徐得潛，徐雨豪

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009)

在村鎮(zhèn)給水工程中，配水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)流量是確定管徑和二級泵站揚(yáng)程的依據(jù)，對工程投資和運(yùn)行費(fèi)用影響較大。當(dāng)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量與實(shí)際用水流量相符時，才能科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)給水工程。根據(jù) 《鎮(zhèn)(鄉(xiāng))村給水工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 123—2008)[1]和《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》(SL 310—2019)[2]，村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量應(yīng)根據(jù)最高日最高時用水量計(jì)算。在實(shí)際工作中，由于村鎮(zhèn)給水規(guī)模不大、居民點(diǎn)較為分散、用水時間集中、采用樹狀網(wǎng)等原因，配水管段設(shè)計(jì)流量偏小[3]，難以滿足居民正常用水需求。針對這些問題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。張雄等[4]分析了農(nóng)村給水管網(wǎng)管段流量傳統(tǒng)計(jì)算方法的適用條件和局限性，以人均當(dāng)量法為基礎(chǔ)，提出了加權(quán)人畜用水當(dāng)量法；張建等[5]基于建筑內(nèi)部給水設(shè)計(jì)秒流量平方根法，提出了龍頭當(dāng)量法。但這2種方法均未考慮我國近年來實(shí)施的田園綜合體、美好鄉(xiāng)村建設(shè)等鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略促進(jìn)了村鎮(zhèn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活水平提高，使村鎮(zhèn)居民用水量增加這一現(xiàn)狀，不再適用于村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算。朱錫林[3]借鑒住宅建筑給水設(shè)計(jì)秒流量計(jì)算思路，提出規(guī)模較小的村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)采用“設(shè)計(jì)秒流量”計(jì)算方法，規(guī)模較大的村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)采用“最高日最大時”計(jì)算方法，但未提及規(guī)模適中的村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法。

針對村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法存在的問題，筆者根據(jù)我國村鎮(zhèn)給水工程特點(diǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對用水的需求，基于保障村鎮(zhèn)居民用水安全和科學(xué)合理設(shè)計(jì)村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)工程，在分析村鎮(zhèn)給水工程規(guī)模對配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法選擇影響的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算進(jìn)戶管流量及其概率分布，分析不同給水規(guī)模村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量臨界值，提出了村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算新方法。

1 給水工程規(guī)模與計(jì)算方法選擇

村鎮(zhèn)集中式給水工程按給水規(guī)模可劃分為5種類型[2]。以我國一區(qū)為例，取綜合用水定額qd為200 L/(cap·d)[6]，可得到相應(yīng)的用水人數(shù)，見表1。

表1 村鎮(zhèn)集中式給水工程類型劃分Tab.1 Classification of centralized water supply projects in villages and towns

由表1可知，不同類型村鎮(zhèn)給水工程的規(guī)模和用水人數(shù)的范圍跨度較大，類似根據(jù)用水人數(shù)劃分的城鎮(zhèn)給水、居住小區(qū)室外給水和建筑內(nèi)部給水。因此可通過研究這三者的給水特點(diǎn)和配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法(見表2)，確定不同類型村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量的計(jì)算思路。

表2 城鎮(zhèn)、居住小區(qū)和建筑內(nèi)部給水特點(diǎn)與配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法Tab.2 Characteristics of water supply in towns, residential areas and buildings, and flow calculation method for water distribution network design

對比表1、表2可知，Ⅰ、Ⅱ型村鎮(zhèn)給水規(guī)模較大，用水人數(shù)在城鎮(zhèn)用水人數(shù)范圍內(nèi)，可采用最高日最大時流量法計(jì)算配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量；Ⅲ、Ⅳ型村鎮(zhèn)給水規(guī)模適中，用水人數(shù)與居住小區(qū)類似，但現(xiàn)行的居住小區(qū)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法為依據(jù)服務(wù)人數(shù)、用水定額和衛(wèi)生器具設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)等，計(jì)算各種建筑的管段流量和節(jié)點(diǎn)流量確定[8]，主要采用設(shè)計(jì)秒流量法，并未考慮設(shè)計(jì)秒流量法與最大時流量法的銜接問題，因此在研究這2種計(jì)算方法差異的基礎(chǔ)上，需研究配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算的新方法；Ⅴ型村鎮(zhèn)的給水規(guī)模較小，用水人數(shù)與建筑內(nèi)部相當(dāng)，可參照建筑內(nèi)部給水設(shè)計(jì)秒流量法，利用概率法進(jìn)行計(jì)算。

