设计案例:河道补水与城市原水系统集合设计

近年来城市水源地保护以及城市河道黑臭水质等方面环境保护的要求不断提高,相关的城市大规模原水引水与内河补水工程也应运而生。通过充分考虑系统结合的不同工况需求,介绍大型渠道在原水及补水工程中的方案比选,选定系统集合方案,经过设计研究使双系统进行有效集合利用,起到节能降耗的良好效果。


项目背景


原水与河道水体补水均具有输水口径大、输水距离远、持续时间长、原水水质要求高的特点。南宁市目前正在先后开展这两类工程建设,以优质上游原水作为城市供水水源和河道补水水源,充分优化优质水资源的配置功能,推动城市社会文明快速发展。

 

1、原水引水

 

南宁市城市供水水源主要依赖于横穿市中心的邕江。根据2014年颁布的《南宁市饮用水水源保护条例》在水源保护区的划定准则下水源地对南宁邕江两岸城市开发建设的限制作用较为突出(见图1)。因此需要考虑将现有各邕江沿线水厂水源地统一上移至城市上游的引水工程,进行集中式水源地建设和保护,释放城市岸线资源。城市近远期原水需水量见表1,一期工程设计引水规模为17.36 m3/s,远期根据城市规划达到30.67 m3/s。该工程是以推动和优化邕江南宁市区段水资源开发利用和保护为指导,规划、保护、建设具有战略安全意义的大型原水引水工程。邕江上游引水工程建成后,通过集中式原水输水配水系统,可确保南宁市的中心城区各受水水厂的原水水质提升,常年多项水质指标处于Ⅱ类水体水质,抗突发水质污染事件的风险能力大幅提高。


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南宁市现状水厂取水口及水源地保护区


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2、内河补水

 

为了解决城市因内河补水量不足产生的水质问题,2012年规划在城市内建设引水干渠工程,2017年底基本建成。工程旨在利用老口水利枢纽建成后,水库水位提升为75.0075.50 m(水库死水位~常水位)可保证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,利用放水闸补水至各内河,各支流水量充足可全河段补水,使河道水体流动性得到改善,提高生态环境质量。工程建设总长25.57 km,设计最大输水能力26.44 m3/s,采用大型封闭式渠道引水,渠底坡度0.1‰,渠道断面面积最大处41 m2,引水干渠工程主要设计布局如图2所示,内河补水设计概况见图3

 

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江北干渠设计概况


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3 内河补水设计概况

 

3、水源选择

 

根据南宁市水功能区划,南宁市左右江汇合口以上30 km左右江河段至下游二坑口可作为饮用水源,其中左江水质目标为Ⅱ类水,右江水质目标Ⅲ类水,邕江水质目标为Ⅱ~Ⅲ类水。可考虑的水源地为老口至左右江一段区域。根据对邕江前江岭位于老口枢纽上游的逐年老口水库水质数据。该处具有较好的水质和取水条件,取水点距离市区较近,周边建设开发强度低,环境保护条件良好,既适合选作集中式水源地,又适合作为内河补水的取水点,因此系统方案考虑选择内河补水和城市原水共用同一水源地,可体现水源地的集中保护和管理的优势。


系统集合方案


基于南宁市上述两项重大原水引水和内河补水工程的建设目标,二者在输水性质上相似,水源地区域一致,输水路由均为自西向东,从城市河道上游至城市各区。因此在系统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设计路由在进入城区地域后横贯邕江北侧城市地块,路由顺畅,避免了新开挖管线对城市交通、建筑物等的影响,是一条重要的城市输水通道。

 

引水干渠的路由不仅对沿途河道有良好的辐射补水效应,也极大地缩短了城市各水厂取水口上移后原水至城市主要水厂之间新建管道的长度,避免反复征地拆迁、减少对社会不利影响,以最少的时间成本和经济成本发挥干渠多重价值,为未来地区的发展带来巨大的社会和经济效益。因此,在系统方案设计中重点研究内河补水和城市原水多功能的集合利用可行性,经过多轮方案的比选,系统方案布置如图4


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4 方案系统原理

 

工程设计方案由以下部分组成:

1)三江口泵站工程:取水规模265m3/d,包括取水头部、自流管、三江口泵站及其他附属生产构筑物。

2)输水管线工程:三江口泵站~江北干渠渠首,采用2×DN3 200钢管。

3)江北干渠利用工程,利用干渠长度17 km

4)可利江泵站及管线工程:设计规模为60m3/d,包括DN2 200出站管线(L=0.4 km)及调蓄水池等附属设施;与天雹水库—陈村水厂原水输水管线连通。

5)心圩江泵站及管线工程:设计规模为90m3/d;包括原水管2×DN2 600DN1 200~2 600输配水管线及调蓄水池等工程:实现向西郊、中尧、河南、凌铁水厂输配原水。

