一种分布式地表水供水水源系统的制作方法

本发明涉及一种分布式地表水供水水源系统，特别涉及一种确保水质水量的供水水源地的优化配置系统，属于水源技术领域。

背景技术：

雅加达-万隆地区地处赤道附近的爪哇岛，降雨丰沛，水资源量丰富；然而，该地区属于火山岛地形，山高坡陡，比降大，地形破碎，地质活跃，土壤为火山灰土，植被遭到破坏，水土流失严重。随着经济社会的发展，居民生活用水需求不断增长，同时由于城市的不断扩张，城市边缘沿河/沟道不断上溯，现有水源地多在流域中下游，形成人高水低的局面，集中供水耗能不断增加。分布式地表水供水水源系统能更好的应对当地对于水质和水量的要求。

我国部分地区水资源量较大，但地形复杂破碎，比降大，水土流失严重，不具备建设大型水源地的条件，且山区居民分散，供水需求分散，人高水低造成的饮用水难以保障问题突出。

综上所述，此类地区具有水资源丰富、地形复杂破碎、比降大、水土流失严重、难以建设集中式水源地、供水需求分散以及人高水低的特点。生活方式和地理条件等因素的限制，导致此类地区不具备建设大型水源地的条件；取用水中泥沙含量较高，水质很差，原有集中式的供水水源无法满足城市发展所带来对供水水源水质和水量的要求，且由于水文特点以及地形地貌等因素的影响，无法建立更多的集中式供水水源，严重影响人民的生活以及经济社会的发展。

技术实现要素：

本发明提供一种分布式地表水供水水源系统，目的是解决不具备建设大型水源地条件的山区饮水难的问题。该系统主要包括以下组成：根据当地情况建立多个串联或并联的小水库，形成水库群并进行联合调度，保证供水水量需求；再以研发的基于“流致振动”原理的自净自持力较强的取水构筑物形成取水系统，保证取水水质；最后以成熟的清洁小流域治理技术构建进入小水库的地表来水水质保障体系，从而形成具有一定规模供水能力的分布式地表水供水水源系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种分布式地表水供水水源方法，具体步骤如下：

步骤一、确定供水目标和需水规模

明确用水区域，确定用水区的范围面积、人口数、人口增长率、人均gdp、经济增长率、万元gdp用水率及生态用水定额，分析用水区现状需水量w并预测20年后的需水量w’。

生产生活需水量：现状用水量w生＝人均用水量×人口数；20年后需水量w生’＝人均用水量×人口数×(1+人口增长率)²⁰

工业需水量：工业现状用水量w工＝人均gdp×人口×万元gdp用水量；20年后工业现状用水量w工’＝人均gdp×(1+经济增长率)²⁰×人口×(1+人口增长率)²⁰×万元gdp用水量

生态需水量：w生＝当地生态用水定额×当地面积

用水区现状需水情况:w＝w生+w工+w生；未来20年的需水:w’＝w生’+w工’+w生

步骤二、确定工程范围及供水能力

确定各个小流域的流域面积，根据当地的降水情况和径流状况，确定当地的水资源量。以当地的自然条件、地形、气象、径流、水土流失、流域建坝资源等情况为基础，依据小流域坝系可行性研究总体布局和地形、地质、环境、建筑材料等条件，从合理、安全、经济方面综合考虑，确定新增小水库规模与布局，从而获得流域的水资源量wq多少及工程的最大可供水能力wp。其计算方法为：

流域径流深为降雨量和径流系数的乘积r＝c×p式中：r为径流深，p为降雨量，c为径流系数；流域的径流量为流域面积与径流深的乘积wq＝s×r式中：wq是流域水资源量，s是集水面积

在保证wq>wp>w’的条件下，建立合适的水利工程可以满足当地对于水量的要求。

步骤三、工程应用与运行

在步骤一、二的基础上建造多个小水库，在同一条沟道建造多个串联小水库或者不同沟道、不同小流域建造小水库实现并联，形成水库群；并根据水量平衡原理对水库群进行联合调度，汛期降雨量大，能保证小水库供水量充足，但易发生洪水，坝型需选择带有溢流堰，使洪水能自动下泄；平水期甚至枯水期取水由水库的总有效库容的存水保障供水，保证取用水量的稳定；在取水方面采用具有一定自持、自净能力的基于“流致振动”原理的取水装置进行小水库的取水，尤其汛期洪水带来的水质波动，通过取水装置保障水质稳定；并实时监控，定期进行维护检修。

