城鄉(xiāng)供水一體化工程長(zhǎng)距離引水管線布置優(yōu)化方法

范財(cái)權(quán)，洪海華

(福建宏宇工程管理有限公司，福建 漳州 363000)

城鄉(xiāng)供水一體化是實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)融合發(fā)展的關(guān)鍵，通過(guò)供水一體化工程作為連接結(jié)構(gòu)，將農(nóng)村與城市有機(jī)融合為一個(gè)整體。因此，為了實(shí)現(xiàn)全局規(guī)劃和共同建設(shè)，以及城市未來(lái)發(fā)展需要，各個(gè)地區(qū)開始大力發(fā)展供水一體化工程。但由于在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，農(nóng)村與城市相比，無(wú)論是供水基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)質(zhì)量，還是工程技術(shù)等方面都相對(duì)薄弱，同時(shí)農(nóng)村居民引水不安全問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了農(nóng)村實(shí)現(xiàn)脫貧致富的步伐[1]。在城鄉(xiāng)供水一體化工程當(dāng)中，長(zhǎng)距離輸水工程是制約工程發(fā)展的主要原因。為了實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)快速融合發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域研究人員對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程進(jìn)行了深入的研究，并通過(guò)不斷實(shí)踐總結(jié)出當(dāng)前長(zhǎng)距離下城鄉(xiāng)供水一體化工程的特點(diǎn)包括：首先，水在運(yùn)輸過(guò)程中通常是以管道的形式密封流動(dòng)的，并且?guī)缀醪粫?huì)出現(xiàn)蒸發(fā)和污染問(wèn)題，可以更好的保證水量和水質(zhì)；其次，采用管道式引水方式能夠減少除泵站、各類管道閥門等永久占地之外，其他臨時(shí)用地的使用面積，進(jìn)一步減少工程周圍征地和拆遷量，因此能夠有效提高土地的利用率；最后，采用管道引水方式通常使用在工廠中加工而成的半成品，在施工現(xiàn)場(chǎng)只需要進(jìn)行開挖、下管和回填步驟即可，因此施工工期得到縮短[2]。基于上述管道引水方式的優(yōu)勢(shì)，以及現(xiàn)有城鄉(xiāng)供水一體化工程存在問(wèn)題，本文對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化工程長(zhǎng)距離引水管線布置優(yōu)化方法進(jìn)行研究。

1 城鄉(xiāng)供水一體化工程長(zhǎng)距離引水管線布置優(yōu)化方法

1.1 設(shè)置長(zhǎng)距離引水管線干管條數(shù)及引水口位置

對(duì)于城鄉(xiāng)供水一體化工程當(dāng)中的長(zhǎng)距離引水、輸水，其主要方式是通過(guò)壓力傳輸和重力傳輸兩種，而其中重力傳輸又可根據(jù)引水管線內(nèi)水流的具體特征分為無(wú)壓自流式和承壓滿管流式兩種[3]。在對(duì)引水管線布置時(shí)，需要考慮到管線在后期使用時(shí)的供水安全性。根據(jù)地下給水設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中的相關(guān)要求，以及城鄉(xiāng)供水一體化工程中引水路線較長(zhǎng)和布置經(jīng)濟(jì)性等方面的需要，采用以一條干管為主的引水管線。根據(jù)城鄉(xiāng)供水一體化工程項(xiàng)目需要，初步選定引水管線中管道的橫截面直徑為DN1500～DN2500范圍以內(nèi)。將一條干管引水管線與兩條干管引水管線的經(jīng)濟(jì)投資對(duì)比，兩條干管方案的建設(shè)成本每米高出2460元。同時(shí)，在城鄉(xiāng)供水一體化工程項(xiàng)目當(dāng)中需要確保更高的供水保證率，由于涉及農(nóng)村用水區(qū)，若具備充足的水源，則可以通過(guò)相互調(diào)劑的方式，進(jìn)一步提高供水保證率，可不考慮事故水量的安全儲(chǔ)水池要求。若不具備充足的水源，則需要從經(jīng)濟(jì)角度和供水保證率角度綜合對(duì)長(zhǎng)距離引水管線干管條數(shù)進(jìn)行選擇。對(duì)于城鄉(xiāng)供水一體化工程項(xiàng)目而言，由于其連接的兩個(gè)區(qū)域之間存在較大差異，因此不能全線依靠重力引水，應(yīng)當(dāng)結(jié)合加壓泵站的引水方式。針對(duì)城市區(qū)域滿足重力引水要求，則不需要加壓處理；針對(duì)農(nóng)村區(qū)域不滿足重力引水要求，則需要利用加壓泵站對(duì)引水管線進(jìn)行加壓處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)引水質(zhì)量的調(diào)節(jié)。

