凌源市位于遼寧省西部，總體地理特征為“七山一水二分田”,當地農村飲水安全工程建設的重點在山區。多年來，針對因滴水貴如油而導致村民間借水還水的地區性缺水狀況，只能采用從山下遠處有限的水源處引水到山腳，再二次加壓分配到各戶的供給方式。從地區居住人口的分布和用水狀況來看，需要建設的工程系統雖然每戶給水量不多，但由于居住分散，建設總量多，涉及的范圍廣，形成的總體規模極其龐大，建設的投入高，后期維護和運行管理難度大。因此，需要研究貧水山區背景下，農村飲水安全工程經濟適用的建設方法，保證貧水山區農村飲水安全工程的最優投入與高效運行。
1 建設背景
根據凌源市貧水山區峰巒起伏、田塊零碎而不規則的特點，居民通常為方便耕作而分散居住于山坡地帶。因此，工程建設的總體走向均沿坡順勢依地表布置，不僅管路及附屬設施較多，相應的土建工程如過溝坎、穿巖區、越叢林以及防寒凍、防腐蝕等土建工程投入都隨之增大，同時，還因實際坡地各處規模不等的凹凹凸凸等諸多問題，增加了系統的局部阻力和沿程損失，甚至引起氣蝕和氣塞等[1],導致當地貧水山區農村飲水安全工程建設難、管理難、運行難。
從山區人口的居住特點，即依坡面自下而上逐漸向高處延展的情況看，考慮到樓宇給水工程的成熟性，又有成套的標準化機泵配套設備供應，直接引用會使貧水山區農村飲水工程建設有規可依和得到簡化。因此，工程的建設均采用已規范化的城市樓宇給水工程的建設思路和方法，按與樓宇對等的高差范圍劃分承壓區，建設泵房、安裝管路、配置機泵和輔助設施等。但是，多年來的運行發現，如此規范化建設的供水系統，不僅建設過程所用的工程材料和土建工程量幾倍甚至十幾倍的多于同高差規模的樓宇供水系統，而且在運行中，幾乎每個承壓區的末端均有水壓不足或斷水等現象，影響系統功能的正常發揮，同時還帶來管理上的諸多問題。
2 對比分析
針對已建工程，用其對比城市樓宇的給水模式，兩者均是靠壓力將水從低處送到高處，滿足用水需求。對于樓宇供水來說，通常按樓的高度分成若干個不等的承壓區，在樓下泵房中對應不同的承壓區，安裝相應的壓力管道和泵機組，即分區分壓供水。同理，貧水山區農村飲水安全工程的建設也采取類似的做法，即在山腳下建設泵房，按山上居民區片高差的不同，安裝相應的壓力管道和泵機組，實行分區片分壓供水。
進一步研究，我們采取把包括用水戶在內的山坡作為一個等效坡平面來看待，利用工程投影原理，將該坡面包容面的均平面向一過地心的垂平面投影，即可得到一個典型的“等效樓宇結構”,所不同的是，其“等效樓層”和“等效戶位”不十分規則，但這不影響對問題的研究。從這一“等效樓宇結構”形成的“典型樓宇供水模型”著手，進而找出適合的建設方法。
從用水群體的特征來看，城市樓宇的每一層是等戶位的，自下而上形成了矩形三維立體結構，每一層均是一個等高程的用水群；而山區居民的居住特點是隨著山高的增加，戶數在逐漸減少，即呈長邊在下端的平面三角形分布，通常，位于三角形底端的居民與山腳下的泵房間又有較長一段無人居住或很少有人居住的“空區”距離，其形狀可形象地看作是一棵塔松形樹體的垂平面投影。從用水特征來看，由于居區的不同，前者呈各承壓區用水戶相等結構；而后者則隨著承壓區的增高，用水戶在減少，呈反比趨勢。
從建設特征來看，前者呈豎直向上送水結構，后者則呈沿坡向前向上的結構。同時，對于后者的“塔松形樹干”區間，正是供水管路不可或缺，即工程投入極速增大的區域。因此，從建設難度及工程量對比上，研究這一區域乃至整個貧水山區農村飲水安全工程給水系統建設具有重要的意義。正是在此基礎上，提出了差壓供水的模式。
3 工程建設
3.1 結構確立
