西藏自治区位于中国青藏高原西南部, 多数县城地处偏远的高寒高海拔区域, 自然条件恶劣, 供水设施没有保障。新的一轮供水设施建设中, 自治区政府委托我院作为西藏28县供水工程的技术咨询单位。

　　 28个县城涉及西藏4个地区、市 (山南市2个县、日喀则市8个县、那曲地区11个县和阿里地区7个县) , 这些县城年平均气温在0 ℃左右, 平均海拔4 300 m以上, 基本涵盖了西藏所有的高寒高海拔地区。本文结合这些县城的特殊性, 从末端供水设施方面分析提出适合偏远高寒高海拔县城的方案。

　　 通过对西藏28个高寒高海拔县城供水工程走访调研发现, 县城居民用水主要通过集中供水点取水, 很少有自来水入户的情况 (酒店、饭店除外) , 且居民家中未设置卫生间和厨房等用水设施。

　　 现状各县城集中供水设施主要有两种:一种是给水立管外包保温材料 (如牛羊粪等) , 其外再包裹素混凝土 (如图1a) ;另一种是阳光取水房, 利用太阳能被动采暖方式进行采暖 (如图1b) 。虽然县城集中供水设施采取了以上保温措施, 但由于各县城均位于严寒或寒冷地区, 年平均温度低, 保温措施效果有限, 冬季基本无法取水, 取水前需先用开水解冻, 一旦阀门关闭, 不久水管又会被冻结, 再次无法使用。故解决末端供水设施问题主要是解决管道防冻问题。这一问题解决将极大的方便西藏居民用水, 尤其是冬季用水。

　　 管道放空主要是在寒冷季节用完水以后, 将冻土层以上的给水管中的水泄空^[1], 通常在最低点 (冻土层以下) 设置泄水井的方式来泄空管道防冻, 如图2。

　　 这种泄空方式缺点是给水管总管埋设在冻土层以下, 泄水井一般较深, 人工操作不方便。鉴于此, 市场上出现了一种替代产品——立管防冻栓^[1], 具体见图3。

　　 立管防冻栓主要分上阀体和下阀体两部分, 通过上阀体的开关灵活控制下阀体, 使用原理:用水时上阀体开启→下阀体泄水口关闭, 供水主管与通水管联通→通水管充水;防冻时上阀体关闭→下阀体泄水口开启, 供水主管与通水管切断→通水管放水泄空。

　　 管道放空防冻措施虽能解决西藏地区末端供水冰冻的问题, 但管道放空措施不节水, 满足不了现行的《民用建筑节水设计标准》 (GB 50555-2010) 要求, 不建议使用此方案。

　　 针对管道直接放空不节水, 市场上新出现了一款产品——节水防冻给水栓, 具体见下图4。节水防冻栓通过安装在埋地进水管上的一个堵水球阀来控制, 由于产品具有内外两层不同管径的ABS 管, 当需要用水时, 将连接出水内管的手柄压下, 堵水球阀被打开, 水从内管中自动流出;使用完毕后, 将手柄向上轻轻提起, 堵水球阀自动关闭, 同时内管中的水自动回流到管道底部, 从而保证冻土层以上水管内为空, 以此达到防冻效果。

　　 此款产品虽可以解决防冻问题, 但相对复杂的操作, 并未得到当地居民喜爱接受, 针对这种情况, 我院设计了一种装配式的集中供水设施, 深受居民喜爱。

　　 装配式集中供水设施主要为钢结构构筑物, 分为上部和下部两块:上部由太阳能光伏板、光伏板支撑钢构架、上部支撑方钢管、底部支撑钢板、给水立管 (含电伴热带) 、出水龙头、保温套管、支墩、底部支撑角钢等组成;下部由基础、给水立管 (含电伴热带) 、承水台 (含排水设施) 和预埋蓄电池箱等组成。上部在工厂预制完成, 运至现场装配;下部现场施工, 见图5。该方案优点是施工周期短, 对地方施工水平要求不高, 现场工作量少。

　　 研究选取了2个具有代表性的地区进行试验—严寒地区的聂荣县和寒冷地区的浪卡子县, 其中聂荣县和浪卡子县近十年的冻土深度分别达到3.0 m和1.4 m。本文着重介绍聂荣县集中供水点的设计。

　　 对于室外明露管道, 计算见式 (1) 、式 (2) :

　　 $Q{}_1=1.3\frac{2\pi ({\rm T}{}_0-{\rm T}{}_{\text{a}})}{\frac{1}{\lambda }\ln \frac{D{}_2}{D{}_1}+\frac{2}{D{}_2\alpha {}_{\text{s}}}}(1)$