大部分城鄉(xiāng)供水一體化工程項(xiàng)目都是將水庫(kù)作為引水水源，根據(jù)工程項(xiàng)目建設(shè)需要以及供水需要，確定取水位置，并結(jié)合水庫(kù)周圍水下條件、施工條件、交通條件等對(duì)引水口位置進(jìn)行綜合分析[4]。同時(shí)，在選擇引水口時(shí)應(yīng)當(dāng)充分利用施工區(qū)域范圍內(nèi)的地形、地質(zhì)條件，盡可能地減少爆破工程量的產(chǎn)生，以此降低布置難度。除此之外，在選擇引水口時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到對(duì)周圍土地拆遷的影響，盡可能選擇不需要征地拆遷的區(qū)域，以此進(jìn)一步降低布置的難度，節(jié)約更多的工程投資成本。

1.2 計(jì)算重力流段最小引水管道直徑

在城鄉(xiāng)供水一體化工程項(xiàng)目當(dāng)中引水管線的布置投資占整個(gè)工程投資成本的六成以上，若對(duì)于引水管道直徑的選擇過(guò)大，則盡管水頭的損失減小，但仍然會(huì)進(jìn)一步增加泵站以及管線工程的造價(jià)。而對(duì)于引水管道直徑的選擇過(guò)小，雖然能夠在一定程度上減小城鄉(xiāng)供水一體化工程的初期投資成本，但會(huì)加大對(duì)水頭損失克服的難度，進(jìn)一步增加泵站運(yùn)行的費(fèi)用[5]。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，需要對(duì)重力流段的引水管線布置需要，對(duì)其管道直徑進(jìn)行計(jì)算。綜合南水北調(diào)等類似工程項(xiàng)目當(dāng)中采用糙率取值的分析經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合城鄉(xiāng)供水一體化工程項(xiàng)目的需要，將預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的糙率設(shè)置在0.0120～0.0135范圍以內(nèi)，將鋼管結(jié)構(gòu)的糙率取值設(shè)置在0.0120～0.0125范圍以內(nèi)。對(duì)于長(zhǎng)距離引水管線布置還需要充分考慮到在引水的過(guò)程中局部水頭的損失量，因此本文結(jié)合曼寧公式，對(duì)長(zhǎng)距離引水管線水頭損失量計(jì)算，其計(jì)算公式為：

(1)

式中，h—長(zhǎng)距離引水管線水頭損失量，m；v—引水管線內(nèi)水流流速，n/s；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m；l—長(zhǎng)距離引水管線長(zhǎng)度，m。

根據(jù)公式(1)完成對(duì)長(zhǎng)距離引水管線水頭損失量的計(jì)算，由于在實(shí)際應(yīng)用中引水管線的平面以及豎向轉(zhuǎn)折相對(duì)較多，并且沿線上含有多個(gè)不同閘閥結(jié)構(gòu)，且閘閥的規(guī)格無(wú)法統(tǒng)一，因此結(jié)合城鄉(xiāng)供水一體化工程需要，將其局部水損采用整體水損的15%進(jìn)行計(jì)算，將其代入到如下公式當(dāng)中，對(duì)總水頭的損失量進(jìn)行計(jì)算：

hf=(1+15%)×h

(2)

