西藏高寒高海拔地区农村供水工程防冻措施研究

李伟 周双 乔伟 李亚龙 郭华 沙金财

摘要：冰冻会造成高寒高海拔地区农牧民取水用水困难。针对西藏农村供水工程防冻保暖存在的问题，通过实地调研、相关资料收集以及入户座谈等方式，调查了西藏高寒高海拔地区农村供水工程施工的特殊性，分析了农村供水工程冻害的原因，总结了各地采取的主要应对措施，具有较强的实用价值，为高寒高海拔地区农村供水工程建设管理提供重要参考。

关键词：农村供水; 防冻保暖; 高寒高海拔地区; 西藏

中图法分类号：TU991.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.017

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0101 - 05

0 引 言

西藏是世界上海拔最高、形成时间最晚的巨大高原，地处中国西南边陲，面积约120万km2，约占中国陆地面积的1/8，平均海拔在4 000 m以上，素有“世界屋脊”之称[1-3]。据统计，西藏自治区下辖拉萨市、日喀则市、昌都市、林芝市、山南市、那曲市、阿里地区7市（区），包括74個县（区），12个街道，140个镇，545个乡，9个民族乡，208个居委会，5 259个村委会，全区常住人口330万余人，其中农村人口（含牧区）233万余人[4]。作为亚洲“水塔”的西藏，河流湖泊数量均列全国之首，水资源极其丰富，但时空分布极不均匀，加上特殊的自然地理条件，存在工程性缺水问题[2]，特别是部分社会经济发展落后的农牧区，农牧民取水用水困难相对突出。

农村供水工程作为民生工程，是保障农村居民生存和身体健康的重要基础设施[5]。党中央、国务院、西藏自治区高度重视农村饮水安全工作，特别是“十三五”以来，全区因地制宜，或铺设管道引水，或建设机井、大口井、光伏井等供水工程，大大提高了农牧区的供水质量，改善了用水条件，农村饮水安全工程建设实现了“量”到“质”的发展转变。通过“十三五”规划的实施，西藏累计落实投资50.62亿元，建设工程点1.7万处，巩固提升203万农牧民饮水安全，共解决52.29万建档立卡贫困人口饮水安全问题。截至2020年底，全区共建成农村饮水安全工程2.8万处，农村饮水集中供水率97%，自来水普及率80%，农村饮水安全问题得到了有效解决。

西藏大部分农牧区位于严寒或寒冷地区，海拔高，地处偏远，交通条件差，而且基础设施落后，特别是供电设施不完善，又无集中采暖设施。工程规模普遍偏小是西藏农村供水设施的显著特点，例如那曲市与阿里地区地广人稀，每平方千米不足1人，居住非常分散，农村供水工程主要以水井为主，许多水井的服务人口不足20人。恶劣的自然条件导致冬季供水管道和设备冻害严重，室外自来水设施容易冻裂。与其他地区相比，寒冷地区农村供水工程与设施普遍存在冬季工程防冻保暖问题[6]。对于西藏农村供水系统，冰冻是造成供水用水问题的主要危害之一。本文针对西藏农村供水工程普遍存在的冬季结冻问题，通过实地调研、资料收集与用水户座谈等方式，调查了西藏高寒高海拔地区农村供水工程施工的特殊性，分析了冻害的原因，总结了各地主要应对措施，提出了高寒高海拔供水工程监管建议。

1 农村供水工程施工的特殊性

西藏自治区大部分县区为高海拔地区，其中至少有28个县（区）属于高寒高海拔地区[7]，涉及4个地市，即阿里地区噶尔县、普兰县、札达县、日土县、革吉县、改则县与措勤县7县，那曲市色尼区、班戈县、尼玛县、双湖县、申扎县、嘉黎县、聂荣县、索县、巴青县、比如县、安多县11个县区，山南市曲松县与浪卡子县2个县，日喀则市昂仁县、康马县、岗巴县、定结县、定日县、萨嘎县、萨迦县和仲巴县8个县。这些地区年平均气温在0 ℃左右，平均海拔4 300 m以上，总面积超过80万km2，占全区面积65%以上，其中那曲市双湖县是目前世界上海拔最高的县级行政区。这28个县每年施工周期非常短，仅有5～6个月，由于地形的特殊性，大部分地区冻土层在1～3 m。据调查，高寒高海拔地区大部分的供水方式为打井取水，如那曲地区采取太阳能机井、机电井或大口井等方式取水，有的工程建设取水采用泵房或保暖房、高位蓄水池或水塔等方式。

