农村供水工程重力输水技术研究
王科
摘 要：推动农村供水工程可持续发展需要从管径安排、设置填墩、进（排）气阀、减压装置和管道附件、减少水锤对管道的破坏性等方面入手，以此控制工程造价，提高供水效率。本文围绕于此一一作了分析。
关键词：农村;供水工程;重力输水技术
社会经济发展推动了农村供水工程建设的发展步伐，尤其是重力输水技术的运用，使得供水安全性与质量得以进一步提升。但在工程建设中的投资成本大与输水管道不规范铺设等问题不能忽视。为推动农村供水工程可持续发展，还需从管径安排与输水管铺设等工作入手分析调整，以此控制工程造价，提高供水效率。
1 科学安排管径
在农村供水工程设计中，不分析工程具体情况，仅通过常用方法计算管道阻力，主观凭借经验确定管径，会造成设计失误，对此科学计算意义重大。根据公式（管段设计流Q;流速Ve;输水管道内径D）可知，在采用安全流速情况下，管径与流速成反比。根据公式h1=L×i（单位管长水头损失i;管段长度L;沿程水头损失h1），可了解单位管长水头损失情况。从PVC-U 管道经济配置入手分析，当管长（110m）、流量（0.04m3/s）、高差（3.35m）固定，流速为0.95m/s时，计算与设计管径分别为0.22m、0.25m，水头损失为0.40m，工作水头为3.12m。流速为0.16m/s时，计算与设计管径分别为0.16m、0.20m，水头损失为2.35m，工作水头为2.30m。流速降低，计算与设计管径、工作水头下降，水头损失随之提高。对此，减少管径控制工程造价，可在安全流速下选择DN160设计值。
2 科学设置填墩
提高管网安全性，应当在管网拐点处、斜坡道布置填墩。同时压力与水头损失会随着管网弯道的增多而提高，对此，应当尽量保持管网线路的直线型，摆放管道时应按照管道尺寸、形状确定，尽可能地减少伸缩段与管网造价成本，确保施工质量。
3 科学设置进（排）气阀
农村劳作与生活用水时段集中，为控制管内流速与流量，需及时充气与排气，减少负压对管道破坏，确保重力流输水安全。对此，需在管线高低点、上下坡段等科学设置进（排）气阀，减少管道气囊的影响，提高管网运行稳定性。管道系统在实际应用中，受到气水混合运动等运动形态影响，加之地下埋设的地形变化影响，为防止出现堵水等情况，需按照流速在水平管段设置进（排）气阀;在上坡管段终止点的高点处安装排气阀;在变坡转折点，应在下坡起点安装空气阀;下坡管段排气辅助进气;上坡管段进气辅助排气。根据公式×1.05D1（被保护管道内径D1;气阀排出空气流速v1;水流速度v;气 阀通气直径d1），进行进（排）气阀科学设计。
贵州山区松桃县以林密、山高坡陡、深谷等地貌特征为主，供水工程水源以深山溪流为主，重力输水贯穿山间沟壑，纵向坡度i>2%，在管道隆起点设置了自动排气阀设置;在低洼与反坡走向坡脚点处，设立了口径>1/3管径的排空阀;在低于DN100管径与无隆起点、长距离的平滞管段处，间隔1km设立了排气阀，以减少输水阻力。并在同一高程控制点处，以双阀串联方法安装减压阀，以此确保管道系统正常运行。管道进出水口处，要求阀门的口径与水管直径一致，对>500mm的管径，需减少阀门口径，但应>80%。在输水管的管桥上、最高处设立了排气阀，对400 DN管径以双口排气阀为主，口径为1/8-1/10。根据放空时间确定排空阀、排水管的直径。
4 合理设置减压装置
基于重力输水技术的农村供水工程，在实践中，应严格按照规范要求，对管网水头>60m与高差>40m的管网，合理安装减压阀与安全阀。管网配水时的动力压力控制，可通过提高沿程水头损失、缩小管径方法实现;静水压力控制，可通过设置减压阀或减水井等方式实现，通常使用减压阀（200XP型）方法控制动静水压力，在自控度、压力调节灵活度、保证率等方面的优势，都是减压井方式不能比拟的，同时不会出现减压井溢水等问题。最大程度发挥减压阀作用，还需控制以下施工要点;一是根据减压阀进出水方向进行水平或垂直安装。二是为延长减压阀寿命，应合理安装过滤器。彻底清洗管路系统后安装减压阀，避免脏物进入阀门。三是在过滤前安装截止阀。为确保洪水连续性与稳定性，多采用并联安装减压阀的手段，截止阀应在减压阀前后安装。四是压力表安装在减压阀前后，与阀门进出口端的间距>5DN。五是为了提高安装维修便利性，需在阀门出水端安装软接口。六是在运输减压阀时，应当加强稳固保护，安装中不能与硬物撞击。存放减压阀的环境达标，防止橡胶材料出现质量问题，应与电气焊等炽热环境保持一定距离。
