雨水集蓄利用农村安全饮水工程长系列计算设施最佳匹配模式

金彦兆 ，周录文

(甘肃省水利科学研究院，兰州 730000)

利用雨水集蓄利用技术解决农村饮水，在我国北方干旱缺水地区具有悠久的历史。随着农村安全饮水战略的实施，水源条件相对较好的地区相继建成了一些集中供水工程，有效解决了农村地区群众吃水难的问题，但在我国北方一些边远、分散地区，集中供水工程难以企及，群众生活用水仍然不得不依靠雨水集蓄利用工程解决，从而使得建设一定数量的集流面和蓄水设施保证水量供给，配置相应的沉沙池、净水器确保水质安全成为关键。对此，按照“确保水量、水质双安全”的要求，提出雨水集蓄利用农村安全饮水工程的集流面与蓄水设施容积最佳组合，形成既经济又安全的雨水集蓄利用农村安全饮水工程最佳匹配模式显得十分必要。

1 农村安全饮水工程用水对象及用水标准

1.1 用水对象

从目前我国农村现状来看，农村安全饮水工程的用水对象主要是农村人口以及分散养殖的大小牲畜与各类家禽类动物。一方面，目前我国农村家庭小型化，户均人口基本在4～6人之间。另一方面，随着农业机械化水平的提高，大牲畜数量逐年减少，目前户均仅维持在1头左右；小牲畜、家禽主要包括猪、羊、鸡等，除主要用于解决农村人口肉蛋需求外，极少部分用于商品流通，但总体数量不大。小牲畜中猪一般在1头左右，羊一般在5只左右，家禽一般在10只左右。本文以农村单个住户为单元，拟定用水对象见表1。

1.2 用水标准

根据现行《雨水集蓄利用工程技术规范》(GB/T 50596-2010)，农村居民生活用水定额见表2[1]，畜禽用水定额见表3。

表1 我国北方农村住户用水对象构成情况表

表2 雨水集蓄利用工程居民生活用水定额表

表3 雨水集蓄利用工程畜禽养殖用水定额表

由表2、表3可知，虽然《雨水集蓄利用工程技术规范》确定的用水定额相对较低，与真正意义上的农村安全饮水尚有一定差距。但考虑到我国北方地区传统的用水习惯和水资源严重短缺的现实，所有用水对象的用水定额均采用规范确定的平均值进行分析计算。

2 农村安全饮水需水量

农村生活用水过程的特殊性要求农村安全饮水工程实施全年不间断供水。以户为单元的农村安全饮水需水量可由式(1)计算确定[2]：

(1)

式中：Wx为单元农村安全饮水年需水量，m3；Pi为具体用水对象的数量，人或头、只；mi为具体用水对象的用水定额，L/(d人)或L/[d头(只)]；n为具体用水对象的种类数量。

拟定用水对象供水方案条件下逐月农村生活需水量计算结果见表4。

表4 拟定用水对象供水方案逐月农村生活需水量计算结果表 m3

由表4可见，在多年平均降水量250～500 mm地区，拟定农村生活用水对象供水方案一、方案二、方案三条件下年需水量分别为83.7、95.2、105.9 m3，在多年平均降水量大于500 mm地区，拟定农村生活用水对象供水方案一、方案二、方案三条件下年需水量分别为113.1、131.7、149.6 m3。

3 代表站资料系列及降水特性分析

分别选用定西市安定区1958-2009年共52 a资料和庆阳市西峰区1951-2009年共59 a的长系列降水资料，作为雨水集蓄利用农村安全饮水工程设施优化组合模式分析计算的依据。

经分析，不同降水量地区代表站安定区、西峰区多年平均降水量分别为397.4、544.0 mm，50%频率降水量分别为387.8、521.7 mm，75%频率降水量分别为352.4、459.6 mm，90%频率降水量分别为308.1、425.2 mm。从安定区、西峰区多年平均降水量年内分布可知，汛期6-9月分别占67.0%、66.8%，其他时段当年10月-翌年5月分别占33.0%、33.2%。代表站多年平均降水量及年内分布见表5。

