雨水集蓄利用農村安全飲水工程長系列計算設施最佳匹配模式

金彥兆 ，周錄文

(甘肅省水利科學研究院，蘭州 730000)

利用雨水集蓄利用技術解決農村飲水，在我國北方干旱缺水地區具有悠久的歷史。隨著農村安全飲水戰略的實施，水源條件相對較好的地區相繼建成了一些集中供水工程，有效解決了農村地區群眾吃水難的問題，但在我國北方一些邊遠、分散地區，集中供水工程難以企及，群眾生活用水仍然不得不依靠雨水集蓄利用工程解決，從而使得建設一定數量的集流面和蓄水設施保證水量供給，配置相應的沉沙池、凈水器確保水質安全成為關鍵。對此，按照“確保水量、水質雙安全”的要求，提出雨水集蓄利用農村安全飲水工程的集流面與蓄水設施容積最佳組合，形成既經濟又安全的雨水集蓄利用農村安全飲水工程最佳匹配模式顯得十分必要。

1 農村安全飲水工程用水對象及用水標準

1.1 用水對象

從目前我國農村現狀來看，農村安全飲水工程的用水對象主要是農村人口以及分散養殖的大小牲畜與各類家禽類動物。一方面，目前我國農村家庭小型化，戶均人口基本在4～6人之間。另一方面，隨著農業機械化水平的提高，大牲畜數量逐年減少，目前戶均僅維持在1頭左右；小牲畜、家禽主要包括豬、羊、雞等，除主要用于解決農村人口肉蛋需求外，極少部分用于商品流通，但總體數量不大。小牲畜中豬一般在1頭左右，羊一般在5只左右，家禽一般在10只左右。本文以農村單個住戶為單元，擬定用水對象見表1。

1.2 用水標準

根據現行《雨水集蓄利用工程技術規范》(GB/T 50596-2010)，農村居民生活用水定額見表2[1]，畜禽用水定額見表3。

表1 我國北方農村住戶用水對象構成情況表

表2 雨水集蓄利用工程居民生活用水定額表

表3 雨水集蓄利用工程畜禽養殖用水定額表

由表2、表3可知，雖然《雨水集蓄利用工程技術規范》確定的用水定額相對較低，與真正意義上的農村安全飲水尚有一定差距。但考慮到我國北方地區傳統的用水習慣和水資源嚴重短缺的現實，所有用水對象的用水定額均采用規范確定的平均值進行分析計算。

2 農村安全飲水需水量

農村生活用水過程的特殊性要求農村安全飲水工程實施全年不間斷供水。以戶為單元的農村安全飲水需水量可由式(1)計算確定[2]：

(1)

式中：Wx為單元農村安全飲水年需水量，m3；Pi為具體用水對象的數量，人或頭、只；mi為具體用水對象的用水定額，L/(d人)或L/[d頭(只)]；n為具體用水對象的種類數量。

擬定用水對象供水方案條件下逐月農村生活需水量計算結果見表4。

表4 擬定用水對象供水方案逐月農村生活需水量計算結果表 m3

由表4可見，在多年平均降水量250～500 mm地區，擬定農村生活用水對象供水方案一、方案二、方案三條件下年需水量分別為83.7、95.2、105.9 m3，在多年平均降水量大于500 mm地區，擬定農村生活用水對象供水方案一、方案二、方案三條件下年需水量分別為113.1、131.7、149.6 m3。

3 代表站資料系列及降水特性分析

分別選用定西市安定區1958-2009年共52 a資料和慶陽市西峰區1951-2009年共59 a的長系列降水資料，作為雨水集蓄利用農村安全飲水工程設施優化組合模式分析計算的依據。

經分析，不同降水量地區代表站安定區、西峰區多年平均降水量分別為397.4、544.0 mm，50%頻率降水量分別為387.8、521.7 mm，75%頻率降水量分別為352.4、459.6 mm，90%頻率降水量分別為308.1、425.2 mm。從安定區、西峰區多年平均降水量年內分布可知，汛期6-9月分別占67.0%、66.8%，其他時段當年10月-翌年5月分別占33.0%、33.2%。代表站多年平均降水量及年內分布見表5。

