镇坪县老城区供水管网改扩工程优化设计分析

安慧琳，薛 松

(陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710018)

1 工程概况

镇坪县位于安康市东南，大巴山北侧腹地，全县区域总面积1 503 km2，境内山冈连绵，峰岭叠嶂，大巴山主脊横亘县境南部，南江河纵贯南北，将全县切割为东西两半，形成“两山夹一谷”的地貌。

镇坪县老城区现状供水管网分布于所有街道和主要巷道，老城区老供水管道多为八十年代中期建设，管材为灰口铸铁管，现状供水管道老化，供水安全性较差。供水设施依旧是七八十年代建设，经常维修效率低，运行成本高。配水管网少，管径小，供水普及率低，安全可靠性差，从2006年开始县城管网陆续改造，原灰口铸铁陆续更换为PE管道及钢管，然而国心北路段(南江河左岸)、文彩路段、竹溪河路段、曙河路段、下新路段及南江路段等管段目前依然存在腐蚀老化、漏失严重、多次修补、供水可造性差等问题，严重影响当地居民的用水安全性。基于此，本文围绕镇坪县老城区供水管网改扩方案展开了优化设计分析。

2 供水水源选择

目前镇坪县城区供水由小河净水厂承担，以石砦沟做水源。小石砦沟水源地随着上游居民日益增多，且上游规划有三道门森林公园开发，旅游等人类活动将大幅增加，存在污染风险；同时石砦沟水域2008年出现不明“线虫”，且近年多有出现。而小曙河流域(在建曙河净水厂水源)上游人烟稀少，植被良好，坝址以上住户少，无工业污染，下游地势逐步开阔，人口较为分散，沿河左岸有村级便道相通，沿线分布农田较少，主要为坡地和荒坡，河水水质良好。

小河净水厂规模为3 500 m3/d，曙河净水厂目前正在紧张建设中，供水规模为8 000 m3/d。因此本文对镇坪县城供水方式考虑如下：曙河净水厂建成后由其负责老城区及文采新区供水，小河净水厂作为补充及应急供水，在曙河水厂检修或突发供水时间，小河净水厂与曙河净水厂同时对老城区及文采新区供水，可满足镇坪县城居民用水需求。

曙河水质优良，各项指标均满足“集中供水的生活饮用水”水源要求；近期石砦沟水源经工程措施处理后，各项指标也均满足“集中供水的生活饮用水”水源要求。

3 工程规模

供水工程优化设计任务主要为改造管线7.54 km，其中国新路1#管线454 m，下新路2#管线287 m，南江路3#管线204 m，曙河路4#管线1 885 m，竹溪河路5#管线1 214 m，入户支管3 080 m，消防支管412 m，污水管道60 m，配套建设管网检修井、消火栓、镇墩等设施，供水对象为镇坪县城居民生活用水。

4 蓄水量计算及供水规模

根据供水范围的用水标准及人口预测情况，分析计算得出受水区设计水平年总需水量为172.73万 m3，具体计算成果见表1。

表1 镇坪县2025年需水量计算表

供水量采用高日高时：Qh=Qd·kh=(8 000/24)×1.2 =400(m3/h)。

确定县城高日高时供水规模为400 m3/h。

5 优化设计方案

5.1 管材选择

针对表2中的三种输水管材的优缺点比较，并结合本供水工程的重要性、施工、运行管理、投资、地形、地质条件综合分析，本次设计配水管道推荐采用聚乙烯管，污水管道采用硬聚氯乙烯PVC-U管。

表2 输水管材性能比较表

5.2 管径选择

5.2.1 计算公式

根据《室外给水设计标准》(GB 50013-2018)进行水力计算，公式为：

总水头损失h=hy+hj=hy(局部水头损失hj忽略不计)

式中：i为管道单位长度的水头损失(水力坡降)(m)；l为输水管道长度(m)；hy为管道沿程水头损失；hj为管道局部水头损失；q为设计流量(m3/s)；dj为管道计算内径(m)；Ch为海曾-威廉系数。