2 农村供水工程的冻害原因

造成农村供水工程水工建（构）筑物及管网结冻的原因可分为自然因素和人为因素。

（1） 农村工程供水冻坏的自然因素主要是供水建（构）筑物在地基土冻胀作用、融沉作用下遭到破坏，管网则因为其中的水结冰而冻裂[8]。通常农村饮水安全工程的建筑物基础与冻土胶结在一起， 冻土对建筑物基础产生冻胀力， 冻胀作用是不均匀的， 当冻胀力足以造成建筑物产生变形或丧失稳定性时， 建筑物便会发生冻胀破坏， 这是高海拔季节性冻土区水工建筑物遭受冻胀破坏的主要原因。此外，高海拔冻土区在春季消融时， 土体强度不足， 水工建筑物基础滑动或塌陷， 砌体隆起、开裂、滑动和塌陷， 进而造成破坏。在历年冻融循环及寒冻风化作用下，供水主管产生冻裂，水工建筑物也加速老化甚至损坏。

（2） 农村供水工程冻坏的人为因素主要有设计不合理、施工不规范和管护不到位等。由于设计不结合高寒高海拔冻土区客观实际情况、对地基土冻胀力的作用考虑不充分或不予考虑，同时又未采取防冻害办法措施，水工建筑物在地基土冻胀力作用下丧失稳定性而受到破坏。在未充分考虑极端气候条件的情况下，设计水工建筑物混凝土的配合比时水灰比过高或混凝土标号过低、输（配）水主管直接埋在冻土层或埋深不够， 均会造成农村供水工程水工建筑物冻害和水管冻裂。施工不规范也会造成水工建筑物冻害破坏。施工时灌浆不满、墙背不勾缝、不平整， 混凝土建筑物震捣不密实、形成蜂窝、麻面，冬季寒冷时容易形成冰楔或挂霜结露，引起不规则裂缝或水平裂缝。农村供水工程使用的建筑材料、管道材料标准低，特别是老旧工程年久失修、工程老化造成破坏。各地防冻灾应急机制不完善或未建立，造成农村供水工程冻灾损失扩大。

3 农村供水设施防冻保暖措施

3.1 重视供水工程设计工作

目前农村供水工程的设计依据主要有SL 310-2019《村镇供水工程技术规范》[9]、GB 50013-2018《室外给水设计标准》[10]以及《给水排水设计手册 第3册 城镇给水》[11]等，这些标准规范中的许多条款规定了寒冷地区的防冻保暖设计要求，在实际设计中起到了重要的指导作用。西藏特殊自然环境地理条件及社会经济发展水平决定了其农村供水工程设计特殊要求，更需要重视起农村供水工程设计工作。对于西藏偏远高寒高海拔地区，农村供水工程设计的各个方面（用水量、水源、取水、水处理、调节构筑物、输配水管网及相关建（构）筑物等）都应符合当地自然地理条件和社会经济发展水平、基础设施状况、运行管理水平等特点，以此确定合理且经济的设计方案，并在工程实践中不断对其进行优化、改进，这样才能使工程更好地服务西藏农牧民，为建设美丽西藏与实施乡村振兴战略建设创造良好的条件。

在确保工程可靠性的同时，应重视相关建（构）筑物的采暖及保温措施。项目建成后，要加强运行管理和后期检修，确保取得良好的保温效果。

3.1.1 建（构）筑物采暖

SL 310-2019《村镇供水工程技术规范》要求，寒冷地区的泵房应有保温或采暖措施。西藏高原海拔高，空气稀薄，属于太阳能资源丰富区，大部分地区太阳辐射值为140～190 kcal/（cm2·a-1）[1]，通常采用太阳能采暖系统，不仅环保还节能。为了防止供水系统在寒冷季节发生冻结，一般采用辅助电加热系统，确保其可靠运行。

