村鎮給水工程配水管網設計流量計算方法探討

徐得潛，徐雨豪

(合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009)

在村鎮給水工程中，配水管網的設計流量是確定管徑和二級泵站揚程的依據，對工程投資和運行費用影響較大。當配水管網設計流量與實際用水流量相符時，才能科學、合理地設計給水工程。根據 《鎮(鄉)村給水工程技術規程》(CJJ 123—2008)[1]和《村鎮供水工程技術規范》(SL 310—2019)[2]，村鎮配水管網設計流量應根據最高日最高時用水量計算。在實際工作中，由于村鎮給水規模不大、居民點較為分散、用水時間集中、采用樹狀網等原因，配水管段設計流量偏小[3]，難以滿足居民正常用水需求。針對這些問題，許多學者進行了相關研究。張雄等[4]分析了農村給水管網管段流量傳統計算方法的適用條件和局限性，以人均當量法為基礎，提出了加權人畜用水當量法；張建等[5]基于建筑內部給水設計秒流量平方根法，提出了龍頭當量法。但這2種方法均未考慮我國近年來實施的田園綜合體、美好鄉村建設等鄉村振興戰略促進了村鎮社會經濟發展和居民生活水平提高，使村鎮居民用水量增加這一現狀，不再適用于村鎮配水管網設計流量計算。朱錫林[3]借鑒住宅建筑給水設計秒流量計算思路，提出規模較小的村鎮配水管網采用“設計秒流量”計算方法，規模較大的村鎮配水管網采用“最高日最大時”計算方法，但未提及規模適中的村鎮配水管網設計流量的計算方法。

針對村鎮配水管網設計流量計算方法存在的問題，筆者根據我國村鎮給水工程特點和社會經濟發展對用水的需求，基于保障村鎮居民用水安全和科學合理設計村鎮配水管網工程，在分析村鎮給水工程規模對配水管網設計流量計算方法選擇影響的基礎上，通過計算進戶管流量及其概率分布，分析不同給水規模村鎮配水管網設計流量臨界值，提出了村鎮配水管網設計流量計算新方法。

1 給水工程規模與計算方法選擇

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

表1 村鎮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，不同類型村鎮給水工程的規模和用水人數的范圍跨度較大，類似根據用水人數劃分的城鎮給水、居住小區室外給水和建筑內部給水。因此可通過研究這三者的給水特點和配水管網設計流量計算方法(見表2)，確定不同類型村鎮配水管網設計流量的計算思路。

表2 城鎮、居住小區和建筑內部給水特點與配水管網設計流量計算方法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型村鎮給水規模較大，用水人數在城鎮用水人數范圍內，可采用最高日最大時流量法計算配水管網設計流量；Ⅲ、Ⅳ型村鎮給水規模適中，用水人數與居住小區類似，但現行的居住小區設計流量計算方法為依據服務人數、用水定額和衛生器具設置標準等，計算各種建筑的管段流量和節點流量確定[8]，主要采用設計秒流量法，并未考慮設計秒流量法與最大時流量法的銜接問題，因此在研究這2種計算方法差異的基礎上，需研究配水管網設計流量計算的新方法；Ⅴ型村鎮的給水規模較小，用水人數與建筑內部相當，可參照建筑內部給水設計秒流量法，利用概率法進行計算。

主要針對Ⅲ、Ⅳ型和Ⅴ型村鎮給水工程配水管網設計流量的計算方法開展研究。

2 配水管網設計流量計算方法

2.1 Ⅴ型村鎮設計流量

Ⅴ型村鎮給水工程規模小，用水人數少，可根據進戶管流量及其概率分布來計算配水管網設計流量。

2.1.1 基本參數

(1)衛生器具使用概率

依據亨特概率法[9]，在用水高峰時段，衛生器具使用概率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為經驗系數，表示衛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準》(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；N為計算管段用水人數；0.2為單位給水當量的額定流量，L/s；Ng為衛生器具給水當量數；T為用水小時數，取24 h，若為定時供水，則按實際用水小時數取值。

(2)用水保證率

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

2.1.2 計算方法

(1)進戶管流量概率分布

設村鎮配水管網計算管段共有n根進戶管，每根進戶管流量為q0j(j=1，2，…，n)。最大用水時，進戶管流量為1個與村鎮住戶給水設備類型和設置數量有關的隨機變量。設每戶共有k種衛生器具，各種衛生器具數、使用數、使用概率和額定流量分別為ni、mi、pi和qi(i=1，2，…，k)。則可能出現的進戶管流量q0j和對應概率Pq0j[11]：

(3)

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

村鎮Ⅰ、Ⅱ類住宅的最高日綜合用水定額下限值和時變化系數，是在依據生活用水定額和時變化系數[1]的基礎上，綜合考慮公共建筑用水、工業用水、畜禽飼養用水、管網漏損水和未預見用水確定，且最高日綜合用水定額應低于Ⅱ型小城市綜合用水量指標[12]。