式中，hf—總水頭損失量，m 。再對(duì)公式(1)種的引水管線內(nèi)水流流速進(jìn)行計(jì)算，其公式為：

(3)

式中，Q—引水管線布置時(shí)設(shè)計(jì)流量, m3/s；D—引水管線的管道直徑，mm。

對(duì)于長(zhǎng)距離引水管線應(yīng)當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土材料管，針對(duì)部分可能穿過(guò)河道、公路以及地質(zhì)條件較差的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)采用鋼管。由于引水管線的管道主要以PCPP管為主，因此在對(duì)引水管道直徑設(shè)計(jì)時(shí)，主要針對(duì)PCPP管進(jìn)行[6]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程當(dāng)中對(duì)壓力輸水管道流速不得小于0.5m/s的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)引水管線路以及加壓泵站的布置位置，確定重力引水管道的長(zhǎng)度，再根據(jù)引水的規(guī)模，擬定選用單管直徑為DN2500/DN2500(第一組)、DN2500/DN2200(第二組)和DN2200/DN2200(第三組)的3種管徑組合方式，并按照上述公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，分析得出水力計(jì)算結(jié)果，見表1。

表1 三種不同管道直徑組合方式水力計(jì)算結(jié)果

綜合表1中的數(shù)據(jù)可以看出，三者單管流量、最大流速的數(shù)值相差較小，而水頭損失相差較大。3種管徑在相同的流速條件下，均能夠符合規(guī)范要求，但僅有第一組方案中的管道直徑設(shè)計(jì)在實(shí)際水力情況下能夠確保水頭的損失小于進(jìn)口和出口的水位差，并且充分符合重力引水的要求[7]。因此，為了能夠確保長(zhǎng)距離引水管線全線都能夠始終保持有壓重力流狀態(tài)，并且能夠保證管頂位置上存在一定的壓力幅度變化，選擇第一組D N2500/DN2500管道直徑組合方式。

1.3 加壓流段經(jīng)濟(jì)管徑選型優(yōu)化

針對(duì)長(zhǎng)距離引水管線上的加壓流段，在對(duì)經(jīng)濟(jì)管徑選擇時(shí)，采用經(jīng)濟(jì)流速法與動(dòng)態(tài)法相結(jié)合的方式，通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)管徑選型優(yōu)化，在確保符合供水要求的情況下，進(jìn)一步縮小引水管線布置投資成本。針對(duì)引水管線布置的初選階段，引入經(jīng)濟(jì)流速法，根據(jù)引水方式、管線選材等確定經(jīng)濟(jì)流速范圍，再通過(guò)對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化工程的水力計(jì)算，得出相對(duì)經(jīng)濟(jì)的管徑，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)管徑的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修正[8]，水力計(jì)算公式為：

(4)

式中，d—引水管線管道直徑,mm；Q—計(jì)算分析區(qū)域引水管線設(shè)計(jì)流量，m3/s；v—引水管線的經(jīng)濟(jì)流速，m/s。

根據(jù)上述公式(4)，在確定水力條件的情況下，在經(jīng)濟(jì)流速參數(shù)不斷變化的過(guò)程中，對(duì)引水管線管道的直徑可選擇范圍進(jìn)行確定。

