戶廣勇，梁 好

（1.滄州水利勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，河北 滄州 061003；2.滄州市市政公用事業(yè)服務(wù)中心，河北 滄州 061003）

1 概述

農(nóng)村飲水工程關(guān)乎廣大農(nóng)村人民群眾的切身利益，是脫貧攻堅(jiān)、鄉(xiāng)村振興的重要保障，是“民心工程”“德政工程”。在農(nóng)村供水工程中，村內(nèi)供水管網(wǎng)是供水系統(tǒng)的“最后一公里”，是鞏固發(fā)展農(nóng)村供水成果，助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，提高人民群眾獲得感、幸福感的重要部分。

在村內(nèi)供水管網(wǎng)工程中，管道所占投資比重很大，且管道的設(shè)計(jì)合理與否直接影響工程的經(jīng)濟(jì)性與合理性：管道管徑定大了，會造成工程投資的浪費(fèi)；管徑定小了，會影響用水戶的水壓水量[1，2]。因此，在村內(nèi)供水管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)階段，采用適當(dāng)?shù)乃τ?jì)算辦法，準(zhǔn)確地進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算，使管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量盡量能夠反映實(shí)際用水量，合理確定管道管徑非常重要。

筆者多年從事華北平原區(qū)農(nóng)村小型供水工程設(shè)計(jì)。華北平原區(qū)農(nóng)村具有地形平坦、居民聚集、用水量不大的特點(diǎn)，基于現(xiàn)狀華北平原區(qū)多采用樹枝狀村內(nèi)供水管網(wǎng)，且可不考慮地形高低變化的影響。本文對樹枝狀村內(nèi)供水管網(wǎng)常用水力計(jì)算方法的計(jì)算原理及過程進(jìn)行了介紹，并對其適用范圍、準(zhǔn)確性等展開分析，通過工程實(shí)例總結(jié)了適用于華北平原區(qū)樹枝狀村內(nèi)供水管網(wǎng)的水力計(jì)算方法，并對水力計(jì)算過程提出了參考建議。

2 樹枝狀供水管網(wǎng)水力計(jì)算常用方法

2.1 比流量法

比流量法分為長度比流量法和面積比流量法[3，4]。長度比流量法是假定設(shè)計(jì)配水總量沿配水管道總長度均勻分布，則管線單位長度上的配水流量稱為長度比流量。水力計(jì)算步驟如下：①先計(jì)算出單位管長比流量；②根據(jù)管道長度進(jìn)行線型分?jǐn)?，?jì)算出各管段的配水流量；③計(jì)算出流入各個節(jié)點(diǎn)的集中流量；④從管網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)算起，依據(jù)節(jié)點(diǎn)集中流量求出各管段設(shè)計(jì)流量后進(jìn)行管徑計(jì)算。

面積比流量法是假定沿線流量均勻分布在整個供水面積上，則單位面積上的配水流量稱為單位面積比流量。水力計(jì)算步驟如下：①先計(jì)算出管段所負(fù)擔(dān)的供水面積的單位面積比流量；②根據(jù)各個供水面積進(jìn)行分?jǐn)傆?jì)算，得出各面積上的配水流量；③計(jì)算出流入各個節(jié)點(diǎn)的集中流量；④從管網(wǎng)末端算起，依據(jù)節(jié)點(diǎn)集中流量求出各管段設(shè)計(jì)流量進(jìn)而確定管徑。

2.2 人均用水當(dāng)量法

人均用水當(dāng)量法是目前《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》推薦使用的方法[5]。管網(wǎng)中所有管段的沿線出流量之和等于最高日最高時(shí)用水量，各管段的沿線出流量可根據(jù)人均用水當(dāng)量和各管段用水人口、用水大戶的配水流量計(jì)算確定。其計(jì)算公式如下：

式中：q為人均用水當(dāng)量（L/h）；W為村鎮(zhèn)最高日用水量（m3）；W1為企業(yè)、機(jī)關(guān)及學(xué)校等用水大戶用水量之和（m3/d）；Kh為時(shí)變化系數(shù)；P為村鎮(zhèn)設(shè)計(jì)用水人口（人）。

