小編說：近年來城市水源地保護(hù)以及城市河道黑臭水質(zhì)等方面環(huán)境保護(hù)的要求不斷提高，相關(guān)的城市大規(guī)模原水引水與內(nèi)河補(bǔ)水工程也應(yīng)運(yùn)而生。通過充分考慮系統(tǒng)結(jié)合的不同工況需求，介紹大型渠道在原水及補(bǔ)水工程中的方案比選，選定系統(tǒng)集合方案，經(jīng)過設(shè)計(jì)研究使雙系統(tǒng)進(jìn)行有效集合利用，起到節(jié)能降耗的良好效果。

01

項(xiàng)目背景

原水與河道水體補(bǔ)水均具有輸水口徑大、輸水距離遠(yuǎn)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、原水水質(zhì)要求高的特點(diǎn)。南寧市目前正在先后開展這兩類工程建設(shè)，以優(yōu)質(zhì)上游原水作為城市供水水源和河道補(bǔ)水水源，充分優(yōu)化優(yōu)質(zhì)水資源的配置功能，推動(dòng)城市社會(huì)文明快速發(fā)展。

1.1原水引水

南寧市城市供水水源主要依賴于橫穿市中心的邕江。根據(jù)2014年頒布的《南寧市飲用水水源保護(hù)條例》在水源保護(hù)區(qū)的劃定準(zhǔn)則下水源地對(duì)南寧邕江兩岸城市開發(fā)建設(shè)的限制作用較為突出（見圖1）。因此需要考慮將現(xiàn)有各邕江沿線水廠水源地統(tǒng)一上移至城市上游的引水工程，進(jìn)行集中式水源地建設(shè)和保護(hù)，釋放城市岸線資源。城市近遠(yuǎn)期原水需水量見表1，一期工程設(shè)計(jì)引水規(guī)模為17.36 m3/s，遠(yuǎn)期根據(jù)城市規(guī)劃達(dá)到30.67 m3/s。該工程是以推動(dòng)和優(yōu)化邕江南寧市區(qū)段水資源開發(fā)利用和保護(hù)為指導(dǎo)，規(guī)劃、保護(hù)、建設(shè)具有戰(zhàn)略安全意義的大型原水引水工程。邕江上游引水工程建成后，通過集中式原水輸水配水系統(tǒng)，可確保南寧市的中心城區(qū)各受水水廠的原水水質(zhì)提升，常年多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)處于Ⅱ類水體水質(zhì)，抗突發(fā)水質(zhì)污染事件的風(fēng)險(xiǎn)能力大幅提高。

圖1南寧市現(xiàn)狀水廠取水口及水源地保護(hù)區(qū)

1.2內(nèi)河補(bǔ)水

為了解決城市因內(nèi)河補(bǔ)水量不足產(chǎn)生的水質(zhì)問題，2012年規(guī)劃在城市內(nèi)建設(shè)引水干渠工程，2017年底基本建成。工程旨在利用老口水利樞紐建成后，水庫(kù)水位提升為75.00～75.50 m（水庫(kù)死水位～常水位）可保證邕江上游水重力自流至城市的西明江、可利江、心圩江等大型河道，利用放水閘補(bǔ)水至各內(nèi)河，各支流水量充足可全河段補(bǔ)水，使河道水體流動(dòng)性得到改善，提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。工程建設(shè)總長(zhǎng)25.57 km，設(shè)計(jì)最大輸水能力26.44 m3/s，采用大型封閉式渠道引水，渠底坡度0.1‰，渠道斷面面積最大處41 m2，引水干渠工程主要設(shè)計(jì)布局如圖2所示，內(nèi)河補(bǔ)水設(shè)計(jì)概況見圖3。

圖2 江北干渠設(shè)計(jì)概況

圖3 內(nèi)河補(bǔ)水設(shè)計(jì)概況

1.3水源選擇

根據(jù)南寧市水功能區(qū)劃，南寧市左右江匯合口以上30 km左右江河段至下游二坑口可作為飲用水源，其中左江水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類水，右江水質(zhì)目標(biāo)Ⅲ類水，邕江水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ～Ⅲ類水。可考慮的水源地為老口至左右江一段區(qū)域。根據(jù)對(duì)邕江前江嶺位于老口樞紐上游的逐年老口水庫(kù)水質(zhì)數(shù)據(jù)。該處具有較好的水質(zhì)和取水條件，取水點(diǎn)距離市區(qū)較近，周邊建設(shè)開發(fā)強(qiáng)度低，環(huán)境保護(hù)條件良好，既適合選作集中式水源地，又適合作為內(nèi)河補(bǔ)水的取水點(diǎn)，因此系統(tǒng)方案考慮選擇內(nèi)河補(bǔ)水和城市原水共用同一水源地，可體現(xiàn)水源地的集中保護(hù)和管理的優(yōu)勢(shì)。