5.2.2 计算理论及说明

镇坪县城管网平差计算分为两种情况：(1)设计工况：曙河水厂单独供水，供水规模按照设计需水量8 000 m3/d；(2)校核工况：小河、曙河水厂同时供水，供水规模按照设计需水量8 000 m3/d。

本工程由净水厂取水，供水规模8 000 m3/d，根据《室外给水设计标准》，最大时变化系数选1.2，配水管网设计流量按最不利情况下最高日最大时供水量111.11 L/s设计。再根据管网平差计算确定各段管道的设计流量、节点压力等参数；并按事故情况下最高日最大时供水量的70%校核，同时对消防工况进行校核；该管网工程只考虑从净水厂供水，网内不设调节构筑物，则最大转输时这种工况不会发生，故本次不做最大转输情况的管网平差计算。

5.2.3 计算结果

1)设计工况：曙河水厂供水(8 000 m3/d)：

(1)一般工况设计：最不利点校核

一般工况即在正常情况下，达到设计水平年2025年工程区7 957 m3/d供水规模的配水要求。此时，配水管网应满足家属区最高日最高时用水量，即最大时情况设计配水流量185.2 L/s。其中JS1为185.2 L/s。

本次设计采用海曾-威廉公式进行平差计算的最不利点校核，计算温度采用13°，局部损失忽略不计。计算公式如下：

V=0.44*C*(Re/C)^0.075*(g*D*I)^0.5

式中：Re=V*D/v；v=0.000 001

水压最低点为节点JS17，其压力为923.46 m；自由水头最低点为JS6，其自由水头为53.67 m。

由计算结果可知，最不利校核符合要求。

(2)事故工况校核

镇坪县城设计供水规模为8 000 m3/d，根据规范要求，配水管网中任意一段管道发生事故时，实际供水能力应达到正常情况下的70%，即事故工况城区供水规模为Q=8 000×70%=5 600 m3/d，则本次配水管网按事故工况进行校核，校核采用的事故流量为正常工况设计流量185.2 L/s的70%，即Q设为77.777 L/s。其中JS1为77.777 L/s。

本次事故管道选用JS3—JS24。事故校核平差计算仍采用海曾-威廉公式，计算公式与各项基础参数同最不利点校核，在此不再赘述。

水压最低点为节点JS17，其压力为934.91 m；自由水头最低点为JS6，其自由水头为50.08 m。

(3)消防工况校核

经预测及统计，设计水平年2025年镇坪县城总人数为2.56万人，本次着火点取2处，一起火灾灭火设计流量按30 L/s计算。

消防水头：按户外消火栓所需水头考虑，计为10 m。

水源点JS1节点流量为171.11 L/s，水源点压力为959.85 m。水压最低点为节点JS17，其压力为895.58 m；自由水头最低点为JS8，最低点自由水头为25.26 m。

以上各种工况的计算结果，从运行来看，供水水压和水量可保证用户要求。通过计算确定镇坪县城配水管线管径见表3。

表3 配水管线管径计算成果表

2)校核工况：小河、曙河水厂同时供水(8 000 m3/d)：

(1)一般工况设计：最不利点校核

一般工况即在正常情况下，达到设计水平年2025年工程区8 000 m3/d供水规模的配水要求。此时，配水管网应满足家属区最高日最高时用水量，即最大时情况设计配水流量111.11 L/s。其中水源点1(小河水厂)JS1为48.6 L/s，水源点2(曙河水厂)JS7为62.5 L/s。