比如，云南省芒市勐嘎镇集镇供水工程建设后，主要为集镇生态绿化、工业、周边村组供水，输水距离长达13km，年供水量18万m3，总落差325m，使用DN250、DN300输水管道直径。在减压方面采用了减压池方案，以降低动静水压力影响。设置减压池后，正常运行水压显著降低，满足水壓需要的同时，多余水头得到控制，动静水压力减少，管路漏失水量与工程造价逐渐优化。减压池直径3.25m，池深6m，进水管与溢流出水管位置分别为2m、5m，进出水管管径DN250，承压0.6～1.8MPa，减压池填入高压水后，水流与井壁、池底撞击后向上翻滚，能量大量消失，沿上端出输水管溢流进下级输水管道。
5 减少水锤对管道破坏性
管网安全运行中，不能忽视压力管道受水锤的破坏影响。直接水锤水头（Hd）根据公式Cv1/g或2Lv1/gTt公式计算;间接水锤水头（Hi）根据公式2Lv1/g（Tt+Tg）计算，式中g为重力加速度（9.81m/s）;Tg为关闭阀门时间。影响水锤压力的因素较多，包括管长流速与阀门启闭时间等。减少水锤的危害措施如下，一是管道长度、水锤压力成正比;对此，可在管长<500m处设置阀门。二是合理安装节制阀门，以便于检修维护。三是管内流速、水锤压力成正比，对此，要求流速在流速限制范围内。四是延长阀门启动时间，防止水锤破坏管道。
长距离重力输水工程中，水锤保护措施多样，包括超压泄压阀、缓冲排气阀、箱式双向调压塔等。从超压泄压阀保护措施入手分析，由先导阀与主阀组成，当管道压力达到极限时，阀门自动开启，以泄出流量方式减压，压力稳定安全运行的管道，阀门处于关闭状态。管道水锤压力得以有效控制，但对断流水锤负压情况无法控制，且国内的超压泄压阀都存在动作滞后1-2s、拒动作等问题，但在农村水利工程中的应用，还需根据实际情况选择水锤保护措施。
6 合理设置管道附件
合理安装检修阀门，根据事故排除难度、管材强度等状况确定阀门间距，控制在5-10km范围内。合理设置水力控制阀，并在各阀门处合理设置检修阀。从输水管道入手分析，各类管道安装，建议用柔性接头或伸缩器，以减少埋设地形变化与温差等因素对管道质量的影响。
7 成效
农村供水工程，具有典型的长距离输水管网、供水覆盖面广、陡峭地貌地面、管网首末高差大、保证率高等特征，对于管网保护设备安装与气锤保护措施、管道运行安全性与稳定等提出了更高要求。实施重力流输配水技术，可切实发挥水力条件优势，控制安全流速，可有效减少管径，工程造价随之优化。管网合理布置，利于重力流输水技术优势最大程度发挥，真正实现了不费时费力的用水，且管网维修管理便利。如托克逊县供水工程，在引水方式方面，红山水库出水口高程为358m，中间高程76m，末端高程120m，无法实现明流输水，选择压力管道输水。在线路选择方面，第一条线路设定从红山水库引出，沿科尔碱公路设定管线，东出红山直线至工业园区，管线总长约36m，侵占耕地255亩，方案投资4542万元。第二条线路设定从红山水库引出，沿科尔碱公路设定管线，东出红山转折穿越戈壁滩、托克逊县草场区、博斯坦乡作物种植区至水厂处，管线总长约38m，侵占耕地93亩，方案投资4318万元。从技术与投资等方面综合考虑，最终选择第二条设计线路。在管材选择方面，选择了玻璃钢管，在抗腐蚀性与施工便利性、使用年限、输水卫生标准、单米管材价格（835元）等方面的特征优势，都是球墨铸铁管、混凝土预应力管等管材不能比拟的，整体方案经济效益显著。
总之，农村水利工程关乎农村经济建设，为解决农村用水量小与居住分散、用水设施滞后等饮水问题，引入了重力输水技术。加强实施方案比对，可有效确保实施成效。同时基于该技术的供水管网，管理便利且工程造价低，具有较高的应用推广价值。
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