3.1.2 建（构）筑物保温

建（构）筑物保温一般采取以下措施[2，12]：① 根据当地日照条件，科学合理确定建（构）筑物朝向，充分利用太阳能，收集尽量多辐射热量;② 为减少当地寒风的影响，对农村供水工程建筑物形态进行合理设计，设计成 L 形或U 形;③ 为提高建筑物保温性能，可考虑新型节能复合墙体、节能玻璃以及屋面等措施，对建筑窗墙比进行合理控制以提高其保温性能。

3.1.3 取水井保暖

采用保温效果很好的PVC 树脂合成罐，其取水井特点是“一井两路，冬夏两用”，即一口取水井，设计两条线路取水。为防止冬天由于管内回水而冻坏，把位于地面以下部分的立杆裹埋在土中，上部立柱预留一定的高度，结合室外立杆利用橡胶软管供水。冬季用水时，将悬挂在井内的取水软管提出，拧开水龙头即可取水，用水完毕后，把软管直接挂回取水井，这样不仅可以防止冬季室外立杆结冻，而且还使水管免遭暴晒。夏季取用水时，直接利用室外的立杆水龙头供水。

3.2 农村供水设施防冻措施

3.2.1 从源头解决冬季供水不正常问题

根据各地农村供水工程建设实践经验，选择最优方案建设取水口。例如：有泉水的地方可选择泉水作为取水口;河流上修建取水口时，一般根据实际情况采用截潜流或拦河坝取水方式。

3.2.2 深埋管道

由于季节性的气温变化，土壤也会随着温度发生周期性的冻结与融化。若将管道直接浅埋在表层土壤中，温度过低，管道内的水会发生冻结，产生冻胀，甚至可能将管道涨裂;同时因低温冻结，土壤体积将会变大，会向周围的介质施加冻胀力，也会破坏管道[13]，因此，农村供水工程管道应敷设在当地冻土层以下，防止冬季管道结冰冻损。根据GB/T50662-2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》，在农村供水工程的基础防冻害埋置深度设计前， 需要确定土质和地下水情况， 充分了解当地的气温、 冻胀、 降雪、 冻深等有关特性。设计冻深可按下列公式进行计算确定：

[Zd=ψdψwZm]                           （1）

[ψd=α+（1-α）ψi]                      （2）

[ψw=1+βe-Zw01+βe-Zwi]                         （3）

式中：[Zd]为设计冻深，m;[ψd]为日照及遮荫程度影响系数;[ψw]为地下水影响系数;[Zm]为实测历年最大冻深，m;[α]为系数，可根据建筑物所在的气候区进行查表确定; [ψi]为典型断面（建筑物或渠道走向N-S，底宽与深度之比B/H=1.0，坡率m=1.0）某部位的日照及遮荫程度修正系数，阴（或阳）面中部的值按地理位置查图确定;[β]为系数，可查规范图确定; [Zw0]为当地或邻近气象台（站）与最大冻深相应的冻前地下水位深度，m，与土壤类型有关;[Zwi]为计算点的冻前地下水位深度，m，可取计算点地面或开挖面至当地冻结前地下水位的距离。

为保证管网系统不受冻害和免受外力破坏，须根据当地近10 a甚至更长年限的基础气象数据和冻土深度数据的观测资料（那曲市与阿里地区部分县区数据见表1），确定历年最大冻土深度，按照《村镇供水工程设计規范》等相关设计手册要求[9-11]，综合考虑外部荷载、管材强度、管材变形、管道交叉、场地地基以及土壤冰冻程度，通过热力计算确定管底在冻土层以下的距离，确定管道埋深。无资料时可参照表2进行确定[14]。

