新疆乌苏市城乡一体化供水规划方案研究

周晨晖

(塔城水利设计研究院有限公司，新疆 塔城 834700)

0 引言

“十四五”时期，国家实施乡村振兴战略，对农村供水提出了新要求。其中，保障农村饮水安全是实施乡村振兴战略的重要内容，也是坚持高质量发展，实现城乡融合发展的具体要求[1]。农村供水工作是改善农村生活条件，加速农村基础设施建设，提高人民生活水平，建设社会主义新农村，全面建成小康社会的重要环节。因此，“十四五”期间，亟须尽快开展农村供水水保障工程建设。

1 工程概况

乌苏市位于新疆准噶尔盆地西南边缘，属于天山北坡经济带区域内。乌苏市西侧为博尔塔拉蒙古自治州，以托托河为界；南侧为婆罗科努山分水岭与伊犁哈萨克自治州相接，东侧为沙湾市，以巴音沟河为界，北侧与托里县和克拉玛依市相连。乌苏市属北温带大陆性干旱气候，夏热冬寒，多年平均降水量168.1mm，年蒸发量2112.3mm，蒸发量远大于降水量，土壤冻融循环次数小于100次/a，最大冻土深155cm。乌苏市境内有奎屯河、四棵树河和古尔图河3条大河，其中，奎屯河为最大的河流，全长320km，出山口以上河长71km，山区集水面积1945km2，出山口控制站位加勒果拉水文站，年径流量6.199×108m3。

乌苏市东片区城乡一体化供水保障工程项目区，位于乌苏市东北方向15km处，总供水规模可达15173.50m3/d。其中，供水规模方面，城镇为8101.11m3/d，农村为4072.39m3/d，机场为3000.00m3/d。城乡统一供水系统建成后，可实现乌苏市城区与九间楼等乡镇及行政村，连片规模化集中供水，可解决管道老化、跑冒漏滴等问题，提高供水系统运行效率。

2 供水现状及存在问题

2.1 水厂现状

工程所在地区共涉及8个乡镇123个行政村，总人口4.82万(其中城镇人口2.25万人，农村人口2.57万人)，牲畜159816只。目前，东片区输配水管网取水口为奎屯河老龙口电站退水闸前，蓄水池位于新城南部三水厂南侧1.50km，为注入式调蓄水池，通过暗涵从老龙口9级电站压力前池分水口引水，引水暗涵长3.37km，设计引水流量1.84m3/s；调节蓄水池正常蓄水位为669.60m，相应库容为253万m3，死水位658.80m，死库容47万m3，调节库容206万m3。三水厂供水能力12万t/d，其中，地表水10t/d，地下水2万t/d。地表水水源接口为老龙河水电站压力前池预留分水口。目前，取水口、蓄水池级水厂均运行良好。工程所在区域经过6次饮水安全工程，总长为396.2km，供水规模为3219.46m3/d。

2.2 存在问题

2.2.1 管网老化严重

工程区现有管网396.20km，其中，350.51km采用PVC管材，45.69km采用PE管材。根据《乌苏市“十四五”农村供水保障规划》和现场调查情况，本地区管道存在新疆地区供水管道的共性问题：PVC管材的管道存在抗压能力不足，易损坏等现象，造成跑、冒、漏、滴甚至爆管等问题突出[2]，且大部分管道位于林带和柏油路下，导致日常检修困难。

2.2.2 供需矛盾

供水系统不满足现有饮水需求，缺少统筹规划，运行效率低。目前，供水系统可解决2.49万人饮水问题的配水管网，但无法满足城乡4.82万人口的饮水需求，管道水量受高峰期和低谷期影响较为显著。

2.2.3 计量问题突出

研究区，入户水表问题主要有：不标准，无自动化检测设备。入户水表多为老旧的机械式水表，大部分埋在用水户院子里，入户抄表困难，无法合理地收水费，且项目区缺少自动化监测设备，管理人员较少，无法实时对管网运行异常点位进行实时监测管理。

3 城乡供水一体化规划

3.1 需水量计算

SL 310—2019《村镇供水工程设计规范》[3]可知，村镇供水工程设计应按规划、近远期结合、以近期为主的原则。村镇供水工程近期规划设计年限宜采用5—10年，远期规划设计年限宜采用10—15年。结合《乌苏市“十四五”农村供水保障规划报告》，工程现状年为2021年，设计水平年为2035年，工程供水保证率为95%。

