農(nóng)村供水工程馬鞍形管道配水技術(shù)的研究與應(yīng)用

楊靜宗1 楊在華 尹自萍

(1.保山學院大數(shù)據(jù)學院，云南 保山 678000；2.云南省施甸縣水務(wù)局，云南 施甸 678200)

1 概 述

水既是自然界一切生命的重要基礎(chǔ)，也是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)之一。在我國的山區(qū)農(nóng)村，普遍存在供水保障率低等問題[1-3]，這與全面建成小康社會和城鄉(xiāng)基本公共服務(wù)均等化的要求不相適應(yīng)。因此，保障農(nóng)村飲水安全是一項長期的任務(wù)。云南省施甸縣酒房鄉(xiāng)抗旱應(yīng)急供水工程(以下簡稱酒房鄉(xiāng)供水工程)，采用馬鞍形管道配水技術(shù)，解決了山區(qū)因地形高差大形成的供水管網(wǎng)“低處供水保障率高、高處供水困難”的技術(shù)瓶頸問題，實現(xiàn)了聯(lián)村、連片供水，并有效提高了水資源的利用率。

2 基本情況

酒房鄉(xiāng)位于云南省施甸縣西南部，怒江東岸，地處滇西橫斷山脈南段，其地勢東高西低，屬低中山陡坡地形，以構(gòu)造剝蝕堆積地貌為主。其氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L氣候，具有冬春干燥、夏秋濕潤、冬無嚴寒、夏無酷暑、干濕季分明的氣候特點。每年11月—次年4月，在高空強盛大陸性干燥偏北氣流的控制下，晴朗少雨，光照充足，蒸發(fā)量大。由于受西南暖濕氣流的影響，每年5—10月氣溫較高、雨量充沛、降水日數(shù)增多。年均降雨量為998.4mm，降雨量空間分布不均，且山區(qū)大于壩區(qū)。該鄉(xiāng)面積317.95km2，最高海拔2600m，最低海拔600m，自然落差2000m，屬典型的山區(qū)貧困鄉(xiāng)。全鄉(xiāng)轄10個村、166個村民小組、380個自然村。至2019年末，總?cè)丝?6212人，其中少數(shù)民族(彝、布朗、回、白、傣、佤族)共計3238人。由于降雨量空間分布不均，徑流豐枯變化大，造成該鄉(xiāng)人畜飲水十分困難。存在的主要困難如下：生活飲用水水源豐枯變化大，水量得不到保障，枯季依靠人挑馬馱運水；居住地分散不集中，地形高差大，工程性缺水嚴重；供水工程運行管理困難。

3 供水工程運行現(xiàn)狀

該鄉(xiāng)農(nóng)村供水工程規(guī)模較小，水源季節(jié)性變化較大，輸水干管與配水主管壓力、流量、流態(tài)也隨之發(fā)生變化。當實際供水量不小于設(shè)計供水量時，輸水干管與配水主管處于滿管恒定流。當實際供水量小于設(shè)計供水量時，輸水干管與配水主管處于非滿管，導致農(nóng)村供水工程低處供水保障率高、高處供水困難，飲水安全得不到保障，山區(qū)優(yōu)為突出。

居住地高的居民通常采用以下方法解決飲水困難：源頭分配水量，架設(shè)多條供水管道；分級增設(shè)高位水池，緩解供水困難；增設(shè)控制閘閥進行分區(qū)分片供水。

4 馬鞍形管道配水技術(shù)

4.1 基本原理

傳統(tǒng)方法中，農(nóng)村供水工程管網(wǎng)的輸水干管與配水主管采用異徑三通配水，由直線方向同徑兩通承擔干管供水，垂直方向管徑較小的異徑一通承擔配水主管供水。在重力的作用下，水由高處往低處流。自然落差越大，流速越快，且自然形成輸水干管水流方向流量、壓力優(yōu)于配水主管。相反垂直方向的異徑一通配水主管由于90°側(cè)向進水，垂直方向流量系數(shù)會低于水平方向，使得水頭損失增大。當實際供水量小于設(shè)計供水量時，輸水干管與配水主管處于非滿管狀態(tài)，會導致配水主管流量、壓力低于輸水干管。低處用水戶水壓、流量較高處用水戶大，造成了“低處供水保障率高、高處供水困難”的現(xiàn)象。

馬鞍形管道配水技術(shù)利用同徑三通調(diào)整水流方向、壓力、流量和流態(tài)，并將壓力、流量、流態(tài)穩(wěn)定的直線方向由干管輸水調(diào)整為配水主管輸水。當配水主管延長不小于0.5m時，將進行變徑。配水主管的變徑將根據(jù)供水量、落差分析計算來選定。垂直方向一通承擔干管輸水，并將垂直方向一通輸水干管制安為反向U形。由于形狀似騾馬馱運的馬鞍形狀，故稱之為馬鞍形管道。

馬鞍形管道主要由同徑三通、彎頭、內(nèi)接、活接等構(gòu)成。同徑三通是核心，其主要功能是實現(xiàn)由輸水干管轉(zhuǎn)換為配水主管，由垂直向馬鞍形管道承擔干管輸水的功能。馬鞍形管道增加一定高度的主要原因是：當輸水干管處于非滿管狀態(tài)時，滿足配水主管滿管流態(tài)，使配水主管壓力、流量、流態(tài)穩(wěn)定。根據(jù)酒房鄉(xiāng)供水工程經(jīng)驗，高度根據(jù)配水主管高位水池的地形地貌選定，一般以1.0～3.0m為宜。當?shù)匦纹骄?、相對高差較小時取小值，反之取大值。