3.2.3 浅埋与保温层相结合

浅埋与保温层相结合的防冻措施主要用于岩石层开挖困难、地下水位过高等特殊情况[5]。在靠近河岸的地方，地下水位相对较高，采用浅埋保温法。一般用聚氨酯合成材料（聚氨酯泡沫）作为保温层。与传统建筑材料相比，聚氨酯泡沫在力学性能、保温效果、防火性等多方面具有优势，具有良好的耐寒性与耐热性，适合寒冷地区使用[15];可用预制成型或现场浇筑的方法将聚氨酯泡沫保温层敷于管道防腐层外，操作简单，方便迅速，效率高。为克服管道深埋工程的施工土方量大、施工工期长等弊端，同时解决严寒地区农村供水管道的冻胀问题，可尝试内管采用聚氯乙烯管材，外管采用聚丙烯管材的给水管材，中间保温层采用发泡的聚氨酯硬质泡沫，构成双层管道以实现防冻保暖，基本可以解决给水管道在冬季运行时发生的冻胀问题[16]。

3.2.4 管道保暖

对西藏农牧区暴露在外的水管以及室外埋地水表、水龙头等设施，冬季通常使用旧棉衣、棉麻织物、塑料泡沫或专业保温材料等进行包扎以实现防冻保暖，确保正常供水。在供水管道上加装伴热带，采用时间、温度控制和保温等措施，可以解决供水管道冻结的问题[16]。那曲市色尼区的部分农村供水工程采取此方法对供水管道进行保暖，效果良好。

3.2.5 管道放空及防冻给水栓

末端供水设施防冻主要是解决连接末端水龙头管道的防冻问题。在冬季用完水以后，泄空冻土层以上管道中的水，通常在冻土层以下（最低点）设置泄水井的方式来泄空管道防冻，或采用立管防冻栓，放空后的管道中无水，则不会发生因水冻胀作用而使水管受到破坏。为了解决管道直接放空却不节水的问题，节水防冻给水栓在市场上应运而生，其基本原理是：节水防冻栓具有内外两层不同管径的ABS管，在埋地进水管上安装一个堵水球阀进行控制，取用水时，把连接出水内管的手柄压下，堵水球阀就会开启，水则从内管中自动流出;用水完毕后，向上轻轻提起手柄，堵水球阀将自动关闭，同时内管中的水则回流到管道底部，于是冻土层以上水管内为空，从而达到防冻效果[12]。

3.2.6 流动法防冻

若是自来水用水户，冬季水龙头中的水只要不停地流动，就不会结冰引起末端冻结而影响取用水。根据气象部门的天气预报或多年的生活经验，预知次日气温低于零下3 ℃时，在当日傍晚将水龙头稍微开启，保持水龙头长流水，自来水管就不易结冻。但此方法不节水，一般情况下不推荐使用。

3.2.7 水井防冻措施

西藏地区以地下水为水源的农村供水工程很普遍，主要有机井、大口井以及手压井等。对于机井提水工程，一般都建有井房（泵房），井房内安装水泵提水，其冬季防冻措施主要是井房内保温，防止水泵及管道内结冰。据调研，阿里地区与那曲市农牧区通常将井房建设成阳光取水房（保暖房），利用太阳能被动采暖方式进行采暖。对于大口井，部分地区也建设有井房，可采用传统取暖装置，建设阳光保暖房。对于采用手压井取用水的用户，冬季夜间为防止结冰，在用水完毕后，用手提起井筒上部的单向出水橡皮垫，把井筒上部的水放空，这样就不会结冰，再次使用时，加一点“引水”便能手压取水[6]。

3.2.8 蓄水池防冻措施

针对农村供水工程中对水工建筑物水池（如高位蓄水池、调节池、清水池等）防冻措施主要有以下几种：在开挖困难的地方，如石质山区等，可将水池建在地面以上，为防止冬季水池结冰，需要采取保温层设计、加厚池壁等措施。在开挖相对容易的地方，可把水池建在地面以下，也可采用半挖半填方式，并进行堆埋覆土保温，并且这两种方法都要求使水池顶部埋深不小于当地最大冻土层厚度，以防止冬季结冰[5]。