需水总量主要由综合生活需水量、工业企业需水量和生态环境需水量构成。

综合生活需水量分为城市和农村两部分。现状年城区总人口10.85万人，乡镇人口4.82万人，合计15.67万人。根据《乌苏市城市总体规划》，远期乌苏市人口自然增长率为5‰。

根据实际居住人口的自然增长和机械增长确定总人口规模，计算公式：

Q总=Q常×(1+K)n+P·n

(1)

式中，Q总—总人口预测数，万人；Q常—常住人口现状数量，万人；K—规划期内人口年均自然增长率；P—规划期内人口年均机械增长数，万人；n—规划期长度，年。

经计算，可推测远期2035年，乌苏市人口可达到35.00万人，其中，城市人口29.83万人，农村人口5.17万人。城市人口用水定额取100L/(人·d)，农村用水定额取80L/(人·d)，日变化系数为1.3；考虑管网损失，水利用系数定位0.85。

城市人口需水量为2956.00万m3，农村人口需水量为426.93万m3，合计3382.94万m3。

工业需水量计算根据用地途径不同，采取不同的用水指标。经计算，工业最高日用水量约为7.9万m3/d，年用水量2212万m3。具体指标详见表1。

表1 工业日需水量计算

生态环境需水量主要包括绿化需水量、公共卫生需水量，根据《乌苏市城市总体规划(2018—2035)》确定城市公共绿地面积及道路面积，需水定额取0.20万m3/(km2·d)。经计算，年城市生态环境需水量为439.97万m3，规划年为2025年，日变化系数为1.3，具体指标见表2。经计算，2035年项目区范围内用水量为6034.91万m3。

表2 生态环境需水量表

3.2 水源选择

3.2.1 初选

(1)地下水。项目区地下水开采方式主要为机井，根据项目区的实际情况，地下水目前实行限制开采或禁止开采，用地下水取水方案，成本较高，且地下水无法完全覆盖项目区全部村镇。因此，本工程地下水方案不可行。

(2)地表水。乌苏市目前东片区输配水管网取水口为奎屯河老龙口电站，经暗渠输送至乌苏市调蓄池后，通过输水管网引入乌苏市三水厂。老龙口电站为9级水电站，多年平均净流量6.199亿m3。供水范围能够覆盖项目区，且满足水质及卫生要求。因此，本次工程将充分利用现有管网，初步选用奎屯河河水作为供水来源。

3.2.2 位置接口

目前，乌苏市供水路径为老龙口电站压力前池—调节蓄水池—三水厂—高位水池—用水户，其中调节蓄水池为注入式，库容253.00万m3，三水厂可供乌苏市城区及东部乡镇，供水能力12万t/d，高位水池容量为5000.00m3，供水范围可覆盖本项目所有区域。因此，工程水源接口位置选在高位水池处。

3.2.3 可引用水量计算

奎屯河径流的补给，主要靠冰川融水和天然降雨。基本代表站是将军庙水文站，年径流集中在6—9月，多年平均径流6.199×108m3。工程拟选取的取水口为老龙口电站。根据实测径流资料，经计算，它比将军庙站径流量少4.9%～13%，符合流域上下游用水情况。因此，采用老龙口电站的实测资料作为工程可引用水量的数据来源。根据老龙口电站1959—2005年实测资料，在保证率95%的条件下，年径流量约为14.5m3/s。其典型年为1961年，年均流量为14.5m3/s，年度月平均来水量见表3。

表3 95%保证率下典型年月平均来水量

由表3可知，最低月平均流量3.64m3/s在4月份，满足乌苏市分水协议流量2020年2.0m3/s及2030年3.0m3/s要求。

由以上数据可知，在保证率95%的情况下，最低引用水量为11479.1m3，可供水量为10905.1m3，满足项目区6034.9m3的供水需求。

3.3 供水方案比选

本工程水源地和供水区域地势高差大，优先选择重力自流供水，节能降耗[4]，同时结合本工程项目区的地形落差、运行工况、村庄分布，基于经济合理性，初步选取输配水结合方案与全配水方案2种方案进行比选，并以九间楼片区为例进行优缺点对比。