此種方法考慮到了農(nóng)村供水區(qū)域內(nèi)用水人口分布的不均勻性，較比流量法有所改進(jìn)，可適用于華北平原區(qū)村內(nèi)供水管網(wǎng)水力計(jì)算。

2.3 設(shè)計(jì)秒流量法（龍頭當(dāng)量法）

《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦了一種適用于農(nóng)村供水管網(wǎng)計(jì)算的住宅建筑設(shè)計(jì)秒流量法[6]。該法是以建筑內(nèi)衛(wèi)生器具按最不利情況組合出流時(shí)的最大瞬時(shí)流量為生活給水管道的設(shè)計(jì)流量，保證了供水范圍內(nèi)各用水戶的用水需求。水力計(jì)算步驟如下。

（1）根據(jù)住宅配置的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量、使用人數(shù)、用水定額、使用時(shí)數(shù)以及時(shí)變化系數(shù)，計(jì)算最大用水時(shí)衛(wèi)生器具給水當(dāng)量平均出流概率。其計(jì)算公式為：

式中：U0為生活給水管道的最大用水時(shí)衛(wèi)生器具給水當(dāng)量平均出流概率（%）；q0為設(shè)計(jì)最高用水日的用水定額[L/(人·d)]；m為每戶用水人數(shù)（人）；Kh為時(shí)變化系數(shù)；NG為每戶設(shè)置的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量數(shù)；T為用水時(shí)數(shù)（h）；0.2 為一個衛(wèi)生器具給水當(dāng)量的額定流量（L/s）。

（2）根據(jù)計(jì)算管段上的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量總數(shù)，按下式計(jì)算得出該管段的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量的同時(shí)出流概率：

式中：U為計(jì)算管段的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量同時(shí)出流概率（%）；αc為對應(yīng)于U0的系數(shù)；Ng為計(jì)算管段的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量總數(shù)。

（3）根據(jù)計(jì)算管段上的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量同時(shí)出流概率，按下式計(jì)算得出計(jì)算管段的設(shè)計(jì)秒流量：

式中：qg為計(jì)算管段的設(shè)計(jì)秒流量（L/s）；其余變量含義同上。

3 常用水力計(jì)算方法分析

以上常用水力計(jì)算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，且適用的條件有所不同。長度比流量法和面積比流量法簡單明了，易于理解掌握，計(jì)算簡便，適用于供水區(qū)各管道設(shè)計(jì)人口較難以統(tǒng)計(jì)且分布集中、均勻連片的情況，但對于農(nóng)村人口聚集分布不均、住戶分散或沿線實(shí)際用水人口和用水量有差別的情況不太適用[4]。

人均用水當(dāng)量法考慮到了農(nóng)村供水區(qū)域內(nèi)用水人口分布的不均勻性，是按管段實(shí)際擔(dān)負(fù)的供水人口、用水當(dāng)量指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的，因此管道計(jì)算流量基本能夠代表實(shí)際用水需求，此計(jì)算辦法適用于華北平原地區(qū)村內(nèi)供水管網(wǎng)水力計(jì)算[3]。但根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)可知，對于用水人數(shù)少、比較分散且供水規(guī)模較小的村內(nèi)供水管網(wǎng)，該種方法計(jì)算所得的流量和管徑偏小，且規(guī)模越小則所計(jì)算成果偏差越大[1—3]。

設(shè)計(jì)秒流量法是一種適用于住宅建筑生活給水管道設(shè)計(jì)的一種計(jì)算方法，該計(jì)算方法也被應(yīng)用到了村鎮(zhèn)樹枝狀供水管網(wǎng)計(jì)算中[6]。設(shè)計(jì)秒流量法是以5 000 人Ⅱ類普通住宅設(shè)計(jì)秒流量qg與最大用水時(shí)平均秒流量qs的吻合點(diǎn)建立的，此計(jì)算方法得到的秒流量值具有在小規(guī)模供水管網(wǎng)中偏大、在大規(guī)模供水管網(wǎng)中偏小的特點(diǎn)，且根據(jù)以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，供水規(guī)模達(dá)到3 000 人時(shí)其qg與qs的差值已不明顯[7，8]。