從工程建設的結構分析出發，對于貧水山區坡居地區，尤其是居戶范圍較大、從下到上相距較遠且高程差較大的村屯，為了向不同高程住戶供水，通常采用樓宇常用的分區分壓方法，即由低、中、高等不同的壓力管道和機組分壓供水，見圖 1（a）。在這種供水方法中，機電設備和管道配置要求高、土建配套工程量大、長期運行費用高[2].尤其在向高處供水時，為減輕泵機組啟動時的硬沖擊，常要采用軟啟動或微機給水，以及配套穩壓、濾波電源等設備，這些設備極易遭受雷擊而損壞，而且，能夠進行這種微電子技術服務的專業技術人員主要集中在一些大城市，一旦損壞，很難及時修復，直接影響農村飲水系統的使用。
3.2 建設過程
針對上述問題，試驗采取了差壓供水方法，即取消原來樓宇式結構的多條主管路，用一條主管路從泵房引出，到達相當于樓宇分壓時的低壓區對應高程時，由支管路接入，對低壓區供水；同時，主管路順坡繼續向上延伸，到達相當于樓宇結構分壓時的中壓區對應高程時，在主管路上安裝一個管道泵，利用低壓區的富裕水頭作為本級的吸入工作水頭，并加壓為中壓區供水；同理，當主管路延伸到相當于樓宇分壓時的高壓區對應高程時，在主管路上再接入一個管道泵，利用中壓區的富裕水頭作為本級的吸入工作水頭并加壓為高壓區供水；以此類推，直至完成一個山坡的全域供水。其簡要結構見圖 1（b）。
這樣建設的給水系統，其各承壓區仍遵循與樓宇相同的分界方法，其低壓區的承壓水頭與樓宇分壓時基本相同，中壓區只需考慮本區壓力水頭減去低壓區的差壓，高壓區也只需考慮本區壓力水頭減去中壓區的差壓，以此類推，即每個高一級的承壓區只需考慮本區壓力水頭減去低一級承壓區的差壓，利用前級末端的富裕水頭，提供本級的吸入水頭，克服了泵的汽蝕，完成高一層級的供水。這樣，在泵產品的選擇上也較為方便，有已經標準化、系列化的泵產品供應，按照泵產品的系列型譜選擇泵機組，通常選擇管道型離心式泵。不僅取消了采用樓宇分壓時，本級至泵房間的專用管路及其造成的沿程和局部損失，且大大簡化了水源泵房建筑結構，優化了系統，還充分利用了前一級的富裕水頭，從而節省了能量消耗[3],同時也降減少了工程量。
3.3 運行效果
由于地區水資源的極度匱乏，根據當地山區生活的特點，所建系統均采取分時段供水，由自備水具儲水，基本可滿足日常生活用水需求，在經濟還不夠發達的貧水山區尤為適用。
泵機組由限時控制器控制，啟動時，先啟動山腳下泵房中的機組，待限定的延時時段（這里取 2min）后，啟動高一層級的水泵，以此類推，再連續運行 2h,基本可滿足全村的供水。系統關機時，則按相反的時序，自動逐級關閉機組。
建設過程中，因工程不同，一般可節省主管路及相關土建工程 50%~65%以上。通過微阻緩閉閥件及弱回流裝置，解決了冬季冰塞及全系統停電的水錘問題。采用繼電邏輯控制，來減少農村曠野雷擊嚴重的問題。
該系統首先在凌源市大河北鄉典型的貧水山區農村飲水安全工程中試驗成功，又在本市其他鄉鎮及周邊地區進行推廣，收到了良好效果。
4 經驗和建議
農村飲水安全保障是一個復雜的系統工程，貧水山區農村飲水安全工程，尤其是經濟欠發達又貧水的山區農村飲水安全工程，情況更加復雜，目前還沒有一個最優的模式能適用全部地區。在保證基本飲水需求的基礎上，使系統盡量簡單、降低運行費用、設備經久耐用是山區農村飲水安全工程所追求的目標。因此，相對于樓宇來說，由于山區農村地域上的分散和廣闊性，泵機組的安裝位置不受樓宇那樣因樓內部密集結構而對機組安裝位置上的較多限制，可以方便的選址而不會因為機組運行影響居民日常生活，為貧水山區農村飲水安全工程的差壓供水方式建設，提供了可行的地域條件。
針對遼寧省凌源市農村飲水安全工程建設中遇到的具體問題做了一些嘗試，目前只考慮了生活用水，沒有考慮生產和消防用水，如需作進一步的推廣應用，還要做深入的理論研究和細化工作，在進一步的工程實踐中，探索適合山區農村飲水安全工程建設的最優方案。
參考文獻
[1]姜乃昌主編·水泵及水泵站[M]·北京：中國建筑工業出版社，1998:151.
[2]曹升樂，王少青，孫秀玲等·農村飲水安全工程建設與管理[M]·北京：中國水利水電出版社，2007:57.
[3] 魏清順·農村供水工程規劃及其節能設計[M]·北京：中國水利水電出版社，2011:63.