6)补水口设置流量计和双重止回措施,兼顾内河补水期的水质安全和调度运行要求。

 

集合利用研究

 

1、设计参数的复核

 

江北干渠最初设计功能为枯水期向江北8条内河提供生态补水水源,工程等别为Ⅱ等,主要建筑物为2级,次要建筑物为3级,全线按调水要求具备防渗能力。设计符合《调水工程设计导则》(SL 430-2008)的相关规定。考虑结合城市水源原水管渠,除了具备输水工艺的基本功能外,还必须具备输水安全性、检修功能等条件。

 

1.1 工艺设计参数


输水能力和输水安全上,干渠除头部220 m采用明渠外,其余断面采用全封闭式,可满足供水工程对水质安全的要求。干渠供水重力流下最大流量为26.44 m3/s,可满足近期受水水厂17.36 m3/s的需水量,并有一定余量仍可供河道补水用。设计参数对比详见表2

 

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1.2 结构设计标准


南宁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。原设计技术标准与邕江上游引水工程技术标准对比情况如表3所示。

 

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2、水力计算

 

2.1 最大过流能力计算


干渠整个沿线的尺寸变化较多,整体呈现起端断面大,后段断面小的规律。从西明江至心圩江这一段管渠长度8 660 m,占整个干渠总长的50%以上,该段暗涵的断面尺寸较小,对水头损失较为不利,特别是当过水量达到明渠满流的情况下,水头损失增加明显。

 

计算过程中对于断面不规则的隧洞部分,首先进行了不同流量下的标准水深计算,设计采用粗糙度n=0.013 5i=0.1‰进行计算,对于顶部不规则部分进行水力半径计算,计算表如表4,分别得出对应的流量和流速,用于叠加工况水力计算。

 

可以看出,随着水深增加到满流,过流流量反而会下降。因此系统设计尽量考虑非满管流。

 

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2.2 叠加工况水力计算


根据前节的确定的干渠设计运行规模,按照干渠为重力流,对每个分水节点进行水力计算。为了简化系统,对每个补水点进行了编号,见图5。各节点的设计水量见表5.

 

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5 江北干渠各分水点节点编号

 

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计算时由干渠末端水量和断面尺寸倒推上游水位,对于矩形与城门洞型隧洞渐变段考虑水头损失和因流态变化产生的水跃或雍水造成水位变化。推算到渠道首部城门洞型时采用插值法确定水深,经校核水深误差在1%以内。计算表结果如表6所示。


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从表6可以看出,考虑10%的漏失系数后沿线基本未出现明渠满流的情况,沿线水头损失小。一期最大设计规模时(内河补水+城市原水)渠道首部的水深为3.334 m,比设计最大水深3 m高出0.334 m,仍处于渠道的合理运行范围。

 

综上所述,从工艺设计的标准、结构安全性和集合水量叠加等多个方面对比后可得出结论,虽然水量增加较大,计算最大水深略超过原设计最大水深,经过结构核算利用干渠技术可行,可满足近期向下游所有受水水厂的供水需求并兼顾部分的河道补水能力。

 

利用干渠工程设计


由于原干渠为季节性运行,工况与原水有所不同,原设计设置了多处车辆进出通道和检修检查井,补水口为重力式直排。为了更好利用干渠作为原水输水渠道,防止外界污染情况,加强干渠的输水水质安全性和运维便利性,输水干渠改造工程主要设计内容包括:

1)工艺改造:增设石埠泵站接管点;可利江、心圩江泵站接管点开孔接管分别与可利江、心圩江泵站连接。

2)防污染措施:内河补水口增设双层单向拍门及溢流井防止河水倒灌;对6处干渠沿线的检修车辆进入渠道进行混凝土墙植筋封堵,顶部另开设备孔。

3)集合调度运行:对补水点设置自动流量监控设施,优化双系统调度运行。

4)检修维护:对于常年运行可能存在的干渠底部污泥淤积的现象,干渠首段设置大型吊装孔,便于铲车进入渠道清扫。

5)停役工况:事故或停役检修期间各水厂的现有取水泵房可作为应急取水口取水,保障水厂生产需要。


在实际生产运行过程中,在每个分水点设置流量计用于监测实际分水流量,便于与原水需求错峰补水,提高干渠的经济节能性能。当城市原水用水高峰与内河补水峰值工况叠加时,可通过在老口水源地设置泵站,提高老口水库渠道首段的运行水位确保双系统集合水量的绝对安全。

 

小结


在城市原水工程和水利工程具有取水水量大,工程系统复杂的特点。通过充分考虑系统结合的不同工况需求,利用和挖潜长距离输水渠道作为珍贵的输水通道,经过设计研究使双系统进行有效集合利用,不但充分利用了宝贵的城市地下管线资源,还减少了工程建设对居民生活的不利影响,大大节约了工程投资和建设进度,可以快速兑现经济价值和社会价值。




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