非洲国家的城市供水普遍面临电力保障的问题，采用重力自流系统可以最大限度的保障基本供水需求，同时也可以节省运行费用。因此，在有条件的前提下，应尽可能结合地形、地貌及当地的供水管网条件等采用自流供水系统。本文对非洲某国首都N市新建供水系统工程的设计进行介绍。该项目供水规模为7万m³/d，目标供水区域为N市及其卫星城R和卫星城J，内容包括水源工程、原水输送工程、净水工程和清水输送工程。

本项目所在地为东非高原，城市所处地域相对平坦，其中N市地形标高在1 600～1 650m，卫星城R和卫星城J地形标高在1 530～1 580m，城市北面为山区，地形标高在1 800～1 850m。N市周边地形如图1所示。

当地气候主要受赤道、非洲陆地和印度洋的大型压力系统影响，其气候特点是双峰雨季，1年的雨季有2次，大雨季（当地称长雨季，大约是3月-6月），小雨季（当地称短雨季，大约在10月-12月）。

根据当地气象资料统计，该城市北部K河流上游属湿润区，降水丰富，现状K河流上游多年平均降水量1 945.0mm，下游多年平均降水量946.9mm。降水年内分配不均，主要集中在3月-5月、10月-12月，分别占年降水量的45.1%、37.8%；多年平均最大月降水量为218.1mm(4月），多年平均最小月降水量为11.6mm(8月）。

根据当地地形和水文条件，本项目具备较好的外部条件，自流系统的相关要素考虑如下：

(1）水源考虑。针对北部山区降水丰富，但年内分配不均的特点，在K河流上新建大坝蓄水，根据水文资料分析确定大坝和水库的规模，从而确定供水系统规模。

(2）水厂考虑。根据大坝的特征水位和供水末端的高程，合理选择厂址的高程，同时满足原水和清水的重力自流。水厂规模与新建水库的供水能力匹配。

(3）输配水考虑。根据工程特点，水厂出水将根据当地水量需求进行分配，输送至N市及其R卫星城和J卫星城的高位水池，再由高水水池进行配水。

根据以上3方面因素的考虑，本项目系统方案为：大坝/水库+重力输水管线+给水厂+清水重力输送干管+高位水池。系统高程布置和计算结果如图2、图3所示。

大坝及水库的主要参数为：水库正常蓄水位1 855.0 m，最低供水水位1 833.0 m（保障率95%），设计洪水位（P=1%）为1 856.48m，校核洪水位（PMF）为1 857.75m，死库容为530万m³，兴利库容为1 730万m³，滞洪库容为398万m³，总库容为2 658万m³。

取水采用分层取水塔的形式，根据水库特征水位，设置应急取水口最低底高程为1 821m，上层取水孔高程根据分层取水要求，分别为1 828 m、1 836m、1 843.5m和1 851m。

经水文分析，建成后水库供水能力7万m³/d，水量保证率为95%。

原水管道采用1根DN1 000的钢管，从大坝取水塔接出，原水管道总长约为3.2km。

本工程水厂主体净水工艺采用折板絮凝平流沉淀池+V型滤池+清水池的常规工艺。考虑到水库原水水质较好，从水库库址和库区环境分析，也没有大的工业污染源，该工艺可以满足供水标准的要求。

水厂主生产工艺均为重力自流，无需动力。工艺流程如图4所示。

沉淀池1座，分可独立运行4格。DN1 000原水总管进厂后分2根DN700，分别设手动阀门、流量仪、管道静态混合器及调流阀。

折板絮凝池与平流沉淀池合建，规模7万m³/d，絮凝时间约24.94min，分为独立工作4格，每格设计能力1.75万m³/d，絮凝采用折板型式，折板布置为并联单通道，每座并联分为4道，每道由3段串联，水流为竖向流，折板采用120°的相对折板，不锈钢材料。第三级絮凝区底部设穿孔排泥管，末端设隔膜角式排泥阀。

原水经折板絮凝后直接进入沉淀池，平流式沉淀池也分为4格，设计沉淀时间约104min，沉淀池水平流速14.4mm/s。

沉淀池采用指形槽出水，材料为不锈钢，出水负荷为250m³/（d·m）。采用孔口出流形式，指形槽出水进入出水总槽，宽度为1.4m。

沉淀池排泥采用泵吸虹吸式，每2池设1台。吸泥机排出底泥进入4格沉淀池两侧排泥阀槽。

水厂设1座V型滤池，双排布置，共6格，中间设管廊。单格滤池过滤面积约84 m²，设计滤速6.08m/h。V型滤池采用石英砂滤料，有效粒径0.85mm，不均匀系数K₈₀=1.4，滤层厚度1.20m。支承层粒径2～4mm，厚度0.1m。

