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——《中国水利》2022年第3期 农村供水保障专辑
冬季农村供水防冻实践与思考
来源:《中国水利》杂志官方公众平台
  李亚龙(长江水利委员会长江科学院农业水利研究所所长、教授级高级工程师),范  
    编辑:管理员 归档时间:2022/2/28    

一、农村供水冬季冻害问题与原因分析

1.冬季供水冻害问题表现

农村供水工程冻害会出现在从水源到水龙头的供水全过程中。一是水源冻结,取水口无法取水。二是蓄水池、清水池等构筑物冻结,水池内部水流不畅,影响净水设施正常工作,导致水质不达标或出水管道不能正常供水。三是供水管道冻结,尤其是在晚间零度以下的低温情况,管道内部水流结冰,导致主管、支管、入户管道不通水。四是管网附属设施冻结,如管道沿线安装的进(排)气阀、减压阀、泄水阀、检修阀等阀门冻结,使管道压力、流量受到影响,直接威胁管道的安全运行。五是供水末端水龙头冻结,农村用水户取水设施多布置在户外,冬季水龙头冻结出现不通水的现象较为普遍。

2.农村供水冻害分布特点

一般认为冬季平均气温较低的高海拔和高纬度地区农村供水工程容易发生冻害。这些地区通常包括我国特别寒冷的东北地区、华北地区,以及青藏高原等高海拔地区。东北地区冬季漫长气候寒冷,冰冻时间一般为每年的11月至次年的4月底,华北地区冰冻时间一般为每年的12月至次年的2月。

近年来,随着全球气候变化,极端天气增多增强,冬季气温骤降,对我国许多非传统寒冷地区的冬季农村供水造成了较大影响。根据冻土处于冻结状态持续时间的不同,一般可分为短时冻土、季节性冻土以及多年冻土。在我国,季节性冻土分布范围广,约占国土面积的53.5%,主要分布在北纬30°以北地区。根据不同的冻土类型,我国可划分为7个冻土分区,除我国最南部为非冻土区外,其他区域均有不同类型的冻土,若农村供水管道埋深未达到冻土深以下,则会发生冬季冻害。如西北黄土地区,虽然黄土的保温性能较好,但近年来极端天气造成冬季气温低于常年,当地一般管道埋深已不足以起到防冻作用。又如部分南方地区,其农村供水工程均遇到不同程度的冬季冻害。

3.冬季冻害原因分析

造成农村供水工程水工建(构)筑物及管网结冻的原因可分为自然因素、工程体系因素和运行管护因素。

自然因素可概括为气候寒冷、冰冻期长、冻土层深、气压低等四个方面。在冬季气温低的条件下,供水建(构)筑物在地基土冻胀作用、融沉作用下遭到破坏,管网则会因其中的水结冰而冻裂。通常供水工程的建筑物基础与冻土胶结在一起,冻土对建筑物基础产生冻胀力,当冻胀力足以造成建筑物变形或丧失稳定性时,建筑物便会产生冻胀破坏,这是低温下冻土区水工建筑物遭受冻胀破坏的主要原因。此外,冻土在春季消融时,土体强度降低,水工建筑物基础滑动或塌陷,砌体隆起、开裂、滑动和塌陷,造成破坏。在历年冻融循环及寒冻风化作用下,供水主管冻裂及水工建筑物也会加速老化甚至破坏。

工程体系因素主要有设计不合理、施工不规范、建设标准低等,具体表现在以下几个方面。设计时不结合冻土区客观实际情况,对地基土冻胀力的作用考虑不充分或不予考虑,同时又未采取防冻害办法和措施,水工建筑物在地基土冻胀力作用下丧失稳定性而受到破坏。在未充分考虑极端气候条件的情况下,设计水工建筑物混凝土的配合比、水灰比过高或混凝土标号过低,输(配)水主管埋深不够等,均会造成农村供水工程水工建筑物冻害和水管冻裂。施工不规范也会造成水工建筑物冻害破坏,如施工时灌浆不满、墙背不勾缝不平整,混凝土建筑物振捣不密实,形成蜂窝、麻面,冬季寒冷时容易形成冰楔或挂霜结露,会引起不规则裂缝或水平裂缝。此外,部分农村供水工程使用的建材与管材标准低,冬季防冻保暖作用不明显。

运行管护因素主要体现在老旧工程年久失修、重建轻管突出、管护人员缺乏、管护能力薄弱、管护资金缺乏等方面。各地防冻灾应急机制不完善,冬季低温条件下对工程的日常巡查不到位,缺乏充足的管护人员与经费,工程防冻有关的规范制度不到位,往往会造成农村供水工程冻灾损失的扩大。