主要針對Ⅲ、Ⅳ型和Ⅴ型村鎮(zhèn)給水工程配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法開展研究。

2 配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法

2.1 Ⅴ型村鎮(zhèn)設(shè)計(jì)流量

Ⅴ型村鎮(zhèn)給水工程規(guī)模小，用水人數(shù)少，可根據(jù)進(jìn)戶管流量及其概率分布來計(jì)算配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量。

2.1.1 基本參數(shù)

(1)衛(wèi)生器具使用概率

依據(jù)亨特概率法[9]，在用水高峰時段，衛(wèi)生器具使用概率p=t/T0，其中t為用水時間，T0為用水高峰時段連續(xù)2次用水的時間間隔，取T0=3 600 s，為高峰時段用水量，則有：

(1)

(2)

式中，α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，表示衛(wèi)生器具用水量占高峰時段全部用水量的百分比，按《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50331—2002)[10]取值；qd為最高日用水定額，L/(cap·d)；Kh為時變化系數(shù)；N為計(jì)算管段用水人數(shù)；0.2為單位給水當(dāng)量的額定流量，L/s；Ng為衛(wèi)生器具給水當(dāng)量數(shù)；T為用水小時數(shù)，取24 h，若為定時供水，則按實(shí)際用水小時數(shù)取值。

(2)用水保證率

用水保證率為配水管網(wǎng)所供水量滿足用戶實(shí)際用水需求的程度，取值范圍為0.90～0.95[6]。村鎮(zhèn)給水工程用水保證率的主要影響因素為設(shè)計(jì)規(guī)模。規(guī)模較小時，用水人數(shù)較少，用水均勻性差，為保證居民的正常用水，應(yīng)選取較高的用水保證率；規(guī)模較大時，用水人數(shù)較多，用水均勻性較好，稍低的用水保證率既可保證供水可靠性，還能減少管網(wǎng)的投資。

2.1.2 計(jì)算方法

(1)進(jìn)戶管流量概率分布

設(shè)村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)計(jì)算管段共有n根進(jìn)戶管，每根進(jìn)戶管流量為q0j(j=1，2，…，n)。最大用水時，進(jìn)戶管流量為1個與村鎮(zhèn)住戶給水設(shè)備類型和設(shè)置數(shù)量有關(guān)的隨機(jī)變量。設(shè)每戶共有k種衛(wèi)生器具，各種衛(wèi)生器具數(shù)、使用數(shù)、使用概率和額定流量分別為ni、mi、pi和qi(i=1，2，…，k)。則可能出現(xiàn)的進(jìn)戶管流量q0j和對應(yīng)概率Pq0j[11]：

(3)

《鎮(zhèn)(鄉(xiāng))村給水工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 123—2008)將村鎮(zhèn)住宅按給水設(shè)備設(shè)置類型分成4類，但考慮到近年來國家大力實(shí)施的農(nóng)村改水改廁政策以及該規(guī)程的制定時間較早等因素，結(jié)合村鎮(zhèn)實(shí)際情況將村鎮(zhèn)住宅按給水設(shè)備設(shè)置類型分成2類：Ⅰ類住宅，戶內(nèi)有給水排水衛(wèi)生設(shè)備，無淋浴設(shè)備，最高日綜合用水定額qd=100～230 L/(cap·d)，時變化系數(shù)Kh=2.0～2.5；Ⅱ類住宅，戶內(nèi)有給水排水衛(wèi)生設(shè)備和淋浴設(shè)備，qd=160～300 L/(cap·d)，時變化系數(shù)Kh=1.7～2.3。

村鎮(zhèn)Ⅰ、Ⅱ類住宅的最高日綜合用水定額下限值和時變化系數(shù)，是在依據(jù)生活用水定額和時變化系數(shù)[1]的基礎(chǔ)上，綜合考慮公共建筑用水、工業(yè)用水、畜禽飼養(yǎng)用水、管網(wǎng)漏損水和未預(yù)見用水確定，且最高日綜合用水定額應(yīng)低于Ⅱ型小城市綜合用水量指標(biāo)[12]。

