压泵站建设投资及年总经营费用（如电费、设备折旧费、维护管理费、贷款利息等）综合分析，找出设计流量下总费用最小的管道口径，即经济管径。

输水管道的设计流速宜采用经济流速，不宜大于2.0 m/s，结合确定的经济流速及规范要求，经比选以1.058 m/s为主管路设计控制流速。

3.3 管径的确定

除加压泵站至彭杜乡第四供水站供水主管进行经济分析外，供水管路管径的确定还应依据相关水力计算比较确定，计算过程包括以经济流速为控制条件进行的管径计算及相应管径条件下的沿程水损计算，经对比分析，确定合理流速范围内的最优管径。3.3.1 管径计算采用经济流速确定供水管道的管径，计算公式为：

式中D——管道的经济管径，mm；

Q——管道的设计流量，m3/h；

v——管道的设计流速，m/s。

3.3.2 沿程水损计算公式

（1）沿程沿程水损的计算公式为：

式中hl—沿程沿程水损，m；

L——计算管段的长度，m；

i——单位管长沿程水损，m/m。

（2）单位管长沿程水损的计算公式为：

式中Q——管段流量，m3/s；

C——海澄·威廉系数，PE管道为140；

d—管道内径，m。

局部水头损失按沿程损失的10%计算。

加压泵站至彭杜乡第四供水站供水管道设计流量274.2 m3/h，以1.058 m/s为设计流速，使用管径计算公式进行初步计算，所得管道内径Din为314 mm，相应管道外径应为368 mm，需要选择PE管道的公称外径为DN400。以DN400管径为基准，进行不同外径规格管道的流速和沿程水损计算，详见表2。

表2 彭杜乡第四供水站供水干管管径、流速及相应沿程水损比较

通过上表的计算可以看出，以公称直径为DN400的管道进行计算，所得流速为0.834 m/s，该流速比选定的流速小，因此，将该段管路管径调整为DN355，使用DN355规格管道能够满足流速控制条件。据此，最终确定加压泵站至彭杜乡第四供水站供水管道管径为DN355。加压泵站至魏屯镇各村供水主管路管径的确定同以上方法，确定加压泵站至魏屯镇供水主管道公称直径为DN280。

3.4 供水泵出口压力的确定

加压泵站水泵出口压力计算由最不利管线的沿程水头损失、局部水头损失、最不利点服务水头及最不利管线首尾两端高程差来计算供水泵的扬程。加压泵站向彭杜乡第四供水站供水线路为1条DN355规格的PE给水管，管道总长9 720 m，供水量为274.2 m3/h。加压泵站出口中心高程为20.0 m，彭杜乡第四供水站蓄水调节池进水口高程为21.6 m，则供水线路始末两端高差为1.60 m。以该管线的沿程、局部水头损失、服务水头及管线首尾两端高程差计算水泵扬程，计算结果见表3。

表3 第四供水站供水线路水力计算表 mm

加压泵向彭杜乡第四供水站供水线路供水泵扬程应为上表中沿程损失、局部损失、服务水头及几何高差之和：

由以上计算结果可知，向彭杜乡第四供水站供水泵出口能提供的最小水压力应为46.35 m水头。

3.5 管道压力的确定

在给定水泵扬程技术参数供水条件下，辖区内26个村供水支管服务水头均在19～34 m范围内，依据规范要求，用户水龙头最大净水头超过40 m时，才需采取减压措施。因此，在现有供水压力条件下，供水支管入户管端可以不设减压措施。经计算，由加压泵站至魏屯镇各村供水管路事故停泵时最大正压力为72.57 m水头，水泵正常工作时最大压力为40 m；由加压泵站至彭杜乡第四供水站供水管路事故停泵时最大正压力为69.99 m水头，水泵正常工作时最大压力为50 m水头；因此供水管道最小承压能力可采用0.80 MPa。考虑城镇远期发展，为保证村镇供水管道的耐久性和供水安全性，确定管道承压能力定为1.0 MPa。

4 结 语

衡水地下水超采综合治理项目输水工程用南水北调水源置换深层地下水，减少深层地下水开采，节约和保护地下水资源，工程设计经济合理，目前项目已竣工验收，向村镇各需水户供水运行。