贫水山区农村饮水安全工程经济适用的建设方法

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摘要

  凌源市位于辽宁省西部,总体地理特征为“七山一水二分田”,当地农村饮水安全工程建设的重点在山区。多年来,针对因滴水贵如油而导致村民间借水还水的地区性缺水状况,只能采用从山下远处有限的水源处引水到山脚,再二次加压分配到各户的供给方式。从地区居住人口的分布和用水状况来看,需要建设的工程系统虽然每户给水量不多,但由于居住分散,建设总量多,涉及的范围广,形成的总体规模极其庞大,建设的投入高,后期维护和运行管理难度大。因此,需要研究贫水山区背景下,农村饮水安全工程经济适用的建设方法,保证贫水山区农村饮水安全工程的最优投入与高效运行。

  1 建设背景

  根据凌源市贫水山区峰峦起伏、田块零碎而不规则的特点,居民通常为方便耕作而分散居住于山坡地带。因此,工程建设的总体走向均沿坡顺势依地表布置,不仅管路及附属设施较多,相应的土建工程如过沟坎、穿岩区、越丛林以及防寒冻、防腐蚀等土建工程投入都随之增大,同时,还因实际坡地各处规模不等的凹凹凸凸等诸多问题,增加了系统的局部阻力和沿程损失,甚至引起气蚀和气塞等[1],导致当地贫水山区农村饮水安全工程建设难、管理难、运行难。

  从山区人口的居住特点,即依坡面自下而上逐渐向高处延展的情况看,考虑到楼宇给水工程的成熟性,又有成套的标准化机泵配套设备供应,直接引用会使贫水山区农村饮水工程建设有规可依和得到简化。因此,工程的建设均采用已规范化的城市楼宇给水工程的建设思路和方法,按与楼宇对等的高差范围划分承压区,建设泵房、安装管路、配置机泵和辅助设施等。但是,多年来的运行发现,如此规范化建设的供水系统,不仅建设过程所用的工程材料和土建工程量几倍甚至十几倍的多于同高差规模的楼宇供水系统,而且在运行中,几乎每个承压区的末端均有水压不足或断水等现象,影响系统功能的正常发挥,同时还带来管理上的诸多问题。

  2 对比分析

  针对已建工程,用其对比城市楼宇的给水模式,两者均是靠压力将水从低处送到高处,满足用水需求。对于楼宇供水来说,通常按楼的高度分成若干个不等的承压区,在楼下泵房中对应不同的承压区,安装相应的压力管道和泵机组,即分区分压供水。同理,贫水山区农村饮水安全工程的建设也采取类似的做法,即在山脚下建设泵房,按山上居民区片高差的不同,安装相应的压力管道和泵机组,实行分区片分压供水。

  进一步研究,我们采取把包括用水户在内的山坡作为一个等效坡平面来看待,利用工程投影原理,将该坡面包容面的均平面向一过地心的垂平面投影,即可得到一个典型的“等效楼宇结构”,所不同的是,其“等效楼层”和“等效户位”不十分规则,但这不影响对问题的研究。从这一“等效楼宇结构”形成的“典型楼宇供水模型”着手,进而找出适合的建设方法。

  从用水群体的特征来看,城市楼宇的每一层是等户位的,自下而上形成了矩形三维立体结构,每一层均是一个等高程的用水群;而山区居民的居住特点是随着山高的增加,户数在逐渐减少,即呈长边在下端的平面三角形分布,通常,位于三角形底端的居民与山脚下的泵房间又有较长一段无人居住或很少有人居住的“空区”距离,其形状可形象地看作是一棵塔松形树体的垂平面投影。从用水特征来看,由于居区的不同,前者呈各承压区用水户相等结构;而后者则随着承压区的增高,用水户在减少,呈反比趋势。

  从建设特征来看,前者呈竖直向上送水结构,后者则呈沿坡向前向上的结构。同时,对于后者的“塔松形树干”区间,正是供水管路不可或缺,即工程投入极速增大的区域。因此,从建设难度及工程量对比上,研究这一区域乃至整个贫水山区农村饮水安全工程给水系统建设具有重要的意义。正是在此基础上,提出了差压供水的模式。