滤池反冲洗方式为气水反冲加表面扫洗。设计参数：气冲强度55m³/（h·m²），气水同冲时水冲强度9m³/（h·m²），单水冲强度17m³/（h·m²），表面扫洗强度6.08m³/（h·m²）。滤池布水布气系统采用PVCU可调式滤板，上设长柄滤头。反冲洗气源及水源由反冲洗泵房的鼓风机及反冲洗泵提供。

反冲洗泵房与滤池合建，内设反冲洗水泵3台，2用1备，单泵流量760 m³/h，扬程10 m，功率30kW；设罗茨鼓风机2台（1用1备），单台风量4 620m³/h，风机出口风压5m。

新建清水池1座，分为2格，可独立运行，总容积5 000m³，含消毒接触区容积，接触时间约30min。单格清水池设DN700进水管，DN800出水管，并设DN700溢流管，两池溢流管汇合和接至截洪沟。清水池有效水深为4.0m。在清水池接触堰后设后石灰投加点。

(1）加氯。根据当地使用条件和习惯，加氯采用次氯酸钙。预加氯，设2个投加点，位于沉淀池管道混合器前，设计投加量2.5 mg/L，最大投量5.0mg/L。后加氯，设于清水池进水管上，设计投加量2.0mg/L，最大投加量2.5 mg/L。商品次氯酸钙固体溶解至2%浓度的溶液进行投加。

最大投量时，溶液池每天需溶液体积为27.5m³。共设溶液池2格，每格设搅拌机，单格尺寸2.5m×2.5m×2.2m，有效容积13.75m³。最大投量时每天调配2格。

设隔膜计量泵5台，其中前加氯泵3台（2用1备），单泵流量500L/h，扬程4bar；后加氯泵3台，2用1备，单泵流量250L/h，扬程3bar。储存容积：根据业主要求，按平均投加量3个月存储。

(2）加矾。混凝剂：采用商品聚合氯化铝（Al₂O₃含量30%）；设计投加量：15mg/L（固体）；最大投加量：30mg/L（固体）；加注点：混合池的原水进水管上，共设2个加注点；溶解池：溶解浓度20%，最大投加量时每天调配2次，设2格溶解池，单格容积2.8 m³，单格尺寸1.6 m×1.6 m×1.1m。溶液池：稀释倍数：2.5倍，配液浓度：8%，设2格，单格溶液池容积7.6m³，尺寸：2.0m×2.0m×1.8m。投加泵3台（2用1备），单泵流量600L/h，扬程4bar。储存容积：根据业主要求，按平均投加量3个月存储。

(3）加石灰。原水中碱度较低，需投加石灰。前石灰投加点位于管道混合器加矾之前，最大加注量38.2mg/L，投加浓度5%；后石灰投加点位于清水池消毒接触堰后，平均加注量5mg/L，最大加注量10mg/L，投加浓度0.15%。前后石灰均设2个投加点。采用螺杆泵投加，沉前投加石灰乳，消毒后投加饱和石灰水。石灰溶解及投加系统采用成套一体化专用装置。前投加泵3台（2用1备），单泵流量1 200L/h，扬程4bar螺杆泵，变频。后投加泵3台（2用1备），单泵流量10.5 m³/h，扬程3bar螺杆泵，变频。储存容积：根据业主要求，按平均投加量3个月存储。

废水调节池用于接收滤池反冲洗水，并进行回用。调节池分2格，总容积为1 000m³。单格设2台回用泵，单泵流量50m³/h，扬程14m，功率3kW，回用至单格沉淀池进水管调流阀后。单格内设潜水搅拌机2台，单台功率5.5kW，搅拌方向可转动。

水厂出水通过DN800～500管道重力输送至当地3座高位水池，分别为G水池，R水池和J水池。再由3座水池通过现状管网进行配水。

本工程充分利用当地的地形、水文条件，从原水输送、水厂净水处理、清水输配均采用重力自流，单位制水成本约为0.03美元/m³，契合非洲城市的特点，较好地满足了当地供水需求。