基于以上4 種水力計(jì)算方法的特點(diǎn)及適用條件，本文以工程實(shí)例對華北平原區(qū)村內(nèi)供水管網(wǎng)的水力計(jì)算進(jìn)行說明。

4 工程實(shí)例

本文以滄州市某村內(nèi)供水管網(wǎng)改造工程為例進(jìn)行說明，選取供水規(guī)模較小的A 村和供水規(guī)模較大的B 村分別采用人均用水當(dāng)量法和設(shè)計(jì)秒流量法2 種計(jì)算方法進(jìn)行水力計(jì)算，所得計(jì)算結(jié)果與工程運(yùn)行實(shí)際情況對比分析。

為使計(jì)算模型盡量準(zhǔn)確、能夠較準(zhǔn)確地反映供水人口的分布情況，本文把用水人口直接分配到節(jié)點(diǎn)，采用節(jié)點(diǎn)流量進(jìn)行計(jì)算。水力計(jì)算步驟如下：①繪制管網(wǎng)平面布置圖，在圖上標(biāo)明節(jié)點(diǎn)及各管段長度，并統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)供水人口和戶數(shù)；②根據(jù)各管段供水人口和戶數(shù)分別采用人均用水當(dāng)量法和設(shè)計(jì)秒流量法計(jì)算設(shè)計(jì)流量；③按各管段的計(jì)算流量、所用管材及經(jīng)濟(jì)流速選定管徑；④計(jì)算每一管段的總水頭損失，包括各管段局部水頭損失和沿程水頭損失；⑤按管網(wǎng)起點(diǎn)供水壓力和末端服務(wù)水頭要求，復(fù)核管網(wǎng)水頭損失是否滿足供水要求，對水頭損失較大管段適當(dāng)增大管徑[9]。

根據(jù)河北省用水定額[10]，項(xiàng)目區(qū)最高日居民生活用水定額取60 L/人，考慮公共建筑、飼養(yǎng)畜禽、綠化環(huán)衛(wèi)、未預(yù)見用水及管網(wǎng)滲漏等用水量[11]，則最高日居民綜合用水定額取80 L/人。A 村設(shè)計(jì)供水人口798 人、259 戶，每戶平均約3 人；B 村設(shè)計(jì)供水人口3 880人、960戶，每戶平均約4人；根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》，時(shí)變化系數(shù)分別取3.0 和2.5，接管點(diǎn)服務(wù)水頭取12 m；根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，每戶布置1 個水龍頭，每戶的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量為1；項(xiàng)目區(qū)無企業(yè)、機(jī)關(guān)等用水大戶。A、B村管網(wǎng)布置，如圖1—2所示。

圖1 A村管網(wǎng)布置簡圖

圖2 B村管網(wǎng)布置簡圖

A 村和B 村分別采用人均用水當(dāng)量法和設(shè)計(jì)秒流量法計(jì)算最高日最高時(shí)供水流量，A 村為2.22 、4.72 L/s，B 村為12.33、8.98 L/s。由計(jì)算結(jié)果可知，2個村莊采用設(shè)計(jì)秒流量法計(jì)算所得的供水流量均比采用人均用水當(dāng)量法計(jì)算所得的供水流量大，其中A 村大1.13 倍、B 村大37%，筆者分析其主要原因與村莊規(guī)模大小、用水總?cè)丝诙嗌儆嘘P(guān)。通過以往項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并查閱相關(guān)文獻(xiàn)[12]，基本能夠證實(shí)該2種計(jì)算方法所計(jì)算結(jié)果偏差受村莊總用水人口規(guī)模的影響，村莊總用水人口越少，2 種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果的偏差越大。

為驗(yàn)證以上2 種計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，項(xiàng)目實(shí)施完工后，對項(xiàng)目村供水廠的供水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了跟蹤了解，數(shù)據(jù)表明項(xiàng)目村實(shí)際最高日最高時(shí)供水流量與設(shè)計(jì)秒流量法計(jì)算結(jié)果相近，因此設(shè)計(jì)秒流量法能夠較準(zhǔn)確地反映項(xiàng)目村的用水情況。