二、农村供水防冻实践

1.传统防冻技术实践

针对冬季供水设施易冻结问题,从水源到水龙头的各个关键环节,各地在实践中总结了一些因地制宜的防冻措施。

(1)蓄水池等建(构)筑物防冻

为防止取水口冻结导致无法正常取用水,经常采用将蓄水池、清水池的墙壁加厚设计,或采取增加保温层、加厚覆土层等措施,保证水源水的流动。

(2)净化消毒设备防冻

一般将电气控制设备安装在室内,采用火炉或锅炉取暖。室外的混凝池、沉淀池、过滤池等设施,可根据天气情况,适当调节池内水流的流速,防止池表面低温结冻而影响水质净化效果。

(3)输配水管网及管道附属设施防冻

在工程设计时考虑当地冻土深,一般将输配水管道敷设在冻土层以下来防止管道冻结。管道工程注重“两头暖、中间深”的做法,即水源工程和入户水龙头做好保暖措施,管道埋深在冻土层以下。而对于地下水水位较高的、岩石层开挖困难的地区,采取“浅埋+保温材料+覆土”等防冻技术,布置在户外的明管常采用旧衣服、旧棉絮、海绵、泡沫等材料包裹防冻;针对管道附属设施,一般在夜晚将阀门打开,放空管道和阀体内存水,以防阀体内水结冰或阀门冻裂。

(4)末端供水设施防冻

布置在检修井内的水表采用装填麦草袋、废旧地膜等加强保温,或在井盖上覆盖旧棉被、塑料布等材料保温。户外水龙头一般用泡沫、海绵或旧衣物包裹防冻,有些地区为防止水龙头冻结经常将水龙头打开,让水保持流动,以此来保证用水。

2.新型防冻保暖技术与设备应用

在部分寒冷地区,面对极寒天气时,采用传统防冻技术措施已无法满足防冻要求,一些新型防冻材料与设备被应用到供水设施的关键防冻环节。如在新疆阿克陶县山区,深埋管道(设计埋深3m)仍不能满足防冻要求时,采用了电伴热保温措施(成本较高)或保温材料(防腐层+绝热层+防水层+保护层)对管道进行保温,在阀井的井内外壁铺设保温苯板防止阀井内冻胀,另针对户外水龙头设置防冻给水栓。西藏自治区采取了太阳能光伏供水技术模式、“机井+变频柜+管网入户”技术模式、“太阳能+机井”技术模式应对冬季供水设施易冻结问题。四川省成都市引进了一种适用于高寒地区供水工程的新型防冻水龙头,该种水龙头与传统水龙头相比,不仅能达到防冻要求,还配置了过滤装置,能减少涉水疾病发病率,且采用了新技术,使用寿命较长。采用新型防冻材料与设备虽然能达到寒冷季节防冻要求,但与传统防冻技术相比,其成本较高,在一些偏远山区或经济落后的地区未能广泛推广应用。

3.农村供水工程防冻管理现状

根据各地农村供水工程实际防冻情况来看,供水工程的防冻管理仍然存在很多问题,例如缺少专业的管护与维修人员、工程基础设施损坏严重、工程的使用价值低下等情况。尤其是在偏远地区,若管护人员落实职责不到位,工程无人巡查,很快就会冻结,山区农村居民缺乏防冻技术知识,任意启闭阀门井,经常开关阀门,会导致冷空气进入阀井内,冻坏水表、管道等情况,从而影响工程正常运行。

此外,部分地区对防冻知识宣传不到位,未面向管水员开展集中的防冻知识培训,从而造成供水设施冻损,影响居民取用水。

三、农村供水工程冬季防冻建议与思考

经过多年实践、经验总结和关键技术材料应用等,解决农村供水工程防冻问题取得了初步成效,但还存在以下四个相对突出的问题:一是缺乏农村供水防冻技术评价与风险评估;二是尚未形成有效的农村供水工程防冻技术模式,未形成农村供水管网与末端防冻协同技术体系;三是农村供水冬季防冻管护体制机制不健全;四是信息化技术的支撑作用尚未引起足够的重视。因此,仍需针对上述问题开展深入、系统的研究,构建科学合理的农村供水防冻技术体系,为农村供水高质量发展保驾护航。