本次设计采用海曾-威廉公式进行平差计算的最不利点校核，计算温度采用13°，局部损失忽略不计。计算公式如下：

V=0.44*C*(Re/C)^0.075*(g*D*I)^0.5

式中：Re=V*D/v；v=0.000 001

水压最低点为节点JS21，其压力为937.29 m；自由水头最低点为JS1，其自由水头为32.163 m。

由计算结果可知，最不利校核符合要求。

(2)事故工况校核

镇坪县城设计供水规模为8 000 m3/d，根据规范要求，配水管网中任意一段管道发生事故时，实际供水能力应达到正常情况下的70%，即事故工况城区供水规模为Q=8 000×70%=5 600 m3/d，则本次配水管网按事故工况进行校核，校核采用的事故流量为正常工况设计流量111.11 L/s的70%，即Q设为77.77 L/s。其中JS1为34.02 L/s，JS7为43.75 L/s。

本次事故管道选用JS4—JS5。事故校核平差计算仍采用海曾-威廉公式，计算公式与各项基础参数同最不利点校核，在此不再赘述。

水压最低点为节点JS21，其压力为945.13 m；自由水头最低点为JS1，其自由水头为32.163 m。

由计算结果可知，事故工况校核符合要求。

(3)消防工况校核

着火点的选择及消防流量的选取：根据《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974—2014)规定，城镇市政消防给水设计流量，应按同一时间内的火灾起数和一起火灾灭火设计流量经计算确定。

经预测及统计，设计水平年2025年镇坪县城总人数为2.56万人，依据《消防给水及消火栓系统技术规范》本次着火点取2处，一起火灾灭火设计流量按30 L/s计算。

消防水头：按户外消火栓所需水头考虑，计为10 m。

水源点1(小河水厂)JS1节点流量为78.6 L/s，水源点压力为955.11 m；水源点2(曙河水厂)JS7节点流量为92.5 L/s，水源点压力为959.85 m。水压最低点为节点JS21，其压力为929.14 m；自由水头最低点为JS1，最低点自由水头为32.16 m。

以上各种工况的计算结果，从运行来看，供水水压和水量可保证用户要求。通过计算确定镇坪县城配水管线管径见表4。

一般工况设计：最不利点校核，水压最低点为节点JS21，其压力为937.29 m；自由水头最低点为JS1，其自由水头为32.163 m。

事故工况校核，水压最低点为节点JS21，其压力为945.13 m；自由水头最低点为JS1，其自由水头为32.163 m。

消防工况校核，水源点1(小河水厂)JS1节点流量为78.6 L/s，水源点压力为955.11 m；水源点2(曙河水厂)JS7节点流量为92.5 L/s，水源点压力为959.85 m。水压最低点为节点JS21，其压力为929.14 m；自由水头最低点为JS1，最低点自由水头为32.16 m。

从以上两种供水方式来看，各种工况的计算结果，水压和水量均可保证所有用户要求。

5.3 管道结构

管道设计内水压力按最大工作压力P计算确定，塑料管设计内水压力为1.5倍最大工作压力，设计管线采用PE100级，管道设计压力见表4。

表4 管径及管压选择

5.4 管道埋设

5.5 阀件及阀井

为确保管线正常运行、日常维修和事故抢修及供水工程的调度管理，沿配水管线设阀门等附件和阀门井等附属构筑物，主要包括排气阀、泄水阀、检修阀、减压稳压阀、泄压阀等，阀门井为砖砌结构。

5.6 消火栓

本次采用生活、消防共用的给水系统，即室外市政消火栓直接从给水管网中接管取水，消火栓应布置在人行道上，按间距不大于120 m布置，并尽量靠近道路交叉口。本次所有管线均采用室外地下式消火栓(SA100/65-1.6)。

6 结语

为保障提供安全、可靠、稳定的水量给镇坪县城区用水对象，镇坪县老城区现存的灰口铸铁等管道亟需优化改造，管道更换既需要进行合理的供水规模确定，又需要对整个城区管网进行优化分析计算。因此进行城区整体供水多工况的管网平差分析意义重大，通过研究不同水源情况下管网的运行状态，从而合理确定供水管道及其附属建筑物，达到建设完善城区供水管网，增强供水保障能力的目的。