(1)输配水结合方案。九间楼片区主管道(一分干管)起点位于机场专线8+490处，机场专线管道起点位于5000m3高位水池处，机场专线管道处除需考虑机场专线供水外，还要考虑所涉行政村的供水需求。机场投入运行后，会与农村用水产生分配不均的问题，特别实在夏季用水高峰期。因此，需增设消能调节池，即位于一分管干管0+120处，调节池容积根据最高日供水量的20%～40%之间，确定为1000m3。经过消能调节池后，机场专线由输水管线变为配水管线。

(2)配水方案。九间楼片区起点及长度不变，沿线不设置减压池，高位水池至九间楼片区主管道末端高差约为170m，所需工作压力最小1.6MPa，最大3.0MPa。

经对比，输配水结合方案运行更安全，也能解决夏季用水高峰期用水分配不均问题。因此，选取输配水结合方案。2种方案对比情况，见表4。

表4 方案对比表

3.4 新建供水管线布置

因本工程结合供水系统现状，坚持宜大不宜小、宜集中不宜分散、宜联片不宜单村的原则[5]，管线布置总体思路是建设区域输水管网，充分利用原有设施[6]，尽量缩短线路长度，避免影响现有重要建筑物的作用和功能。满足3个原则：①供水安全、经济合理；②技术可行、施工方案；③统一规划、重点突出[7]。所以优先选择布置为总长度短，建设费用低，建设期短的树枝状管网形式现状管道主干管多为南北布置，最长76km，符合乌苏市整体地形南高北低的趋势，也满足重力自输水的基本要求。

工程管线布置多平行于老管线，依托各级公路，同时将项目区分为4个分区，由东向西分别为九间楼片区、皇宫镇片区、S258片区、西湖片区。

(1)九间楼片区主管道(一分干管)起点位于机场专线8+490处，全长35.42km，除支管布置受农田和水头影响需做少许改动，总体与老管线平行。

(2)皇宫镇片区主管道(二分干管)起点位于5000m3高位水池，全长42.39km，与老管线平行。

(3)S258片区主管道(三分干管)起点位于5000m3高位水池，全长112.74km。因改线之后原田间道路变为农田，现依据布置原则：管线布置需依附公路，做少许调整。

(4)西湖片区主管道(四分干管)起点位于城市管网末端，全长18.62m。整体布置沿顺坡，满足重力输水需求。四分干管及支管整体平行于老管线。

3.5 运行管理模式

建立完善运行管理机制是切实保障工程实现长期稳定运行的基础[8-9]。可借鉴目前国内外同类系统开发经验，结合国家水利信息化“五统一”要求，建立由基础设施监控—数据库存储—电子化监测管理及模型分析—数字化展示四位一体的信息管理平台。平台体系，见表5。

表5 乌苏市城乡一体化信息管理平台体系

(1)基础设施监控，主要通过水源地、水厂、输配水管网、用水户4个对象安装电子化设备，实现可视化、可控化、少人化管理，并提高水费计收率。

(2)数据库存储，主要对设施监控反馈的数据进行报送、查询、分析和汇总，作为业务应用的基础性支撑。

(3)电子化监测管理及模型分析，是通过分析汇总后的最终数据资料，第一时间发现供水体系的异常数据、预测潜在风险，确保整个系统安全运行，形成乌苏市人饮信息化业务应用平台。

(4)数字化展示，将乌苏市城乡供水一体化体系以数字化形式立体展现。

根据乌苏市人饮工程业务需求的实际体现，通过统一的平台架构及统一的技术标准，整合已建系统数据及功能，新建供水工程自动化监控、工程管理、水费管理、物资管理等主要业务应用。建成后，业务应用层覆盖乌苏市人饮工程管理全过程；通过管网水损分析模型、需水预测模型、管网爆裂检测模型，提高水利用率，减少水损，确保输配水安全。

4 结论

城乡一体化供水是实现农村饮水安全，提高民生福祉的重要举措，也是城市和农村供水实行统一的规划、建设和管理及实现城乡一体化的重要工作内容。乌苏市东片区目前存在供水管线老化、供水系统不满足城乡发展、管理方式落后等问题。本文通过合理的需水量计算，制定了以奎屯河河水为供水来源、三水厂的高位水池为取水位置、输配水结合的供水方案，同时以现有管网为基础布设新的管线，并充分考虑水利信息化发展要求，利用现代化科技手段，建立城乡供水一体化信息管理平台体系，可为类似地区的项目建设提供新思路。