  3 工程建设

  3.1 结构确立

  从工程建设的结构分析出发,对于贫水山区坡居地区,尤其是居户范围较大、从下到上相距较远且高程差较大的村屯,为了向不同高程住户供水,通常采用楼宇常用的分区分压方法,即由低、中、高等不同的压力管道和机组分压供水,见图 1(a)。在这种供水方法中,机电设备和管道配置要求高、土建配套工程量大、长期运行费用高[2].尤其在向高处供水时,为减轻泵机组启动时的硬冲击,常要采用软启动或微机给水,以及配套稳压、滤波电源等设备,这些设备极易遭受雷击而损坏,而且,能够进行这种微电子技术服务的专业技术人员主要集中在一些大城市,一旦损坏,很难及时修复,直接影响农村饮水系统的使用。

  3.2 建设过程

  针对上述问题,试验采取了差压供水方法,即取消原来楼宇式结构的多条主管路,用一条主管路从泵房引出,到达相当于楼宇分压时的低压区对应高程时,由支管路接入,对低压区供水;同时,主管路顺坡继续向上延伸,到达相当于楼宇结构分压时的中压区对应高程时,在主管路上安装一个管道泵,利用低压区的富裕水头作为本级的吸入工作水头,并加压为中压区供水;同理,当主管路延伸到相当于楼宇分压时的高压区对应高程时,在主管路上再接入一个管道泵,利用中压区的富裕水头作为本级的吸入工作水头并加压为高压区供水;以此类推,直至完成一个山坡的全域供水。其简要结构见图 1(b)。

  这样建设的给水系统,其各承压区仍遵循与楼宇相同的分界方法,其低压区的承压水头与楼宇分压时基本相同,中压区只需考虑本区压力水头减去低压区的差压,高压区也只需考虑本区压力水头减去中压区的差压,以此类推,即每个高一级的承压区只需考虑本区压力水头减去低一级承压区的差压,利用前级末端的富裕水头,提供本级的吸入水头,克服了泵的汽蚀,完成高一层级的供水。这样,在泵产品的选择上也较为方便,有已经标准化、系列化的泵产品供应,按照泵产品的系列型谱选择泵机组,通常选择管道型离心式泵。不仅取消了采用楼宇分压时,本级至泵房间的专用管路及其造成的沿程和局部损失,且大大简化了水源泵房建筑结构,优化了系统,还充分利用了前一级的富裕水头,从而节省了能量消耗[3],同时也降减少了工程量。

  3.3 运行效果

  由于地区水资源的极度匮乏,根据当地山区生活的特点,所建系统均采取分时段供水,由自备水具储水,基本可满足日常生活用水需求,在经济还不够发达的贫水山区尤为适用。

  泵机组由限时控制器控制,启动时,先启动山脚下泵房中的机组,待限定的延时时段(这里取 2min)后,启动高一层级的水泵,以此类推,再连续运行 2h,基本可满足全村的供水。系统关机时,则按相反的时序,自动逐级关闭机组。

  建设过程中,因工程不同,一般可节省主管路及相关土建工程 50%~65%以上。通过微阻缓闭阀件及弱回流装置,解决了冬季冰塞及全系统停电的水锤问题。采用继电逻辑控制,来减少农村旷野雷击严重的问题。

  该系统首先在凌源市大河北乡典型的贫水山区农村饮水安全工程中试验成功,又在本市其他乡镇及周边地区进行推广,收到了良好效果。

  4 经验和建议

  农村饮水安全保障是一个复杂的系统工程,贫水山区农村饮水安全工程,尤其是经济欠发达又贫水的山区农村饮水安全工程,情况更加复杂,目前还没有一个最优的模式能适用全部地区。在保证基本饮水需求的基础上,使系统尽量简单、降低运行费用、设备经久耐用是山区农村饮水安全工程所追求的目标。因此,相对于楼宇来说,由于山区农村地域上的分散和广阔性,泵机组的安装位置不受楼宇那样因楼内部密集结构而对机组安装位置上的较多限制,可以方便的选址而不会因为机组运行影响居民日常生活,为贫水山区农村饮水安全工程的差压供水方式建设,提供了可行的地域条件。

  针对辽宁省凌源市农村饮水安全工程建设中遇到的具体问题做了一些尝试,目前只考虑了生活用水,没有考虑生产和消防用水,如需作进一步的推广应用,还要做深入的理论研究和细化工作,在进一步的工程实践中,探索适合山区农村饮水安全工程建设的最优方案。

  参考文献

  [1]姜乃昌主编·水泵及水泵站[M]·北京:中国建筑工业出版社,1998:151.

  [2]曹升乐,王少青,孙秀玲等·农村饮水安全工程建设与管理[M]·北京:中国水利水电出版社,2007:57.

  [3] 魏清顺·农村供水工程规划及其节能设计[M]·北京:中国水利水电出版社,2011:63.

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