1.开展农村供水防冻技术评价与风险评估

目前,我国青藏高原等高海拔地区及东北、华北、西北寒冷地区已积累了较为丰富的农村供水工程冬季防冻经验,总结形成了相应的农村供水工程冬季防冻措施。由于不同地区的工程防冻措施主要基于各地气候特点及工程管理实践,尚未对这些防冻措施进行系统梳理与效果评估,不利于其他地区借鉴。因此,应开展农村供水工程防冻技术评价工作,通过对我国各地冬季农村供水工程现有防冻技术资料的收集与整理,开展实地调查,梳理针对不同水源(地下水与地表水)取水设施、净化消毒设备、供水管网与供水末端的防冻技术,从经济成本、环境影响、防冻效果、防冻管理等方面,构建农村供水工程防冻技术评估指标体系,对各类防冻技术开展评价。

此外,农村供水风险管理也越来越受到科研人员、工程管理人员的重视。针对农村供水风险,大部分学者着眼于水质监测及其卫生健康方面。与城市供水相比,农村供水工程往往规模较小、数量较多,且分布范围广,工程的运行管理不规范,卫生监管难度较大。农村供水的风险不仅存在于水质的健康状况,更存在于农村供水工程运行的全过程,从源头到龙头,从设计到后期运行管护。在这些关键环节中,工程冻害是造成工程无法正常运行的风险要素之一。因此,在农村供水风险分析过程中,应将冻害作为风险要素之一纳入农村供水风险指标体系,并绘制风险要素空间分布图,从而更全面地了解冻害风险的空间分布规律。

2.完善农村供水防冻技术体系

目前,我国小型农村集中供水工程仍然占有较高的比例,这类工程的水源通常较小,取水设施较为简单,因而更易发生冻害。尽管寒冷地区根据冬季农村供水经验,试图解决农村供水防冻问题,也形成了农村供水防冻应用技术,但这些技术主要源于农村供水工程冬季防冻管理实践,尚未形成从水源到水龙头的完整技术体系。此外,除这些寒冷地区外,受气候变化影响,我国其他地区尤其是常规意义上偏暖的南方地区,近年来在冬季也经历了极低气温,由于此前很少遭遇此类极端气候,其农村供水工程并无系统的冬季防冻措施,导致工程在冬季出现冻害。因此,要进一步总结提炼冬季防冻做法经验,积极开展取水设施、消毒净化设备、供水管网及末端供水设施等防冻技术综合集成,构建覆盖供水全过程、制水全流程的协同防冻技术模式,制定农村供水防冻技术标准,并加强供水防冻技术和设施设备的研发、示范与推广。

3.建立农村供水冬季防冻管护体制机制

做好农村供水工程冬季防冻,要从施工监督、日常管护、宣传教育等多方面建立健全农村供水冬季防冻管理体制机制。

在农村供水工程建设过程中,要重视施工质量,严格施工程序,加强施工过程中的全过程监督。供水工程所需的各种管材、提水设备、水泥、钢材等应实行统一采购制,对进场各类材料、供水设备进行质量抽检。严格按照施工规范要求进行管道敷设,管道安装施工要满足埋深及防冻要求,确保管材施工质量。在验收过程中应严格执行验收标准,并加强督促检查力度。

在农村供水工程日常管护中,水行政主管部门要加强区域内农村供水防冻工作的指导、监督和检查,把农村供水防冻作为重要工作来抓。要加强供水设施日常巡查维修,完善供水设施防寒措施,建立健全应急保障工作机制。要积极做好防寒防冻的物资储备,在冬季来临前,提早购置阀门井盖、铁锹、除雪工具等材料,为防寒防冻工作提供充足的物资保障。

在宣传教育方面,要加强对用水户安全用水知识和自我防范意识的宣传,向用水户提供防冻便民技术服务,帮助和指导用水户做好用水设施设备的防冻工作。加强管水员农村供水工程维修技术技能的培训,提高农村供水管水员对农村供水管网熟悉程度,对损坏的供水设施部件及时更换。加强对入户管网末端设施的防护保护知识宣传。

4.强化信息化技术的支撑作用

具备条件的地方,积极推进基于“移动互联网+”、大数据、物联网、传感器技术和5G 技术的农村供水信息化、自动化、智能化建设,逐步提升农村供水信息化管理水平,逐步实现农村供水从取水、输水、制水到配水的供水过程监管;充分利用当地寒冷季节天气预测预报数据,做好农村供水冻害风险预测、预报、预警和预案。

链接:农村供水保障专辑(《中国水利》杂志2022年第3期)

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