農村飲水安全工程中水窖容積及集流場面積的水量供需平衡設計分析

呂旭紅，劉文娟

（1.甘肅省定西市水利科學研究所，甘肅定西743000；2.甘肅省定西市水利水電勘測設計研究院，甘肅定西743000）

水窖作為一種集雨工程，具有因地制宜、產權明晰、便于管理、環境衛生、經久耐用、維修簡單、投資少、見效快、老百姓容易接受等優點，可解決山高坡陡、居住分散的缺水山區農業生產和生活用水問題[1]。以甘肅省定西市漳縣某鄉鎮的農村飲水安全工程水窖設計為例，從設計參數的選取、集流面面積的設計、水窖容積的確定等方面進行說明。

1 項目區概況

漳縣位于定西市南部，地處西秦嶺和黃土高原過渡地帶，東西長72 km，南北寬57 km，海拔1 640～3 941 m，總面積2 164.4 km2。光照充足，雨熱同季，降水四季分配不均，降水變率大，風速小，氣候溫涼、濕潤，氣象災害繁多。年平均氣溫7.8℃，年平均降水量433.5 mm，年平均相對濕度67%，年平均日照時數2 295.4 h，年平均風速1.7 m/s，最多風向SE，年雷暴日數23.6 d。項目區內可利用水資源匱乏，河流多為明流，地面溝谷較為發育，不管是地表水還是地下水均受地形因素限制（人高水低）；地下水僅存在巖溶裂隙水，水位較淺且水量小，溝谷由高向低而流補給河水。

2 設計方案

該項目區內周邊數公里無一可利用水源能滿足規模化供水引水標準，由于區域內水文因素及地理位置情況，經過分析論證確定修建水窖來解決本項目區居民的生活用水問題。工程總體布置：集流場（主要為C20混凝土庭院集流面、瓦屋頂集流面）—匯流管—濾沉池（粗濾池、慢濾池）—水窖（蓄水池）—二氧化氯消毒—居民使用。設計時考慮“一戶一窖”運行管理制。

3 設計參數

3.1 居民日生活用水量（W1）

每戶居民平均日生活用水量根據下式計算：

式中，W1為居民生活用水量，單位m3/d；P為用水居民人數（人），經調查項目區平均每戶4.5人；q為居民平均日生活用水定額，項目區地處西秦嶺和黃土高原過渡地帶，屬半濕潤地區，依據《村鎮供水工程技術規范》（SL310-2004），平均日生活用水定額按30 L/（人·d）計算。

3.2 漏失水量（W2）

漏失水量按農村生活用水量的10%計算。

3.3 居民日生活需水量（Wd）

每戶居民日生活需水量為日生活用水量與漏失水量之和，即Wd=W1+W2。

3.4 居民年生活需水量（Wa）

每戶居民全年需水量為Wa=Wd×365。

各用水量計算如表1所示。

表1 用水量計算

4 工程設計

4.1 集流場設計

集流面工程的材料選擇應遵循“因地制宜、就地取材、提高集流效率、降低工程造價”的原則，解決人畜飲水及發展庭院經濟灌溉的集流面工程。當現有屋面為瓦屋面時，可盡量加以利用，當現有屋面為草泥時，宜改建為瓦屋面，并優先采用水泥瓦，不足部分在庭院內建設混凝土集流面作為補充。根據《村鎮供水工程技術規范》（SL310-2004）規定，集流面的集流能力應與蓄水構筑物有效容積相配套。集流面水平投影面積計算公式如下：

式中，F為集流面水平投影面積，m2；W為設計供水規模；K1為面積利用系數，人工集流面可取1.05～1.1；P為保證率為90%的年降雨量；φ為年集雨效率，砼集流場取85%。計算結果如表2所示。

表2 集流面水平投影面積

經計算，確定戶均所需砼集流面積為135.26 m2。據調查，項目區居民戶均現有燒瓦屋面積約110 m2（集流系數取55%）。經換算，110 m2燒瓦屋面按其集雨效率相當于約60.5 m2砼集流面，則項目區居民每戶需再建75.5 m2砼集流面，設計確定取80 m2。

集流面設計：項目區居民對自家庭院進行硬化，尺寸為10 m×8 m，厚度δ=6 cm，采用C15砼現澆，砼灑水養護7 d以上。集流面采用橫向坡度1/15～1/50，縱向坡度1/50～1/100，地基翻夯處理厚度δ=30 cm，夯實干容重不小于1.5 g/cm3，分塊尺寸2.0 m×2.0 m，塊與塊之間縫寬1～1.5 cm，張縫間采用聚氯乙烯膠泥伸縮縫。集流面應避開畜禽圈、糞坑、垃圾堆、柴草垛、油污、農藥、肥料等污染源，集流面上不應有糞便、垃圾、柴跺、肥料、農藥瓶、油桶和有油漬的機械等污染物。詳見圖1。

4.2 水窖容積的確定

項目區年平均降水量500 mm，來水量按砼集流面積80 m2（集流系數取0.85，通過表3選取確定）計算，砼集流面集水量=80×0.85×0.5=34 m3；燒瓦屋面積110 m2（集流系數取0.55），燒瓦屋面集水量＝110×0.55×0.5＝30.25 m3。則 總 集 水 量＝34+30.25＝64.25＞54.75 m3/a。集雨水窖年循環利用次數按2次來規劃，則水窖蓄水容積為54.75 m3/a÷2≈27.38 m3，確定每戶建一眼容積為30 m3的集雨水窖，項目區居民根據具體降水情況循環利用，可保證水量的供需平衡。

表3 不同類型集流面在不同降雨地區的年集雨效率

4.3 集雨水窖設計

窖池按構造形狀分為圓柱形、球形、窯形等，防滲材料分為紅粘土防滲、水泥砂漿防滲。本設計窖池采用圓柱形，底部采用球形反拱，既可增強受力又可增強穩定性；防滲材料選用C20混凝土。設計蓄水容積V=30 m3，水窖內徑D=3.0 m，水窖深度H=4.3 m，深徑比B=H/D=1.43，壁厚B=10 cm，窖底拱形基礎采用原土翻夯50 cm后，壓實系數不小于0.95，其上夯填10%水泥土30cm，現澆C20砼反拱底板厚20 cm，然后在砼底板上部夯填紅粘土抹平，用于改善水質。拱形窖頂亦采用現澆C20砼拱頂板厚10 cm，其頂部留一孔徑50 cm、高60 cm、壁厚6 cm的窖口，頂部設10 cm厚鉛絲網預制板窖蓋。詳見圖2。

5 結語

在脫貧攻堅“安全飲水清零行動”下，全省上下千方百計采取各種措施，因地制宜解決群眾吃水問題，農村飲水安全取得了明顯成效，但仍存在很多問題，保障每戶農村居民喝上安全水依然問題不少；尤其人高水低、山高坡陡、居住分散的缺水山區農業生產和生活用水問題依然突出，提水泵站管理難、運行成本高、維護難度大。水窖作為一種集雨工程，具有因地制宜、產權明晰、便于管理、環境衛生、經久耐用、維修簡單、投資少、見效快、老百姓容易接受等優點，可以解決飲水困難。

結合項目區居民人口狀況及居民現狀瓦房投影面折算集流面情況分析計算了降雨量、集流面面積、水窖容積以及需水量四者之間有機統一的平衡關系，對同類工程設計及施工具有一定的借鑒價值。