典型农村供水工程设计与评价——以翁源县礤下片供水工程为例

吴世辉

（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 韶关 512000）

1）地形地貌。工程区位于翁源县西南面，地势总体为自东南向西北倾斜，地形地貌主要包括低山丘陵和冲积平原两个地形地貌单元，冲积平原与丘陵山地交错，天然植被基本覆盖各山体，局部受人为因素的影响，存在少量水土流失，土壤侵蚀以水力侵蚀为主，侵蚀方式为面状侵蚀和沟状侵蚀。

2）地层岩性。根据区域地质资料及工程地质测绘，区内地层发育较为完整，自新到老地质年代有：第四系冲洪积层、石炭系、泥盆系及燕山早期第三阶段地层。

3）水文地质条件。区域内地下水类型主要赋存于第四系土层内的孔隙水以及赋存于基岩中的基岩裂隙水，地下水主要为大气降雨补给，由山体向河流排泄。

根据W p=0.1h p F（万m3），式中：h p为年径流深（mm），F为集雨面积（km2），0.1为单位换算系数。各水源点多年平均径流量见表1。

表1 水源点多年平均径流量

供水水源均为山溪水，水源点集雨面积合计为2.06 km2。包括上山坑，坝址以上集雨面积为0.41 km2；
天光脑，坝址以上集雨面积为1.04 km2；
牧牛坪，坝址以上集雨面积为0.61 km2。根据水源取水点位置、受益行政村的分布及结合建设单位的意见，在礤下村背后的山坡上新建水厂，原水经输水管输水至水厂，经净水设备净化消毒后，进入清水池，最后由清水池经配水管网输送至各个自然村供水点，如图1所示。

图1 翁源县全域供水工程平面布置图

供水工程生活需水预测需根据供水范围内现状受益人口数和规范要求，结合当地经济发展情况，考虑人口自然增长率及城镇化率等因素，预测规划水平年受益人口数及需水量。本工程项目是为解决周陂镇礤下片居民的生活用水，受益供水人口15 760人。供水人口按下式计算：

p=p0（1+r）n+p1

式中 p0——各供水范围内的现状常住人口数（人）；

r——设计年限内人口自然增长率，本县取5.75‰；

n——工程设计年限（年），本次取10年；

p1——设计年限内人口机械增长总数。

居民生活用水量计算公式：

式中 w——居民生活用水量（m3/d）；

p1——设计用水居民人数（人）；

q——最高居民日生活用水定额（L/人·天）

根据以上径流计算和需水量计算，对本工程进行供需平衡分析。采用P＝95%的枯水年的年径流量进行水量平衡计算。本供水工程水量平衡不考虑河道生态流量。经水量平衡分析计算，全年上山坑径流总量21.60万m3、天光脑径流总量54.80万m3、牧牛坪径流总量32.10万m3，可用水量共计108.50万m3，月供水水量30.28万m3，剩余水量78.22万m3，水厂水源点来水能满足用水需求。根据需水量计算，本工程最高日供水量为1 261.76 m3/d，故拟建水厂，设计供水规模确定为1300 m3/d。

根据供水规模，拟新建取水陂3座，新建水厂1座（包含550 m3清水池1座，管理房1座、净水设备1套及其附属建筑物）及敷设供水管网44.18 km。本工程水厂设计供水规模为1 300 m3/d。

本工程在上山坑、天光脑及牧牛坪新建取水陂取水，水源均为山溪水，坝址区域内植被良好，无污染源，水质良好。工程涉及供需水量平衡分析、水陂取水和水厂厂区工程、净水工程、输配水工程以及管道铺设等供水工程体系设计。

3.1 取水陂设计

本工程新建取水陂3座。陂头基础置于弱风化花岗岩上。新建水陂陂身材料为C20埋石混凝土，陂高1.5 m，埋深0.8 m，陂后坡比1∶0.8，在陂后设置钢筋混凝土消力池，根据实际需要设置简易冲沙口0.8 m×0.7 m（宽×高），新建水陂导墙墙身材料为C20埋石混凝土，墙高1.7 m，埋深0.4 m。见图2。

图2 取水陂剖面图

本次计算选取天光脑水源点新建水陂为例进行过流计算。水陂为全开敞式溢流坝，可直接利用堰流公式计算该溢流堰的泄流能力：

式中 σs——淹没系数；

m0——流量综合系数，按折线形式用堰的流量系数表取值；

B——溢流堰净宽；

H0——堰顶水头，取H0=H+v02/2g。水陂水位流量关系曲线见图3。

图3 水陂水位～流量关系曲线

由于水陂所在地为“V”形河谷，新建水陂导墙沿两岸山体布置，防止水陂两岸土体滑落对水陂造成影响，不影响水陂过流。

本工程水陂形式为曲线型实用堰，需进行坝基面抗滑稳定与应力计算复核。本次设计按抗剪强度公式进行水陂的抗滑稳定安全系数与应力的计算：

①抗剪强度的计算公式：

式中 f——陂体与陂基接触面的抗剪摩擦系数；

∑W——垂直力总和；

∑P——水平力总和；
坝基面抗滑稳定安全系数K值应不小于1.20。

②陂体陂面垂直正应力公式：

式中 σyu——上游面垂直正应力（kPa）；

σyd——下游面垂直正应力（kPa）；

B——坝体计算截面沿上下游方向的水平宽度（m）；

ΣW——作用于坝段上或1 m坝长上全部荷载（包括扬压力，下同）在坝基截面上法向力的总和（kN）；

ΣM——作用于坝段上或1 m坝长上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和（kN·m）；

水陂稳定计算选取两种工况（相对高程）：工况一，坝前正常水位为0.7 m，下游正常水位为0.5 m；
工况二：坝前设计水位为1.7 m，下游设计水位为1.2 m，计算坝基面抗滑稳定与应力计算。见表2。