再根據(jù)年值法和凈現(xiàn)值法對(duì)經(jīng)濟(jì)管徑參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，考慮到各類施工材料在布置時(shí)的資金、時(shí)間、價(jià)格的不同，將其通過(guò)一定方式，對(duì)不同管徑方案下的經(jīng)濟(jì)定量進(jìn)行比較，以此確定管徑。結(jié)合引水管線的建設(shè)費(fèi)用以及泵站的投資金額，對(duì)年運(yùn)行電費(fèi)現(xiàn)值計(jì)算。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)經(jīng)濟(jì)管徑的選型，還應(yīng)當(dāng)充分考慮到以下因素。首先，引水管線沿線上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作壓力都需要在管線材料標(biāo)準(zhǔn)公稱壓力范圍以內(nèi)；其次，所有經(jīng)濟(jì)管線的經(jīng)濟(jì)流動(dòng)都應(yīng)當(dāng)介于引水管線的不淤流速與最大可允許流速范圍之間；再次，在選擇加壓流段經(jīng)濟(jì)管徑時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能避免出現(xiàn)成本增加的情況[9]；最后，在完成引水管線布置后，應(yīng)在正常運(yùn)行過(guò)程中盡可能確保水泵始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)。由于考慮引水口的具體位置以及工程項(xiàng)目實(shí)際地形起伏特點(diǎn)的限制，還需要根據(jù)實(shí)際情況選擇加壓流段經(jīng)濟(jì)管徑。

1.4 長(zhǎng)距離引水管線及周圍附屬設(shè)施布置

根據(jù)本文上述內(nèi)容，完成對(duì)長(zhǎng)距離引水管線的相關(guān)參數(shù)設(shè)定后，需要根據(jù)城鄉(xiāng)供水一體化工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，對(duì)引水管線以及周圍附屬設(shè)施進(jìn)行布置。在對(duì)長(zhǎng)距離引水管線布置時(shí)，根據(jù)沿線勘探結(jié)果，結(jié)合本文上述選擇的DN2500/DN2500大口徑管道組合方案，在對(duì)管道的線路布置時(shí)，需要確保布局規(guī)劃合理，并且對(duì)土地開發(fā)和利用滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，盡可能確保管道的順直[10]。長(zhǎng)距離引水管線周圍附屬設(shè)施主要包括檢修閥和排氣設(shè)施。

針對(duì)檢查閥門的布置除了需要在長(zhǎng)距離引水管線的起始端和終端各安裝一個(gè)之外，為了能夠滿足長(zhǎng)距離引水管道在檢修時(shí)的隔斷和排水要求，應(yīng)當(dāng)在每隔5km位置上設(shè)置一個(gè)檢修閥門。例如，若引水管線管道全長(zhǎng)為10.0km，則應(yīng)當(dāng)在中途設(shè)置2個(gè)檢修閥門，加上起始段和終端，共4個(gè)檢修閥門?？紤]到在實(shí)際布置過(guò)程中，若存在管橋結(jié)構(gòu)，并且管橋結(jié)構(gòu)的位置適當(dāng)，也可以利用管橋代替檢修閥門。因此，在實(shí)際布置過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際工程情況對(duì)管橋合理利用，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修閥門位置以及數(shù)量的優(yōu)化，在滿足長(zhǎng)距離引水管道使用需要的前提條件下，盡可能地節(jié)省更多的工程造價(jià)成本。

針對(duì)排氣設(shè)施的布置應(yīng)當(dāng)在長(zhǎng)距離管線最高隆起位置以及平直段上，當(dāng)前常規(guī)排氣設(shè)施將排氣閥下端手動(dòng)操作與閥門連接，并將其安裝在排氣三通上。為實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣設(shè)施結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，將配氣設(shè)施的位置安裝在三通，并在法蘭蓋板上引入一個(gè)手動(dòng)閥門后，再將排氣閥安裝。排氣設(shè)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)距離引水管線上排氣設(shè)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

將優(yōu)化后的長(zhǎng)距離引水管線上排氣設(shè)施安裝在引水管線上，并將其作為進(jìn)口管道的通道結(jié)構(gòu)。在對(duì)該引水管線維護(hù)時(shí)，可將其作為檢修孔。同時(shí)，在檢修過(guò)程中，排氣設(shè)施直接充當(dāng)臨時(shí)排水口，方便引水管線的施工維護(hù)和檢修。