02

系統(tǒng)集合方案

基于南寧市上述兩項(xiàng)重大原水引水和內(nèi)河補(bǔ)水工程的建設(shè)目標(biāo)，二者在輸水性質(zhì)上相似，水源地區(qū)域一致，輸水路由均為自西向東，從城市河道上游至城市各區(qū)。因此在系統(tǒng)和路由上具有高度的相似性和可集合性。引水干渠渠首老口至心圩江段設(shè)計(jì)路由在進(jìn)入城區(qū)地域后橫貫邕江北側(cè)城市地塊，路由順暢，避免了新開挖管線對(duì)城市交通、建筑物等的影響，是一條重要的城市輸水通道。

引水干渠的路由不僅對(duì)沿途河道有良好的輻射補(bǔ)水效應(yīng)，也極大地縮短了城市各水廠取水口上移后原水至城市主要水廠之間新建管道的長(zhǎng)度，避免反復(fù)征地拆遷、減少對(duì)社會(huì)不利影響，以最少的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本發(fā)揮干渠多重價(jià)值，為未來地區(qū)的發(fā)展帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。因此，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中重點(diǎn)研究?jī)?nèi)河補(bǔ)水和城市原水多功能的集合利用可行性，經(jīng)過多輪方案的比選，系統(tǒng)方案布置如圖4。

圖4 方案系統(tǒng)原理

工程設(shè)計(jì)方案由以下部分組成：

（1）三江口泵站工程：取水規(guī)模265萬m3/d，包括取水頭部、自流管、三江口泵站及其他附屬生產(chǎn)構(gòu)筑物。

（2）輸水管線工程：三江口泵站～江北干渠渠首，采用2×DN3 200鋼管。

（3）江北干渠利用工程，利用干渠長(zhǎng)度17 km。

（4）可利江泵站及管線工程：設(shè)計(jì)規(guī)模為60萬m3/d，包括DN2 200出站管線（L=0.4 km）及調(diào)蓄水池等附屬設(shè)施；與天雹水庫(kù)—陳村水廠原水輸水管線連通。

（5）心圩江泵站及管線工程：設(shè)計(jì)規(guī)模為90萬m3/d；包括原水管2×DN2 600，DN1 200~2 600輸配水管線及調(diào)蓄水池等工程：實(shí)現(xiàn)向西郊、中堯、河南、凌鐵水廠輸配原水。

（6）補(bǔ)水口設(shè)置流量計(jì)和雙重止回措施，兼顧內(nèi)河補(bǔ)水期的水質(zhì)安全和調(diào)度運(yùn)行要求。

03

集合利用研究

3.1設(shè)計(jì)參數(shù)的復(fù)核

江北干渠最初設(shè)計(jì)功能為枯水期向江北8條內(nèi)河提供生態(tài)補(bǔ)水水源，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，全線按調(diào)水要求具備防滲能力。設(shè)計(jì)符合《調(diào)水工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL 430-2008)的相關(guān)規(guī)定�？紤]結(jié)合城市水源原水管渠，除了具備輸水工藝的基本功能外，還必須具備輸水安全性、檢修功能等條件。

3.1.1工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

輸水能力和輸水安全上，干渠除頭部220 m采用明渠外，其余斷面采用全封閉式，可滿足供水工程對(duì)水質(zhì)安全的要求。干渠供水重力流下最大流量為26.44 m3/s，可滿足近期受水水廠17.36 m3/s的需水量，并有一定余量仍可供河道補(bǔ)水用。設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比詳見表2。

3.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

南寧市邕江上游引水工程主要利用其中引水暗渠及引水隧洞段。原設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與邕江上游引水工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比情況如表3所示。

3.2水力計(jì)算

3.2.1最大過流能力計(jì)算

干渠整個(gè)沿線的尺寸變化較多，整體呈現(xiàn)起端斷面大，后段斷面小的規(guī)律。從西明江至心圩江這一段管渠長(zhǎng)度8 660 m，占整個(gè)干渠總長(zhǎng)的50%以上，該段暗涵的斷面尺寸較小，對(duì)水頭損失較為不利，特別是當(dāng)過水量達(dá)到明渠滿流的情況下，水頭損失增加明顯。

計(jì)算過程中對(duì)于斷面不規(guī)則的隧洞部分，首先進(jìn)行了不同流量下的標(biāo)準(zhǔn)水深計(jì)算，設(shè)計(jì)采用粗糙度n=0.013 5，i=0.1‰進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于頂部不規(guī)則部分進(jìn)行水力半徑計(jì)算，計(jì)算表如表4，分別得出對(duì)應(yīng)的流量和流速，用于疊加工況水力計(jì)算。

可以看出，隨著水深增加到滿流，過流流量反而會(huì)下降。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡量考慮非滿管流。

3.2.2疊加工況水力計(jì)算

根據(jù)前節(jié)的確定的干渠設(shè)計(jì)運(yùn)行規(guī)模，按照干渠為重力流，對(duì)每個(gè)分水節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水力計(jì)算。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)補(bǔ)水點(diǎn)進(jìn)行了編號(hào)，見圖5。各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)水量見表5.