3.3 应急保障措施

根据西藏农牧民寒冷季节取用水的实际情况，对农村供水设施应急保障措施总结如下：若水管或水表已结冰，不可直接用火烘烤或用开水急烫，如果水管的材质是PVC管或PP-R管，为避免水管或水表爆裂，可采用热毛巾敷在水管（水表）上，然后再用热水冲淋。若水龙头因冻结而不能用水时，等升温化冻后可自动恢复正常使用;或者采用温热水（40 ℃左右）淋冲裸露在外的水管，待其化冻后可用水。若水表长期不用，则需要关闭表前控制阀，并且将水表及表后管中的水放空。若用水户冬季临时外出或长期不在家，为防止出现紧急情况无法及时处置而造成经济损失或影响周围邻居正常用水，应把联系方式留给邻居。高寒高海拔地区冬季因水管、水表、水龙头等设施夜间冰冻导致次日不能解冻而影响取用水的现象时有发生，尤其是背阴位置情况较为突出，用水户应提前贮好水以备用。

4 高寒高海拔地区供水工程管理建议

4.1 加强施工监管

在农村供水项目实施过程中，要重视施工质量，严格施工程序，加强工程施工过程中的全过程监督。对供水工程所需的各种管材、提水设备、水泥、钢材等应统一采购，对进场各类材料、供水设备进行质量抽检，严格按照施工规范要求进行管道敷设，管道安装施工要满足埋深及防冻要求，确保管材施工质量。各地在工程验收过程中应严格把控工程档案资料验收标准，加强督促检查力度。

4.2 强化监督检查

加强对辖区内农村供水工程防冻保暖工作的指导、监督和检查，把防冻保暖工作作为重要工作来抓。要加强供水设施日常巡查维修，完善供水设施防寒保暖措施，建立健全应急保障工作机制。要积极做好防寒防冻的物资储备，在冬季来临前，提早购置阀门井盖、铁锹、除雪工具等材料，为防寒防冻工作提供充足的物资保障。

4.3 做好宣传教育

加强对用水户安全用水知识和自我防范意识的宣传，向用水户提供防冻保暖的便民技术服务，帮助和指导用水户做好用水设备的防冻保暖工作。加强农村供水工程维修技术技能的培训，提高农村供水管水员對农村供水管网熟悉度，对损坏供水设施部件及时更换。加强对入户管网末端设施的防护保护知识宣传。

4.4 总结经验加强推广

加强总结提炼好的冬季防冻保暖做法经验，积极推广、落实各类农村饮水安全工程冬季防冻措施技术和管护措施。例如，可积极推广那曲市“微型太阳能机电井工程”、昌都市供水管道“太阳能+电热丝辅助保暖”模式和“用户端自动感应换水系统+新型防冻水龙头方式供水”模式，可解决农村供水工程冬季供水保障水平不高的问题。为进一步提高高寒高海拔地区供水设施冬季供水保障水平，应加强对供水防冻保暖技术的研发、应用与推广。

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（编辑：李 晗）

Discussion on anti-freezing and warming measures for rural water supply

projects in Tibet area with high altitude and extremely cold

LI Wei1，2，ZHOU Shuang2，QIAO Wei1， LI Yalong1， GUO Hua2， SHA Jincai3

（1. Institute  of  Agricultural  Water  Conservancy， Changjiang  River Scientific  Research  Institute， Wuhan 430010 China; 2. Division of  Rural Water Conservancy， Hydropower and Water Conservation， Department  of   Water  Resources  of  Tibet  Autonomous  Region，

Lhasa  850000，  China; 3. Shannan Water  Resources Bureau， Shannan 856000， China）

Abstract： Freezing is one of the main hazards of water intake for farmers and herdsmen in high altitude areas of Tibet. By means of on-site investigation， data collection and discussion with users，this study investigates the particularity of rural water supply projects in high altitude areas of Tibet， and analyzes the causes of freezing damage of rural water supply engineering，and summarizes the main countermeasures in the present situation.the summarized measures have strong practical value. It can provide an important reference for the design suggestion and management of rural water supply facilities in high altitude area.

Key words： rural water supply; high altitude and extremely cold area; anti-freezing and warming;Tibet