2 優(yōu)化前后對(duì)比

通過(guò)本文上述論述，實(shí)現(xiàn)了城鄉(xiāng)供水一體化工程長(zhǎng)距離引水管線布置的理論優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的管線布置方案是否能夠解決常規(guī)管線布置存在的問(wèn)題，本文選擇以某工程實(shí)例作為依托，針對(duì)該工程常規(guī)管線布置情況與按照本文布置方案布置后的情況進(jìn)行對(duì)比分析。本文選擇的工程實(shí)例為龍河口水庫(kù)引水工程，起點(diǎn)為龍河口水庫(kù)，引水管線全長(zhǎng)68.2km，充分覆蓋周邊城市和農(nóng)村，為其提供水源。根據(jù)該地區(qū)地形和地勢(shì)特點(diǎn)，在充分考慮安全用水需要的基礎(chǔ)上，引入壓力管道引水，工程整體由引水管道、加壓泵站等結(jié)構(gòu)組成。在兩種布置方案中隨機(jī)選擇7個(gè)不同節(jié)點(diǎn)，并將其分別編號(hào)為1～7，針對(duì)其節(jié)點(diǎn)高程進(jìn)行記錄，并將通過(guò)本文優(yōu)化方法優(yōu)化后的布置方案接點(diǎn)水頭以及最低允許水頭進(jìn)行記錄，結(jié)果見表2。

表2 引水管線節(jié)點(diǎn)高程與水頭值記錄表

從表2中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的引水管線布置方案在實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)管徑標(biāo)準(zhǔn)，并且數(shù)值與管網(wǎng)壓力需求的節(jié)點(diǎn)水壓值對(duì)應(yīng)，在滿足城鄉(xiāng)供水一體化工程所需的同時(shí)，進(jìn)一步節(jié)約了建設(shè)投資成本。按照本文上述提出的優(yōu)化布置方案能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離引水管線全局最優(yōu)。同時(shí)，將本文優(yōu)化布置方案應(yīng)用到龍河口水庫(kù)引水工程當(dāng)中，其批復(fù)的設(shè)計(jì)方案工程措施計(jì)劃投資金額為162.14萬(wàn)元，而實(shí)際投資僅用了138.89萬(wàn)元，減少了23.25萬(wàn)元。其主要原因是，在實(shí)際施工過(guò)程中，在對(duì)引水管線干管條數(shù)、最小引水管道直徑選擇時(shí)，根據(jù)實(shí)際地形情況需要，從兩條干管減小到了一條干管，將原本方案當(dāng)中的DN2200/DN2200管徑組合方式改為了DN2500/DN2500管徑組合方式。同時(shí)，根據(jù)地形特點(diǎn)，在管線布置周圍引入了其他附屬設(shè)施，并將其進(jìn)行合理安置。因此，綜合上述優(yōu)化內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化工程長(zhǎng)距離引水管線布置優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

在充分考慮到城鄉(xiāng)供水一體化工程中水資源總量和水質(zhì)情況，以及當(dāng)前農(nóng)村供水現(xiàn)狀等因素對(duì)長(zhǎng)距離引水管線布置質(zhì)量和效果影響的基礎(chǔ)上，本文對(duì)布置進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的布置方案引入到實(shí)際工程項(xiàng)目當(dāng)中，以期為提高城鄉(xiāng)供水一體化工程長(zhǎng)距離引水管線布置水平提供一定幫助。但未來(lái)長(zhǎng)距離大口徑引水工程還將不斷增加，面臨的問(wèn)題也將逐漸復(fù)雜，而且本文設(shè)計(jì)方法未對(duì)工程的特殊性進(jìn)行分析，導(dǎo)致其無(wú)法適用于特殊的工程中，因此必須從更深層次對(duì)其進(jìn)行研究?；诖?，在后續(xù)研究中，還將根據(jù)具體工程的特殊性對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行更詳細(xì)、深入的分析。