不同類型村鎮住宅的衛生器具設置情況和當量數等參數如下：Ⅰ類住宅，衛生器具包括大便器、洗臉盆、洗滌盆，給水當量數N0=2.25；Ⅱ類住宅，衛生器具包括大便器、洗臉盆、洗滌盆、洗衣機、熱水器和淋浴器等，給水當量數N0=4.00。

隨著田園綜合體項目和鄉村振興計劃的開展，村鎮居民生活水平不斷提高，住宅的給水設備類型也在不斷完善，多數村鎮的住宅以第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)，計算可得到各種衛生器具的使用概率，見表3。

表3 Ⅱ類村鎮住宅每戶不同衛生器具相關參數Tab.3 Related parameters of different sanitary appliances for each household in Class II villages and towns

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

表4 Ⅱ類村鎮住宅進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)計算方法

(4)

(5)

P(z≤qg)=P

(6)

(7)

式中，φ(Z)為P的函數，按標準正態分布表取值。

2.2 Ⅲ、Ⅳ型村鎮設計流量

Ⅲ、Ⅳ型村鎮給水工程用水人數較多，規模適中，與居住小區的給水規模相當。借鑒居住小區室外給水設計秒流量計算方法[13]，從研究正態分布法和最大時設計秒流量法的差異性出發，以村鎮不同類型住宅給水相關參數為準，推導Ⅲ、Ⅳ型村鎮配水管網設計流量計算方法。

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

(8)

令N=NG·f/N0，其中N為用水人數，f為戶均人口，NG、N0含義同前，則最大時設計秒流量：

(9)

取村鎮常見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)

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

最大時設計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)。當用水人數小于臨界值3 000人(當量數NG=3 429)時，屬于建筑內部給水范圍，應采用正態分布法計算配水管網設計流量，解得qg=19.97 L/s(圖1中B點)。

圖1 不同計算方法的設計流量與當量數的對應關系Fig.1 Correspondence between design flow and equivalent number of different calculation methods

當3 429

Q=0.00488NG+4.605

(12)

適用條件為3 429

式(12)是在取Ⅱ類住宅最高日綜合用水定額qd=250 L/(cap·d)時推導的結果，現保持其他參數不變，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)，推導得出相應的配水管網設計流量計算公式：

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，其他參數不變時，綜合用水定額qd取值越大，配水管網設計流量計算公式的斜率越大，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，也可求得配水管網設計流量：

Q=0.005851NG+3.063

(15)

適用條件為1 929

為了研究衛生器具對計算公式的影響，取N0=4，其他參數取值不變，得到：

Q=0.003282NG+3.173

(16)

適用條件為3 429

由式(15)和式(16)可知，其他參數不變時，衛生器具設置標準越高，配水管網設計流量計算公式的斜率越小，截距越大，適用條件的下限值和上限值越高。

現保持其他參數不變，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)，推導得出相應的配水管網設計流量計算公式：

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Ⅰ、Ⅱ類住宅推導得到的計算公式，在實際設計計算過程中，可根據村鎮的用水習慣、經濟發展水平等選擇合適的參數，推導出適合當地的配水管網設計流量計算公式。

3 實例分析

歙縣溪頭鎮某村共有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，不考慮村鎮配套設施和集中大用戶用水量。

圖2 溪頭鎮某村供水管網布置Fig.2 Layout plan of water supply network of a village in Xitou Town

采用所研究的方法計算該村配水管網的設計流量，并與最大時設計秒流量法[1]和住宅給水設計秒流量法[8]進行對比，見表7。

表5 不同計算方法的配水管網設計流量Tab.5 Design flow of water distribution network with different calculation methods

對比第5列和第3、4列的計算結果可知，采用本文方法在村鎮用水人數較多時接近最大時設計秒流量法計算結果，在用水人數適中和較少時介于住宅給水設計秒流量法和最大時設計秒流量法計算結果之間，較符合居民的實際用水需求。

表5中正態分布法在給水當量數較小時的設計流量值偏小，但不影響最終管徑的確定。這是因為村鎮消防給水管道最小管徑不應小于100 mm[1]，當管段設計流量小于5 L/s左右時，可直接確定管徑為100 mm。

4 結論與討論

① 基于村鎮給水工程規模和進戶管流量及其概率分布，分別提出了Ⅴ型村鎮給水工程配水管網、Ⅲ型和Ⅳ型村鎮給水工程配水管網設計流量計算方法，并結合實例計算說明了其合理性。

② 對Ⅳ型及以上規模的村鎮配水管網，應根據計算管段給水當量數選擇合理的設計秒流量計算方法，并考慮不同計算結果的銜接。

③ 衛生器具使用概率對Ⅴ型和Ⅳ型村鎮配水管網設計流量計算結果有較大影響，應對各類住宅衛生器具使用概率進行大量的測試分析，以確定其合理值。

④ 對于村鎮配水管網中的公共建筑用水、工業用水、畜禽飼養用水、管網漏損水和未預見用水，當工業用水占比較大時，應作為集中流量單獨考慮，其余各項用水近似為沿線流量并與住宅用水一并計算。