農(nóng)村供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是首先計(jì)算管段設(shè)計(jì)流量，然后根據(jù)各管段的設(shè)計(jì)流量和經(jīng)濟(jì)流速，計(jì)算并選定管徑。工程設(shè)計(jì)中，給水管道經(jīng)濟(jì)流速一般取0.6～1.8 m/s，且管徑越小其經(jīng)濟(jì)流速一般也越小，尤其是村內(nèi)供水管網(wǎng)管徑一般均較小，因此村內(nèi)供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中經(jīng)濟(jì)流速一般取較小值。本工程給水管網(wǎng)的沿程水頭損失采用《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》3.7.14推薦的計(jì)算方法計(jì)算，見下式：

式中：h為計(jì)算管段沿程水頭損失（m）；L為計(jì)算管段長度（m）；i為管道單位長度水頭損失（m/km）；dj為管道計(jì)算內(nèi)徑（mm）；qg為管道給水設(shè)計(jì)流量（m3/s）；Ch為海澄-威廉系數(shù)，本工程采用PE100 級HDPE管，取140。

分別對項(xiàng)目村A 村和B 村進(jìn)行水力計(jì)算確定管徑，并復(fù)核各管段的水頭損失。局部水頭損失取沿程水頭損失的10%，A 村和B 村的設(shè)計(jì)流量及水力計(jì)算要素，詳見表1—2。

表1 A村管段設(shè)計(jì)流量及水力計(jì)算要素

根據(jù)表1和表2計(jì)算結(jié)果可知，通過已知管段設(shè)計(jì)流量和經(jīng)濟(jì)流速確定管徑的計(jì)算方法有可能會導(dǎo)致部分管段總水頭損失偏大，尤其是長度較長的管段會更明顯，如A 村3-4 和3-5 管段和B 村1-2、5-6和1-11管段。因此，為更合理確定管徑且能夠滿足用戶接管點(diǎn)服務(wù)水頭的要求，應(yīng)將總水頭損失較大或單位長度水頭損失較大的管段的管徑適當(dāng)增大，使管網(wǎng)末端接管點(diǎn)的水壓得以保證[3]。

表2 B村管段設(shè)計(jì)流量及水力計(jì)算要素

5 結(jié)論

（1）基于華北平原區(qū)農(nóng)村地形平坦、居民聚集、用水量不大的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，該區(qū)域樹枝狀村內(nèi)供水管網(wǎng)水力計(jì)算一般可采用設(shè)計(jì)秒流量法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際基本相符。但對于規(guī)模較大、居民超過3 000人的村莊，建議分別采用人均用水當(dāng)量法和設(shè)計(jì)秒流量法進(jìn)行水力計(jì)算，選取與實(shí)際用水情況相符的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。

（2）根據(jù)管段設(shè)計(jì)流量和經(jīng)濟(jì)流速確定管徑計(jì)算時(shí)，建議同步計(jì)算相應(yīng)管段單位長度水頭損失，便于篩查水頭損失較大的管段以調(diào)整管徑，在管網(wǎng)末端接管點(diǎn)的水壓得以保證的前提下滿足工程的經(jīng)濟(jì)性。

（3）村內(nèi)供水管網(wǎng)水力計(jì)算過程中涉及多個參數(shù)的選定，包括用水定額、時(shí)變化系數(shù)和經(jīng)濟(jì)流速等，參數(shù)的選定一定程度上決定了設(shè)計(jì)成果的合理與否。因此，建議在村內(nèi)供水管網(wǎng)水力計(jì)算過程中，參數(shù)的選定在滿足相關(guān)規(guī)范及文件的基礎(chǔ)上盡量偏于保守，同時(shí)應(yīng)充分考慮人口增長、管網(wǎng)延伸等遠(yuǎn)期發(fā)展情況，以保證工程滿足遠(yuǎn)期的發(fā)展需求。