馬鞍形管道配水技術(shù)將同徑三通與高位水池進行了有機結(jié)合。當配水主管的最高用水戶所處地理位置低于輸水干管與配水主管交叉點時，配水主管依據(jù)地形、地貌由高至低分設(shè)支管、高位水池，同時高位水池設(shè)浮球閥。當配水主管最高用水戶所處地理位置高于輸水干管與配水主管交叉點時，須滿足高位水池自由水頭不小于2.0m。此時，應(yīng)根據(jù)輸水干管與配水主管交叉點的水力計算結(jié)果，并結(jié)合當?shù)貙嶋H的地形、地貌調(diào)整輸水干管與配水主管交叉點位置，然后由高至低分設(shè)支管、高位水池。

馬鞍形管道配水技術(shù)雖然增加了水頭損失，但保證了最高用水戶的供水壓力、流量。同時，實現(xiàn)了高處優(yōu)先供水，提高了水資源利用率。增加的水頭損失對于垂直落差較大的農(nóng)村供水工程影響較小。

4.2 馬鞍形管道的制作與安裝

酒房鄉(xiāng)供水工程針對山區(qū)居住地分散、垂直高差大等自然地形、地貌特點，選擇典型片區(qū)開展分級減壓調(diào)控、分級增設(shè)高位水池等試驗研究，并采用了馬鞍形管道配水技術(shù)。通過典型片區(qū)試驗，該技術(shù)解決了“低處供水保障率高、高處供水困難”的技術(shù)難題。

馬鞍形管道配水技術(shù)即在輸水干管與配水主管連接處設(shè)同徑三通，將輸水干管制安為馬鞍形狀。同時，結(jié)合當?shù)氐匦尾贾酶呶徽{(diào)節(jié)水池。該技術(shù)解決了居住地不集中、用水點分散、垂直落差大造成的“低處供水保障率高、高處供水困難”的供水技術(shù)難題，科學合理地分配水資源，提高了水資源利用率，保障了人民群眾的飲水安全。馬鞍形管道實物和平面、立面分別見圖1、圖2和圖3。

圖1 馬鞍形管道

圖2 馬鞍形管道平面

圖3 馬鞍形管道立面

圖2和圖3中各標號的含義為：1—無縫鋼管、2—同徑三通、3—無縫鋼管、4—無縫鋼管、5—彎頭、6—內(nèi)接、7—活接、8—內(nèi)接、9—彎頭、10—無縫鋼管、11—彎頭、12—無縫鋼管、13—變接、14—無縫鋼管；Di為輸水干管，管徑依據(jù)干管設(shè)計輸水流量選定；Dj為配水主管，管徑依據(jù)配水設(shè)計流量選定。

4.3 主要優(yōu)勢

農(nóng)村供水工程規(guī)模較小，供水系統(tǒng)工藝流程一般都較簡單。其主要供水工藝流程為將原水凈化處理后，通過調(diào)節(jié)構(gòu)筑物供水。根據(jù)當?shù)氐牡匦蔚孛膊捎脴渲罟芫W(wǎng)布置，管徑根據(jù)規(guī)劃設(shè)計選定。傳統(tǒng)管道架設(shè)采用異徑三通，配水主管管徑小于輸水干管管徑，運行中時常發(fā)生低處用水戶保證率優(yōu)于高處用水戶，且高處用水戶飲水得不到保障的問題。加之無縫鋼管允許壓力不大于4.0MPa，一般易造成低處用水戶管件受損，部分管段因靜壓太大爆管等。

馬鞍形管道配水技術(shù)主要有以下優(yōu)點：節(jié)約投資，鍍鋅管選用普通的20碳鋼材質(zhì)，無須因高落差壓力大選擇12CrMo、15CrMo等特殊材質(zhì)；提高了水資源利用率，供水以高處用水戶優(yōu)先，實現(xiàn)了公平用水；制作安裝工藝簡單，只需普通的同徑三通、彎頭、活接、直接，無須特殊加工工藝；管理運行方便，無須人工控制閘閥調(diào)配供水；人民群眾滿意度高，提高了群眾的節(jié)水意識。馬鞍形管道配水技術(shù)的主要特點見表1。

表1 馬鞍形管道配水技術(shù)

4.4 應(yīng)用效果

酒房鄉(xiāng)供水工程水處理廠址最高海拔2210m，最低用水戶海拔750m，垂直落差1460m。架設(shè)管道總長1035.7km，其中，引水管道長70.2km，輸水干管長315.0km，配水管網(wǎng)長650.5km。采用同徑三通配水技術(shù)，解決了山區(qū)鄉(xiāng)村供水調(diào)度和運行管理技術(shù)難題，實現(xiàn)了鄉(xiāng)村互聯(lián)、聯(lián)村、連片供水。

5 結(jié) 語

馬鞍形管道配水技術(shù)，應(yīng)用于酒房鄉(xiāng)供水工程，構(gòu)建了從“水源頭”到“水龍頭”的安全可靠的農(nóng)村供水工程管理體系，實現(xiàn)了鄉(xiāng)村供水一體化、同質(zhì)同服務(wù)。使該鄉(xiāng)農(nóng)村自來水普及率達100%，集中供水率達99%，供水保證率達98.5%，讓全鄉(xiāng)人民群眾喝上了安全水、放心水。該工程經(jīng)過3年多的運行，有效提高了水資源利用率，并取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。