　　 $\begin{array}{l}\alpha {}_{\text{s}}=1.163\times (10+6\sqrt[]{v})\\ D{}_2=D{}_1+2\delta (2)\end{array}$

　　 式中Q₁——管道单位长度热损失, W/m;

　　 T₀ ——维持水温, ℃;

　　 T_a ——极端平均温度, ℃;

　　 λ ——绝热材料导热系统, W/ (m·℃) ;

　　 D₁ ——绝热层内径, 即管道外径, m;

　　 D₂ ——绝热层外径, m;

　　 δ ——绝热层厚度, m;

　　 α_s ——绝热层外表面向周围环境的放热系数, W/ (m·℃) ;

　　 v ——冬季最多风向平均风速, m/s。

　　 对于直埋管道, 计算见式 (3) :

　　 $Q{}_2=1.3\frac{2\pi ({\rm T}{}_0-{\rm T}{}_{\text{t}})}{\frac{1}{\lambda }\ln \frac{D{}_2}{D{}_1}+\frac{1}{\lambda {}_t}\ln \frac{4{\rm H}}{D{}_2}}(3)$

　　 式中Q₂——直埋管道单位长度热损失, W/m;

　　 T_t ——土壤温度, ℃;

　　 λ_t ——土壤导热系统, W/ (m·℃) ;

　　 H ——管中心埋深, m。

　　 计算参数如下:维持水温T₀设为10 ℃;最冷月极端平均气温T_a查气象资料取-39 ℃;绝热材料采用泡沫橡塑制品, 导热系统为λ=0.038+0.000 12t_m, t_m为绝热层内、外表面温度的算术平均值;绝热层内径及管外径, 立管采用DN20的管道, 管外径D₁为27 mm;保温层厚度采用6 cm;冬季最多方向平均风速v取5 m/s, 则绝热层外表面向周围环境的放热系数α_s为27.23 W/m·℃;

　　 带入公式计算后得出聂荣县给水立管单位长度热损失为8.47 W/m。

　　 由于冻土层内不同深度的土壤温度不同, 其对应的热损失也不同, 因此有必要根据不同的深度进行热损失计算。聂荣县冻土层内不同深度的土壤温度见表1。

　　 冻土的土壤导热系数λ_t取1.8 W/m·℃, 经计算, 聂荣县冻土层不同深度管道的单位长度热损失见图6。

　　 通过采用多项式函数拟合单位长度热损失随管道埋深变化的规律, 而后对多项式函数定积分求得管道冻土层内的总热损失为8.26 W, 计算得出平均单位长度热损失为2.75 W/m。

　　 由以上的计算发现, 聂荣县给水立管地上部门热损失为8.47 W/m, 地下部分热损失为2.75 W/m。根据研究自限温伴热带的特点是自动限制加热的温度, 使伴热系统更加温定、可靠安全节能^[3]。故聂荣县集中供水设施伴热带采用自限温伴热带。

　　 伴热带设计方案为:地下一根5 W/m的自限温伴热带从冻土层一直到出水龙头, 地上部分再增加1根5 W/m的自限温伴热带, 以满足整个热损失的要求。

　　 为避免温度太高管道滋生军团菌^[4], 也节省电能, 自限温伴热带上增加温度控制器控制电路系统。

　　 当管壁达到设定的温度, 电路系统自动断电, 伴热带停止工作;当管壁低于设定的温度, 温控器自动接通电路, 伴热带又开始工作。聂荣县的温控器设定范围在6～15 ℃。

　　 考虑到目前多数县城市电供应尚得不到保障, 以及西藏充足的太阳能等因素, 本工程采用太阳能发电同时设置蓄电池储存电能的方式供应电伴热及夜间照明所需的电能, 考虑到将来市电逐步完善, 集中供水设施同时预留了市电接入设施。

　　 通过2016年和2017年两年连续的温度记录数据显示 (测温点设在龙头附件) , 最高温度17.7 ℃, 最低温度6.8 ℃, 平均温度9.7 ℃, 达到设计预期效果。通过现场踏勘发现, 该集中供水设施使用频次高, 出水稳定。经走访调研, 一致反映此设施解决了他们冬季吃水难的问题。

　　 县城供水工程的成功最终体现在末端供水上, 末端供水问题解决了, 西藏人民才能用上放心安全的自来水。虽然集中供水设施在内地少见, 但对于西藏高寒高海拔偏远县城仍是目前主要的取水方式。装配式集中供水设施对地方施工水平要求不高, 施工周期短, 施工质量有保证, 能很好的解决西藏居民用水问题, 意义重大。