4 集水量

4.1 現有集流面情況

從目前我國北方地區農村住戶現有集流面分布情況來看，戶均擁有小青瓦屋面集流面約在80～120 m2之間。除此之外，農村住宅一般均具有獨立的庭院，大多數未進行防滲襯砌，集流效率很低，作為農村安全飲水集流面需采用混凝土等進行硬化處理。為分析簡便起見，本文分析時農村青瓦屋面按100 m2進行計算。

4.2 供水保證率

根據《雨水集蓄利用工程技術規范》(GB/T 50596-2010)，用以滿足農村生活飲水的雨水集蓄利用工程設計供水保證率取90%。

4.3 集流效率

根據《雨水集蓄利用工程技術規范》(GB/T 50596-2010)，不同降水量地區不同集流面材料的集流效率各不相同。在降水量250～500 mm之間地區，土質庭院、小青瓦、混凝土集流面集流效率分別在15%～30%、30%～40%和73%～80%之間；在降水量500 mm以上地區，土質庭院、小青瓦、混凝土集流面集流效率分別在30%～40%、40%～50%和75%～85%之間。同時，依據有關試驗研究資料，結合推廣應用經驗，不同降水量地區不同材料集流面集流效率見表6。

4.4 集水量計算

集流面是雨水集蓄利用農村安全飲水工程的“水源”，是確保安全供水的首要條件。但從農戶現有集流面情況來看，依托小青瓦、庭院土質集流面在水量上無法滿足安全供水的要求，必須新建高標準集流面，通過提高集流效率來增加集水量。采用長系列法計算時，集流面集水量可按公式(2)進行計算。

表5 代表站不同頻率降水量及年內分布情況表

表6 不同降水量地區不同材料集流效率表

(2)

式中：Wj為現有集流面集水量，m3；Pp為代表站降水量，mm；Sj為第j類集流面面積，m2；Ej為第j類集流面集流效率，%。

5 配套設施規模分析確定

5.1 滿足設計供水保證率的設施優化組合

依據雨水集蓄利用工程長系列計算方法[3]，按照前述確定的各供水方案需水量大小，依據《雨水集蓄利用工程技術規范》容積系數，初估集流面面積、蓄水設施容積，計算各計算時段的來水量和滿足安全飲水的需水量，實施長系列操作，以蓄水設施初始蓄水量為0進行各計算時段的水量調節計算，確定各計算時段內的水量余缺值，累加計算各月末的累加儲存水量，當累加儲存水量出現負值時即認為該時段缺水，并依據缺水時段按月統計供水保證率，滿足設計供水保證率的組合即為優化組合一；在此基礎上，依據集流面面積與蓄水設施容積初估值，在其左右給定組合值，重復前述過程，直至確定其他組合。經計算，在設計供水保證率情況下，不同降水量地區雨水集蓄利用農村安全飲水工程補充集流面面積、蓄水設施容積優化匹配模式組合見表7。

5.2 設施最佳匹配模式

由于規模一定時，雨水集蓄利用工程運行管理成本維持不變，這里僅按建設成本比較其經濟性。因此，在前述計算的基礎上，按照混凝土集流面單位面積造價35元/m2、砂漿抹面水窖單方容積造價110元/m3計算，不同優化匹配模式組合工程造價見表7。

表7 雨水集蓄利用農村安全飲水工程設施優化組合及造價情況表

注：集流面數據不包括青瓦屋面面積；帶*數據為設施最佳匹配模式組合。

6 結 語

由前述計算結果可以看出，在平均降水量250～500 mm地區，供水方案一、二、三對應的混凝土集流面與蓄水設施最佳匹配模式分別為{235，40}、{275，45}和{325，45}；在平均降水量大于500 mm地區，混凝土集流面與蓄水設施最佳匹配模式分別為{213，50}、{267，55}和{320，60}。因此，雨水集蓄利用農村安全飲水工程設施最佳匹配模式組合不僅可有效降低工程投資，而且還可顯著提高工程設施利用率，對促進雨水集蓄利用技術進步，實現雨水集蓄利用的可持續發展具有重要理論意義和實踐指導作用。

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[1] GB/T 50596-2010，雨水集蓄利用工程技術規范[S].

[2] 金彥兆. 設施農業雨水集蓄長系列計算經濟利用模式[J]. 中國農村水利水電，2014,(12)：69-71.

[3] 金彥兆. 雨水利用工程設計長系列計算方法[J]. 人民黃河，2010,(12)：116-117.