表2 坝基面抗滑稳定与应力计算

由上述计算结果可知，水陂设计抗滑稳定满足规范要求；
陂趾的应力小于坝基允许压应力，水陂应力情况满足规范要求。

3.2 水厂厂区工程设计

新建水厂厂区地坪高程为238.0 m，水厂主要建筑物包括净水设备基础、清水池、消毒房、加药房及附属建筑物等。净水设备基础尺寸为9.4 m×7.7 m，采用C25钢筋混凝土浇筑，基础厚度为350 mm。清水池总高度为6.05 m，埋深为3.0 m。清水池池壁及底板均采用C25钢筋混凝土浇筑。见图4。

图4 清水池剖面图

需对水厂厂区靠山体内侧开挖形成的边坡、靠山体外侧回填形成的边坡进行防护处理。厂区附属工程主要包括厂区挡墙、排水沟、围墙及厂区大门等主要建筑物。挡墙靠山体侧开挖边坡布置，设计形式为仰斜式挡土墙，挡墙采用C20混凝土浇筑，具体结构形式见图5。

图5 挡墙剖面图

根据挡墙断面布置情况，选取挡墙最不利断面进行稳定性计算，工况为完建期工况和非常运用工况，计算结果如表3。

表3 挡墙稳定与应力计算

从表3可见该挡墙断面稳定满足规范要求。

3.3 净水工程设计

本工程主要采用一体化净水设备对源水进行净水处理，净化后的清水进入清水池，采用次氯酸钠装置对清水进行消毒，消毒之后经配水管网输送至用户，净水器处理规模为q=62.5 m3/h。净水器的净水工艺流程如图6所示。

图6 净水工艺流程示意图

3.4 输配水工程

本工程为新建供水工程，在水源点新建取水陂，敷设输水管道引水至水厂，源水经一体化净水设备净化后进入清水池，再经配水管网输送至各个自然村供水点，具体布置见图1。

3.5管道铺设工程

根据本工程的特点及当地给水常用的管材（球墨铸铁管、玻璃钢管、PE管、钢塑复合管及钢管）进行比选，通过对管道强度、抗腐性、施工条件、造价等各方面因素综合比较，工程采用PE100管。管道敷设采用地埋敷设为主，局部路段没有地埋条件的，可以明敷。见图7。经过水力相关计算统计，本工程供水管网总长度为44.18 km。其中，输水管长度合计为9.86 km，配水管长度合计为34.32 km。管径范围dn32～dn250 m。

图7 管道敷设开挖断面图

本工程项目以供水为主要目标，总体效益以社会效益为主，故经济评价以国民经济评价为主，评价项目的经济合理性。

4.1 工程效益增量

本项目静态总投资为1 310.45万元，分1年实施，国民经济年运行费总额为18.33万元，工程效益涉及供水和社会效益，按增量法计算：

1）供水效益。该工程年供水量45.63万m3，影子水价采用1.50元/m3，则年供水效益68.44万元。

2）社会效益。本工程建成后可提高供水的保证率，解放农村劳动力，改善和提高农村的生活条件、农民的生活质量和健康水平；
减少疾病的发生，节省医疗费用；
加快农村经济的发展和群众脱贫致富，加快农村城镇化进程，对当地农村社会的稳定、和谐发挥积极作用。由此产生的效益如下：每年节省取水工日的效益为23.1万元，每年发展农村经济的效益23.1万元，每年减少治病支出的效益为20万元，总计年社会效益为66.2万元。

4.2 经济评价指标计算

本工程是以供水效益为主的工程，按“规范”新建防洪、治涝、灌溉、城镇供水等工程的正常运行期30～50年。工程的正常运行期取30年，据施工组织设计，工程的建设期为1年，故工程的计算期为31年。以工程建设的第一年为计算期的起点，社会折现率IS=8%。经济内部收益率EIRR=12.13%＞8%（本工程为民生工程，其社会折现率IS取8%），当IS=8%时，经济净现值NPV=365.6万元＞0万元，经济效益费用比1.34＞1，综上所述，国民经济评价是可行的。

4.3 经济敏感性分析

为进一步论证国民经济评价的可靠性，选取固定资产投资和效益作为敏感因素进行敏感性分析。按固定资产投资增、减10%，效益增、减10%两项不确定性因素单独发生浮动进行敏感性分析，分析成果见表4。

表4 国民经济敏感性分析

从敏感性分析结果可以看出，当投资变化率在10%上、下浮动，其经济内部收益率仍大于社会折现率，均不改变工程经济评价结论，说明本工程在经济上具有一定的抗风险能力。

以翁源县礤下片供水工程为研究背景，进行水源确定和供需水量平衡计算分析，在上山坑、天光脑及牧牛坪新建取水陂取水，水源均为山溪水，水质良好，工程最高日供水量为1 261.76 m3/d，水厂水源点来水能满足用水需求。设计出一套取水陂工程、水厂厂区工程、净水工程和输配水工程的供水工程体系，并进行安全计算复核，皆满足相关标准。该项目国民经济评价指标和敏感性分析指标均满足规范要求。