4 集水量

4.1 现有集流面情况

从目前我国北方地区农村住户现有集流面分布情况来看，户均拥有小青瓦屋面集流面约在80～120 m2之间。除此之外，农村住宅一般均具有独立的庭院，大多数未进行防渗衬砌，集流效率很低，作为农村安全饮水集流面需采用混凝土等进行硬化处理。为分析简便起见，本文分析时农村青瓦屋面按100 m2进行计算。

4.2 供水保证率

根据《雨水集蓄利用工程技术规范》(GB/T 50596-2010)，用以满足农村生活饮水的雨水集蓄利用工程设计供水保证率取90%。

4.3 集流效率

根据《雨水集蓄利用工程技术规范》(GB/T 50596-2010)，不同降水量地区不同集流面材料的集流效率各不相同。在降水量250～500 mm之间地区，土质庭院、小青瓦、混凝土集流面集流效率分别在15%～30%、30%～40%和73%～80%之间；在降水量500 mm以上地区，土质庭院、小青瓦、混凝土集流面集流效率分别在30%～40%、40%～50%和75%～85%之间。同时，依据有关试验研究资料，结合推广应用经验，不同降水量地区不同材料集流面集流效率见表6。

4.4 集水量计算

集流面是雨水集蓄利用农村安全饮水工程的“水源”，是确保安全供水的首要条件。但从农户现有集流面情况来看，依托小青瓦、庭院土质集流面在水量上无法满足安全供水的要求，必须新建高标准集流面，通过提高集流效率来增加集水量。采用长系列法计算时，集流面集水量可按公式(2)进行计算。

表5 代表站不同频率降水量及年内分布情况表

表6 不同降水量地区不同材料集流效率表

(2)

式中：Wj为现有集流面集水量，m3；Pp为代表站降水量，mm；Sj为第j类集流面面积，m2；Ej为第j类集流面集流效率，%。

5 配套设施规模分析确定

5.1 满足设计供水保证率的设施优化组合

依据雨水集蓄利用工程长系列计算方法[3]，按照前述确定的各供水方案需水量大小，依据《雨水集蓄利用工程技术规范》容积系数，初估集流面面积、蓄水设施容积，计算各计算时段的来水量和满足安全饮水的需水量，实施长系列操作，以蓄水设施初始蓄水量为0进行各计算时段的水量调节计算，确定各计算时段内的水量余缺值，累加计算各月末的累加储存水量，当累加储存水量出现负值时即认为该时段缺水，并依据缺水时段按月统计供水保证率，满足设计供水保证率的组合即为优化组合一；在此基础上，依据集流面面积与蓄水设施容积初估值，在其左右给定组合值，重复前述过程，直至确定其他组合。经计算，在设计供水保证率情况下，不同降水量地区雨水集蓄利用农村安全饮水工程补充集流面面积、蓄水设施容积优化匹配模式组合见表7。

5.2 设施最佳匹配模式

由于规模一定时，雨水集蓄利用工程运行管理成本维持不变，这里仅按建设成本比较其经济性。因此，在前述计算的基础上，按照混凝土集流面单位面积造价35元/m2、砂浆抹面水窖单方容积造价110元/m3计算，不同优化匹配模式组合工程造价见表7。

表7 雨水集蓄利用农村安全饮水工程设施优化组合及造价情况表

注：集流面数据不包括青瓦屋面面积；带*数据为设施最佳匹配模式组合。

6 结 语

由前述计算结果可以看出，在平均降水量250～500 mm地区，供水方案一、二、三对应的混凝土集流面与蓄水设施最佳匹配模式分别为{235，40}、{275，45}和{325，45}；在平均降水量大于500 mm地区，混凝土集流面与蓄水设施最佳匹配模式分别为{213，50}、{267，55}和{320，60}。因此，雨水集蓄利用农村安全饮水工程设施最佳匹配模式组合不仅可有效降低工程投资，而且还可显著提高工程设施利用率，对促进雨水集蓄利用技术进步，实现雨水集蓄利用的可持续发展具有重要理论意义和实践指导作用。

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[1] GB/T 50596-2010，雨水集蓄利用工程技术规范[S].

[2] 金彦兆. 设施农业雨水集蓄长系列计算经济利用模式[J]. 中国农村水利水电，2014,(12)：69-71.

[3] 金彦兆. 雨水利用工程设计长系列计算方法[J]. 人民黄河，2010,(12)：116-117.