不同類型村鎮(zhèn)住宅的衛(wèi)生器具設(shè)置情況和當(dāng)量數(shù)等參數(shù)如下：Ⅰ類住宅，衛(wèi)生器具包括大便器、洗臉盆、洗滌盆，給水當(dāng)量數(shù)N0=2.25；Ⅱ類住宅，衛(wèi)生器具包括大便器、洗臉盆、洗滌盆、洗衣機(jī)、熱水器和淋浴器等，給水當(dāng)量數(shù)N0=4.00。

隨著田園綜合體項(xiàng)目和鄉(xiāng)村振興計(jì)劃的開展，村鎮(zhèn)居民生活水平不斷提高，住宅的給水設(shè)備類型也在不斷完善，多數(shù)村鎮(zhèn)的住宅以第Ⅱ類為主。取qd=250 L/(cap·d)，N=3.5，Kh=2.0，N0=4.0，T=24 h，代入式(2)，計(jì)算可得到各種衛(wèi)生器具的使用概率，見表3。

表3 Ⅱ類村鎮(zhèn)住宅每戶不同衛(wèi)生器具相關(guān)參數(shù)Tab.3 Related parameters of different sanitary appliances for each household in Class II villages and towns

將表2中的相關(guān)參數(shù)代入式(3)，即可求得進(jìn)戶管流量q0j和概率分布，見表4。

表4 Ⅱ類村鎮(zhèn)住宅進(jìn)戶管流量與概率分布Tab.4 Flow of inlet pipe and probability distribution of Class II villages and towns

由表4可以得出，E(q0j)=0.020 26，D(q0j)=0.002 94。

(2)計(jì)算方法

(4)

(5)

P(z≤qg)=P

(6)

(7)

式中，φ(Z)為P的函數(shù)，按標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表取值。

2.2 Ⅲ、Ⅳ型村鎮(zhèn)設(shè)計(jì)流量

Ⅲ、Ⅳ型村鎮(zhèn)給水工程用水人數(shù)較多，規(guī)模適中，與居住小區(qū)的給水規(guī)模相當(dāng)。借鑒居住小區(qū)室外給水設(shè)計(jì)秒流量計(jì)算方法[13]，從研究正態(tài)分布法和最大時設(shè)計(jì)秒流量法的差異性出發(fā)，以村鎮(zhèn)不同類型住宅給水相關(guān)參數(shù)為準(zhǔn)，推導(dǎo)Ⅲ、Ⅳ型村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法。

令n=NG/N0，其中n為戶數(shù)，NG為計(jì)算管段當(dāng)量數(shù)，N0為戶均給水當(dāng)量數(shù)，代入式(7)(取P=0.95)，則：

(8)

令N=NG·f/N0，其中N為用水人數(shù)，f為戶均人口，NG、N0含義同前，則最大時設(shè)計(jì)秒流量：

(9)

取村鎮(zhèn)常見Ⅱ類住宅的qd=250 L/(cap·d)，f=3.5，N0=4.0，Kh=2.0，T=24 h，代入式(8)、式(9)，得到：

(10)

Qs=0.005 064NG

(11)

根據(jù)式(10)和式(11)，分別繪制NG與qg、Qs的函數(shù)曲線，如圖1所示。

最大時設(shè)計(jì)秒流量法的臨界流量為40 L/s[8]，故令Qs=40，解得NG=7 899(圖1中A點(diǎn))。當(dāng)用水人數(shù)小于臨界值3 000人(當(dāng)量數(shù)NG=3 429)時，屬于建筑內(nèi)部給水范圍，應(yīng)采用正態(tài)分布法計(jì)算配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，解得qg=19.97 L/s(圖1中B點(diǎn))。

圖1 不同計(jì)算方法的設(shè)計(jì)流量與當(dāng)量數(shù)的對應(yīng)關(guān)系Fig.1 Correspondence between design flow and equivalent number of different calculation methods

當(dāng)3 429

Q=0.00488NG+4.605

(12)

適用條件為3 429

式(12)是在?、蝾愖≌罡呷站C合用水定額qd=250 L/(cap·d)時推導(dǎo)的結(jié)果，現(xiàn)保持其他參數(shù)不變，分別取最高日綜合用水定額的下限值qd=160 L/(cap·d)和上限值qd=300 L/(cap·d)，推導(dǎo)得出相應(yīng)的配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式：

Q=0.003 006NG+2.9

(13)

適用條件為3 429

Q=0.00517NG+5.961

(14)

適用條件為3 429

由式(13)和式(14)可知，其他參數(shù)不變時，綜合用水定額qd取值越大，配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式的斜率越大，截距也越大，適用條件的下限值不變，上限值越低。