步骤四、确定区域水质保障体系

采用生态清洁小流域综合治理技术，从山顶到河谷以此建设“生态修复、生态治理、生态保护”三道防线，从根源改善当地水土流失状况和水污染问题，使流域清水长流。

步骤三所述的取水装置，包括取水系统、振动自持系统、输水系统和监测控制系统。

每个小水库中安装取水装置，多个取水装置通过管路联通，使得上游被过滤的水通过管路外接取水或者流入下游小水库中。

取水系统包括桩基、透水板、支撑骨架。多块透水板构成一个空间，内部通过多条支撑骨架牢固支撑，桩基位于空间底部，需保证空间顶部带有倾斜角度、空间底面高于死水位、所述透水板之间软连接，保证透水板能够震动同时防止砂砾进入取水系统；震动自持系统包括长连杆、短连杆和振动柱。长连杆的一端与振动柱固定连接，另一端与支撑骨架通过铰链连接，支撑骨架与透水板通过短连杆连接；示意图可参考图4；输水系统包括管路和电磁阀，电磁阀置于管路上，用于控制水流流量和流速；监测控制系统包括摄像头、太阳能电池板、可调开度电磁阀、输水管道压力传感器、流量计和控制软件平台，用于系统的监测、控制和检修。

所述空间顶部的倾斜角度大于40°。

在上游流入的管路与向下游流出的管路之间设置旁通管，旁通管上布置有电磁阀；通过调节电磁阀来控制进入取水装置的水流流量和流速；

工作过程：取水装置整体置于水中，且需保证建设在小水库的死库容水位之上，用桩基支撑；水流通过透水板进入取水装置，然后在重力作用下从出水口流出；此时能够过滤掉泥沙等颗粒物；振动柱在水流作用下发生左右摆动，从而通过铰链带动透水板震动，抖落高含沙水体渗透取水过程中沉积在透水板表面的泥沙，摆动幅度和频率由通过调节电磁阀开度调控的水流流速和涡动强度决定。并通过监测控制系统实时监控。

检修过程：根据水库的相对位置，从上游水库到下游水库以此进行检修。检修有两种状态：一是增大过流强度，加大透水板的摆动幅度，使透水板表面表保持清洁，确保透水板的透水效率；二是关闭向下游流出管路和旁通管上的电磁阀，利用上下游高差大的地理条件，使得取水装置内部的压力大于外部的水压，水流从装置内部反向流出，此时水流的情况可参考图6，实现取水装置的反冲洗。检修过程可通过摄像头进行监控，实时确定装置的运行状态。

串(并)联取水装置：取水装置的串并联情况需参考水库群的布局情况。

工作原理：用的是“流致振动”原理和渗滤式取水相结合的取水方式，其中“流致振动”原理为流体流经柱体表面，会在柱体后方形成交替性的旋涡脱落，旋涡的脱落会进一步在柱体表面产生周期性的脉动作用力，当柱体为弹性安装时，这种作用力会导致柱体产生周期性振动。示意图可参考图5。

有益效果

1、本发明提出了分布式地表水水源系统，利用当地的地形，建立一系列串联或并联的小水库，构成水库群，通过水库群联合调度，保证万隆地区的用水，实现供水水量的稳定；相对于现有的单个水库供水，小水库具有布置灵活，占地小，库区移民少，工程建设难度小的突出优点。

2、本发明利用“流致振动”原理和渗滤式取水相结合的取水方式，装置具有一定的自持、自净能力，保障取水水质稳定。“流致振动”调节装置与四周透水取水板连接，在水流作用下发生震动，做到从浑浊的洪水中取到干净的水，同时取水装置由于震动，能够迅速“抖落”取水过程中附着的泥土，并可实时监测控制和检修，以防止泥沙沉积附着，保证取水效率不降低。

3、本发明利用生态清洁小流域治理技术，从山顶到河谷建设“生态修复、生态治理、生态保护”三道防线，从根源改善当地水土流失状况和水污染问题，将流域建设成清水长流的水土保持的生态系统。

附图说明

图1为上游最初的取水构筑物示意图；

图2为下游取水构筑物图示；

图3为下游管道细节图；

图4为装置振动结构详图；

图5为流致振动原理细节图；

图6为反冲洗结构示意图；

图7为万隆小流域坝系工程示例图；

图8为万隆小流域水库群取水示意图。

其中，1—桩基；2—透水板；3—支撑骨架；4—长连杆；5—短连杆；6—振动柱；7—电磁阀。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1

万隆小流域流域坝系工程：万隆地区地处赤道附近火山环抱的高原盆地之中，海拔较高，终年高温多雨，地形破碎，坡降很大，地质活跃，土壤多为火山灰土，植被破坏严重，极易发生水土流失，基于当地的气候地形条件，建立集中式供水水源难度极大；且万隆地区人口较多，城市发展速度较快，取用水水质污染严重，当地现有的供水水源不足以支撑人民的生产生活的需水以及对水质的要求。

根据上述情况对该地区进行分析，以万隆地区一个3万人口的小城镇为例，以期通过工程系统改善存在的问题，具体步骤如下：

步骤一、确定供水目标和需水规模

调查可知城镇人口为3万人，人均用水量为185l/d·人，人口增长率为1.28％，大坝的设计年限为20年，由此可知城镇的生产生活现状用水量555万m³，20年后需水量为716万m³；2017年印度尼西亚的人均gdp为1万元，印度尼西亚的万元gdp用水量为350m³/万元，考虑经济增长的因素，经济增长率为5％，由此可知城镇工业现状用水量1050万m³，20年后的工业需水量2946万m³；查资料可知，当地生态用水定额为1l/m²·d,当地的面积为3km²，故当地的生态需水量为108万m³。

