喊過嶺洞農(nóng)村飲水安全供水工程設計分析

陳 亮

（北票市基層水利管理總站，遼寧 北票 122100）

農(nóng)村飲用水安全事關鄉(xiāng)村振興和農(nóng)村發(fā)展，為改善農(nóng)村飲用水安全，我國投入了大量資金[1]。東北地區(qū)作為老工業(yè)基地，部分水利工程年代久遠，項目建設標準低，部分農(nóng)村飲用水設施逐漸老化，供水數(shù)量嚴重不足。同時，只建不運的項目管理方式導致農(nóng)村飲水工程可持續(xù)性差，部分已無法滿足基本運行需求。近年來，農(nóng)村安全飲水問題已影響到農(nóng)村居民的福祉。為此，作為老工業(yè)基地一部分的遼寧葫蘆島市綏中縣，解決農(nóng)村飲水安全問題，保障農(nóng)村生活飲用水供應已成為當?shù)卣叫杞鉀Q的事項。

1 項目區(qū)概況

遼寧省綏中縣農(nóng)村總人口54.62萬人，飲水安全人口50.18萬人，尚有4.44萬人的飲水不安全[2]。該縣屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，降水資源年內(nèi)年際分布不均衡[3]，區(qū)域地表水的可持續(xù)性供給能力差，縣內(nèi)的一些分水嶺山勢陡峻，切割劇烈，巖石裸露，植被較少，難以對區(qū)域降水進行有效的涵蓄，無法形成江河河源，且地質(zhì)多為侏羅系火山區(qū)及部分侏羅系花崗巖區(qū)，農(nóng)村用水多依賴蓄存時間較長的地下水資源。根據(jù)綏中縣農(nóng)村自然及經(jīng)濟條件的特點，因地制宜，選擇地下水為主要供水水源。這里，選取遼西綏中縣范家鄉(xiāng)平川村喊過嶺洞供水工程進行設計。

2 供水工程設計

2.1 供水形式及設計標準

一般情況下，我國農(nóng)村的供水項目可分為集中式和分散式2 種。在考慮經(jīng)濟成本的前提下，喊過嶺洞供水工程以集中式供水方式進行設計[4]。對于集中式飲用水供水項目，水作為水源項目處理，然后通過配水網(wǎng)絡輸送到用水者處或供水點，而水源的選擇需要符合區(qū)域水資源開發(fā)總體規(guī)劃及其區(qū)域功能，必須在滿足水質(zhì)水量需求、保證安全以及節(jié)約投資和運營成本的前提下進行。為保證用水安全，本工程的水源來自地下水，從無污染的含水層抽取地下水后利用分布入戶的管網(wǎng)，集中供給用戶，如圖1所示。平川村喊過嶺洞現(xiàn)有居民50 戶，共計人口180 人、大牲畜存欄44 頭，供水系統(tǒng)設計標準采用20 a。

圖1 供水管網(wǎng)

2.2 設計用水量計算

喊過嶺洞位于遼西丘陵區(qū)，無大型交通路線通過，整體村莊較為封閉。因此，在不考慮外來人口用水的情況下，供水工程設計用水量按照實際固定居住統(tǒng)計人口和養(yǎng)殖的大牲畜數(shù)量進行計算；同時，因為輸水管網(wǎng)會產(chǎn)生一定的漏失量，管網(wǎng)漏水量及未可預見水量也需要被考慮進來。基于農(nóng)村人畜用水量和輸水過程的損失量，經(jīng)綜合計算得到最高日用水量。根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術規(guī)范》的設計標準[5]，人畜用水定額分別為每人用水量60 L∕d、每頭大牲畜用水量40 L∕d。

2.2.1 人畜用水量計算

按照農(nóng)村人畜飲水的設計規(guī)范，喊過嶺洞不存在特殊的人口和大牲畜數(shù)量暴增情況。因此，在考慮人口自然增長的狀態(tài)下，設計保證年限為20 a 的用水量計算公式如下：

式中：Q為人畜用水量（m3∕d）；q1、q2分別為農(nóng)村人畜用水定額[L∕（人·d-1）]；P1、p2分別為農(nóng)村人畜設計數(shù)量（人或頭）；P01為農(nóng)村現(xiàn)有人口（人）；R為人口自然增長率（‰），取10‰；n為設計年限（a），取20 a。

首先計算出設計年限20 a 后的自然人口數(shù)量，即根據(jù)式（2）計算得到20 a 后的人口數(shù)為220 人；其次大牲畜按每戶養(yǎng)殖頭數(shù)計算，20 a 后數(shù)量不變?nèi)詾?4 頭；最后，經(jīng)綜合計算得到要滿足該村人畜正常飲水的日用水量為14.96 m3。

2.2.2 管網(wǎng)漏水量及未可預見水量計算

水從大口井提取后，需要通過管網(wǎng)輸送到各家各戶，其中會存在部分的水量漏失以及不可控的水量浪費。因此，管網(wǎng)漏水量及未可預見水量按計算用水量的20%計算[6]，則Q損=0.2Q=2.99 m3∕d，其中Q損為管網(wǎng)漏水量及未可預見水量（m3∕d）、Q為人畜用水量（m3∕d）。