圖5 江北干渠各分水點(diǎn)節(jié)點(diǎn)編號(hào)

計(jì)算時(shí)由干渠末端水量和斷面尺寸倒推上游水位，對(duì)于矩形與城門洞型隧洞漸變段考慮水頭損失和因流態(tài)變化產(chǎn)生的水躍或雍水造成水位變化。推算到渠道首部城門洞型時(shí)采用插值法確定水深，經(jīng)校核水深誤差在1%以內(nèi)。計(jì)算表結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，考慮10%的漏失系數(shù)后沿線基本未出現(xiàn)明渠滿流的情況，沿線水頭損失小。一期最大設(shè)計(jì)規(guī)模時(shí)（內(nèi)河補(bǔ)水+城市原水）渠道首部的水深為3.334 m，比設(shè)計(jì)最大水深3 m高出0.334 m，仍處于渠道的合理運(yùn)行范圍。

綜上所述，從工藝設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)安全性和集合水量疊加等多個(gè)方面對(duì)比后可得出結(jié)論，雖然水量增加較大，計(jì)算最大水深略超過原設(shè)計(jì)最大水深，經(jīng)過結(jié)構(gòu)核算利用干渠技術(shù)可行，可滿足近期向下游所有受水水廠的供水需求并兼顧部分的河道補(bǔ)水能力。

04

利用干渠工程設(shè)計(jì)

由于原干渠為季節(jié)性運(yùn)行，工況與原水有所不同，原設(shè)計(jì)設(shè)置了多處車輛進(jìn)出通道和檢修檢查井，補(bǔ)水口為重力式直排。為了更好利用干渠作為原水輸水渠道，防止外界污染情況，加強(qiáng)干渠的輸水水質(zhì)安全性和運(yùn)維便利性，輸水干渠改造工程主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

（1）工藝改造：增設(shè)石埠泵站接管點(diǎn)；可利江、心圩江泵站接管點(diǎn)開孔接管分別與可利江、心圩江泵站連接。

（2）防污染措施：內(nèi)河補(bǔ)水口增設(shè)雙層單向拍門及溢流井防止河水倒灌；對(duì)6處干渠沿線的檢修車輛進(jìn)入渠道進(jìn)行混凝土墻植筋封堵，頂部另開設(shè)備孔。

（3）集合調(diào)度運(yùn)行：對(duì)補(bǔ)水點(diǎn)設(shè)置自動(dòng)流量監(jiān)控設(shè)施，優(yōu)化雙系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行。

（4）檢修維護(hù)：對(duì)于常年運(yùn)行可能存在的干渠底部污泥淤積的現(xiàn)象，干渠首段設(shè)置大型吊裝孔，便于鏟車進(jìn)入渠道清掃。

（5）停役工況：事故或停役檢修期間各水廠的現(xiàn)有取水泵房可作為應(yīng)急取水口取水，保障水廠生產(chǎn)需要。

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，在每個(gè)分水點(diǎn)設(shè)置流量計(jì)用于監(jiān)測(cè)實(shí)際分水流量，便于與原水需求錯(cuò)峰補(bǔ)水，提高干渠的經(jīng)濟(jì)節(jié)能性能。當(dāng)城市原水用水高峰與內(nèi)河補(bǔ)水峰值工況疊加時(shí)，可通過在老口水源地設(shè)置泵站，提高老口水庫(kù)渠道首段的運(yùn)行水位確保雙系統(tǒng)集合水量的絕對(duì)安全。

05

小結(jié)

在城市原水工程和水利工程具有取水水量大，工程系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)。通過充分考慮系統(tǒng)結(jié)合的不同工況需求，利用和挖潛長(zhǎng)距離輸水渠道作為珍貴的輸水通道，經(jīng)過設(shè)計(jì)研究使雙系統(tǒng)進(jìn)行有效集合利用，不但充分利用了寶貴的城市地下管線資源，還減少了工程建設(shè)對(duì)居民生活的不利影響，大大節(jié)約了工程投資和建設(shè)進(jìn)度，可以快速兌現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

微信對(duì)原文有刪減，原文標(biāo)題《河道補(bǔ)水與城市原水系統(tǒng)集合設(shè)計(jì)》，作者：王健、 黃東海、梁俠津，刊登在《給水排水》2018年第6期。