由此可知当地的现状实际需水量为1714万m³,20年后的需水量为3770万m³。

步骤二、确定工程工程范围和供水能力

如图7所示为万隆地区两个小流域多个水库串、并联示意图，两个小流域的面积为分别为1.61km²和15.29km²，流域水库的控制面积共为6.67km²，根据淤地坝总的控制面积和降雨—产流情况计算最大可供水量，根据万隆地区年降水状况可知当地平均年降水量为1838.3mm，根据供水保证率要求达到95％可求得水库的可供水量。则可求得小流域的水资源量为6057万m³，水库可供水量5755万m³。

由步骤一和步骤二可知，小流域的水资源量和工程可供水量远大于当地的需水量，即wq>wp>w’，可以建立合适的工程措施足以满地对于水量的要求。

步骤三、工程应用与运行

在步骤一、二的基础上建造多个小水库，在同一条沟道建造多个串联小水库或者不同沟道、不同小流域建造小水库实现并联，形成水库群；并根据水量平衡原理对水库群进行联合调度，汛期降雨量大，能保证小水库供水量充足，但易发生洪水，坝型需选择带有溢流堰，使洪水能自动下泄；平水期甚至枯水期取水由水库的总有效水库的存水保障供水，保证取用水量的稳定；在取水方面采用具有一定自持、自净能力的基于“流致振动”原理的取水装置进行小水库的取水，尤其汛期洪水带来的水质波动，通过取水装置保障水质稳定；并实时监控，定期进行维护检修。

步骤四、确定区域水质保障体系

采用生态清洁小流域综合治理技术，从山顶到河谷以此建设“生态修复、生态治理、生态保护”三道防线，从根源改善当地水土流失状况和水污染问题，使流域清水长流。

工作过程：如图7为两个小流域多个水库串、并联为城镇供水，根据水量平衡的原理对多个小水库进行联合调度，确保城镇的用水水量。利用取水装置进行小水库取水需参考书库群的布设情况。两个流域的水库串、并联取水的管道线路如图8所示，一个小流域的流域上游四个水库分为两支流，支流各有两个小水库(①②和③④)通过串联将所取水通过管道向下游输送至同一水库(⑤)，两支上的水库(①②和③④)形成并联；下游两个水库(⑤和⑥)形成串联，通过取水装置和管路为城镇供水；不同流域的水库(①②③④⑤⑥和⑦)并联，一块为城镇供水，保证城镇供水量充足。

汛期降雨量较大，降水充足，小水库的供水量可以得到保证，但是易发生洪水和水土流失，洪水通过水库的溢流堰随时进行下泄，对于汛期洪水造成的水质波动和水土流失造成的泥沙污染可通过基于“流致振动”原理的取水装置进行水库净化取水和采用生态清洁小流域综合治理技术综合治理；平水期甚至枯水期取水由水库的总有效水库的存水保障供水，保证取用水量的稳定。

基于“流致振动”原理的取水装置进行水库取水时，水流通过透水板进入取水装置，然后在重力作用下从出水口流出；此时能够过滤掉泥沙等颗粒物；振动柱在水流作用下发生左右摆动，从而通过铰链带动透水板震动，抖落高含沙水体渗透取水过程中沉积在透水板表面的泥沙；图3的旁通管的电磁阀可调节其开度，以此来控制进入取水装置的水流流量和流速。摆动幅度和频率由通过调节电磁阀开度调控的水流流速和涡动强度决定；并可通过监测控制系统实时监控。

检修过程：根据水库的相对位置，从上游水库到下游水库以此进行检修。检修有两种状态，一是增大过流强度，加大透水板的摆动幅度，使透水板表面表保持清洁，确保透水板的透水效率；二是关闭向下游流出管路和旁通管上的电磁阀，利用上下游高差大的地理条件，使得取水装置内部的压力大于外部的水压，水流从装置内部反向流出，此时水流的情况可参考图6，实现取水装置的反冲洗。检修过程可通过摄像头进行监控，实时确定装置的情况。

串(并)联取水装置：取水装置的串并联情况需参考水库群的布局情况。根据图7水库的布局情况和图8所示的取水装置线路，最上游小水库有①③⑦其取水装置参考图1，小水库②③④⑤⑥的取水装置参考图2；由图7可知其中一个小流域上小水库①②和③④分别串联后并联，然后汇入小水库⑤中，下游两个小水库⑤和⑥形成串联；另一流域上仅小水库⑦，不同流域的小水库①②③④⑤⑥和⑦并联，一块为城镇供水。

结果表征：建立水库群之后，取水装置为城镇的日供水能力为15.8万m³，使得城镇的供水充足，解决了当地水量不足的问题；采用基于“流致振动”原理的取水装置进行水库取水，水中的泥沙颗粒明显减少，使取水水质情况得到了明显的改善，解决了当地水质差的问题；采用生态清洁小流域治理技术，有效地控制水土流失，从根本上改善当地的生态状况。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。