2.2.3 最高日用水量計算

根據(jù)實際人畜用水量和管網(wǎng)漏水量及未可預見水量的計算結果，需要從水源井抽取的最高日用水量Qd=14.96+2.99=17.95（m3）。

綜上，喊過嶺洞的設計日用水量為17.95 m3，可滿足該村的日常用水需求。

2.3 輸水管網(wǎng)設計

因地制宜建設好取水井后，需要利用配水管網(wǎng)將水分配供應到各用戶，實現(xiàn)足不出戶的自來水輸水。輸水管網(wǎng)要確定好區(qū)域的需水流量及管道直徑，之后確定好水頭損失，為后續(xù)配水動力提供設計參數(shù)。

2.3.1 人均用水當量計算

因為管道流經(jīng)地的人口存在差異，所以要首先確定該村的人均用水量。利用計算得到的最高用水量，喊過嶺洞的人均用水當量計算公式如下：

式中：q為人均用水當量（m3∕h）；W為最高日用水量（m3）；Kh為時變化系數(shù)，取3；P為設計人口（人）。

經(jīng)計算，得q＝0.040 8 m3∕h。

2.3.2 管徑計算

因為該村人口較少，為保證工程建設的經(jīng)濟可行性，管徑是按日最高人均供水量設計的，具體的計算公式如下：

式中：D為管道直徑（m）；Q為管段流量（m3∕s）；v為管道經(jīng)濟流速（m∕s）。

一般來說，管道的經(jīng)濟流速干管取0.7～1.0 m∕s，本文取0.8 m∕s；支管取0.4～0.7 m∕s，本文取0.5 m∕s。實際的逐段管徑計算結果，詳見表1。

表1 管網(wǎng)水力計算結果

2.3.3 水頭損失計算

該村處于沿海地區(qū)，地層含鹽類及礦物質(zhì)較多，金屬類管道容易腐蝕，引起使用壽命縮短。為此，考慮到該村人口少，為了降低自來水工程的投入量，輸水管道采用PVC 管。管道的水頭損失采用硬質(zhì)塑料管的計算公式[7]：式中：hf為沿程管道水頭損失（m）；L為管道長度（m）；Q為管段流量（m3∕s）；D為管道直徑（m）。

根據(jù)實際測量入戶到家的輸水管道長度及用水人口，利用式（5）按管段計算了工程需要的管徑及產(chǎn)生的水頭損失。由于喊過嶺洞人口較少，采用樹狀多級管網(wǎng)的分支型輸水線路，具體計算結果詳見表1。

2.4 水源井及輸水動力設計

由于該村位于丘陵地區(qū)，地下水的補給來源主要為降水入滲，地下水賦存在基巖裂縫潛水含水層，主要分布在花崗巖及上侏羅紀火山巖系的裂隙帶內(nèi)，為不均勻的脈狀裂隙潛水含水系統(tǒng)[8]，與沿海平原地下水系統(tǒng)不存在密切的聯(lián)通性，且該村位于沿海丘陵區(qū)，不易形成海水倒灌，地下水水質(zhì)較好，因此可以直接飲用。沿海地區(qū)的地下水抽取形式主要有大口井、沉圈井和深井3 種。大口井適用于丘陵的巖層裂隙潛水地區(qū)，沉圈井主要在平原內(nèi)部地區(qū)取淺層地下水，深井主要在平原靠海地區(qū)抽取未受海水倒灌影響的深層含水層水。由于該村處于丘陵地區(qū)，確定采用大口井，設計井深8 m、直徑5 m，設計出水量10 m3∕h。

由于該村地勢較低，供水管道的最高點高程為70 m，而水源井地勢較高，大口井地面高程為83 m。為了減少工程投入和日常的維護，降低農(nóng)民群眾的用水經(jīng)濟投入，本村的供水動力源于地形高差，采用無水泵供水形式，最不利水頭損失計算公式如下：

式中：hj為局部水頭損失（m），取管路水頭損失的15%；h為總水頭損失（m）；hf為沿程管道水頭損失（m）。

因為輸水管網(wǎng)最不利點的高程為70 m，則相應的管路水頭損失為8.53 m，hj=0.15hf=1.28（m），總水頭損失h=8.53+1.28=9.81（m）。大口井地面高程為83 m，與最不利位置高差13 m。水頭損失9.81 m小于13 m的高差能夠滿足自流條件，無需采用其他輔助動力供水。

3 結語

本工程是綏中縣中央投資農(nóng)村飲水安全工程項目中問題最復雜村屯工程之一。由于人口較少，為減少工程投入，在計算設計用水量后，因地制宜地按照人口密度及地理位置設計了樹狀多級分支管網(wǎng)，減少了總的管道長度，并且管道管徑按照需水流量的變化由粗到細，大大節(jié)省了建設輸水管網(wǎng)的費用；將取水井設置在村屯的高點，利用地形高差產(chǎn)生的水力壓強以自流的方式進行配水，減輕了輸配水的動力用電問題，壓縮了日常用水經(jīng)濟消費。未來，在條件允許的情況下，可以促進農(nóng)村地區(qū)供水和排水的一體化建設，主要聚焦于加強水源保護，采取適當?shù)乃畠艋に嚭拖痉椒ǎ蕴峁┖细竦娘嬘盟?/p>