對于Ⅰ類住宅，取qd=160 L/(cap·d)，f=3.5，N0=2.25，Kh=2.2，T=24 h，也可求得配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量：

Q=0.005851NG+3.063

(15)

適用條件為1 929

為了研究衛(wèi)生器具對計(jì)算公式的影響，取N0=4，其他參數(shù)取值不變，得到：

Q=0.003282NG+3.173

(16)

適用條件為3 429

由式(15)和式(16)可知，其他參數(shù)不變時，衛(wèi)生器具設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)越高，配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式的斜率越小，截距越大，適用條件的下限值和上限值越高。

現(xiàn)保持其他參數(shù)不變，分別取Ⅰ類住宅最高日綜合用水定額的下限值qd=100 L/(cap·d)和上限值qd=230 L/(cap·d)，推導(dǎo)得出相應(yīng)的配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式：

Q=0.003754NG+2.088

(17)

適用條件為1 929

Q=0.008087NG+4.49

(18)

適用條件為1 929

式(12)至式(18)是以村鎮(zhèn)Ⅰ、Ⅱ類住宅推導(dǎo)得到的計(jì)算公式，在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，可根據(jù)村鎮(zhèn)的用水習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等選擇合適的參數(shù)，推導(dǎo)出適合當(dāng)?shù)氐呐渌芫W(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式。

3 實(shí)例分析

歙縣溪頭鎮(zhèn)某村共有2 140戶、7 490人，采用集中給水方式，以Ⅱ類住宅為主，供水管網(wǎng)布置見圖2。qd=250 L/(cap·d)，Qd=1 498 m3/d，Kh=2.0，T=24 h，不考慮村鎮(zhèn)配套設(shè)施和集中大用戶用水量。

圖2 溪頭鎮(zhèn)某村供水管網(wǎng)布置Fig.2 Layout plan of water supply network of a village in Xitou Town

采用所研究的方法計(jì)算該村配水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)流量，并與最大時設(shè)計(jì)秒流量法[1]和住宅給水設(shè)計(jì)秒流量法[8]進(jìn)行對比，見表7。

表5 不同計(jì)算方法的配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量Tab.5 Design flow of water distribution network with different calculation methods

對比第5列和第3、4列的計(jì)算結(jié)果可知，采用本文方法在村鎮(zhèn)用水人數(shù)較多時接近最大時設(shè)計(jì)秒流量法計(jì)算結(jié)果，在用水人數(shù)適中和較少時介于住宅給水設(shè)計(jì)秒流量法和最大時設(shè)計(jì)秒流量法計(jì)算結(jié)果之間，較符合居民的實(shí)際用水需求。

表5中正態(tài)分布法在給水當(dāng)量數(shù)較小時的設(shè)計(jì)流量值偏小，但不影響最終管徑的確定。這是因?yàn)榇彐?zhèn)消防給水管道最小管徑不應(yīng)小于100 mm[1]，當(dāng)管段設(shè)計(jì)流量小于5 L/s左右時，可直接確定管徑為100 mm。

4 結(jié)論與討論

① 基于村鎮(zhèn)給水工程規(guī)模和進(jìn)戶管流量及其概率分布，分別提出了Ⅴ型村鎮(zhèn)給水工程配水管網(wǎng)、Ⅲ型和Ⅳ型村鎮(zhèn)給水工程配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)例計(jì)算說明了其合理性。

② 對Ⅳ型及以上規(guī)模的村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)，應(yīng)根據(jù)計(jì)算管段給水當(dāng)量數(shù)選擇合理的設(shè)計(jì)秒流量計(jì)算方法，并考慮不同計(jì)算結(jié)果的銜接。

③ 衛(wèi)生器具使用概率對Ⅴ型和Ⅳ型村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量計(jì)算結(jié)果有較大影響，應(yīng)對各類住宅衛(wèi)生器具使用概率進(jìn)行大量的測試分析，以確定其合理值。

④ 對于村鎮(zhèn)配水管網(wǎng)中的公共建筑用水、工業(yè)用水、畜禽飼養(yǎng)用水、管網(wǎng)漏損水和未預(yù)見用水，當(dāng)工業(yè)用水占比較大時，應(yīng)作為集中流量單獨(dú)考慮，其余各項(xiàng)用水近似為沿線流量并與住宅用水一并計(jì)算。