村镇给水工程配水管网设计流量计算方法探讨

徐得潜，徐雨豪

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009)

在村镇给水工程中，配水管网的设计流量是确定管径和二级泵站扬程的依据，对工程投资和运行费用影响较大。当配水管网设计流量与实际用水流量相符时，才能科学、合理地设计给水工程。根据 《镇(乡)村给水工程技术规程》(CJJ 123—2008)[1]和《村镇供水工程技术规范》(SL 310—2019)[2]，村镇配水管网设计流量应根据最高日最高时用水量计算。在实际工作中，由于村镇给水规模不大、居民点较为分散、用水时间集中、采用树状网等原因，配水管段设计流量偏小[3]，难以满足居民正常用水需求。针对这些问题，许多学者进行了相关研究。张雄等[4]分析了农村给水管网管段流量传统计算方法的适用条件和局限性，以人均当量法为基础，提出了加权人畜用水当量法；张建等[5]基于建筑内部给水设计秒流量平方根法，提出了龙头当量法。但这2种方法均未考虑我国近年来实施的田园综合体、美好乡村建设等乡村振兴战略促进了村镇社会经济发展和居民生活水平提高，使村镇居民用水量增加这一现状，不再适用于村镇配水管网设计流量计算。朱锡林[3]借鉴住宅建筑给水设计秒流量计算思路，提出规模较小的村镇配水管网采用“设计秒流量”计算方法，规模较大的村镇配水管网采用“最高日最大时”计算方法，但未提及规模适中的村镇配水管网设计流量的计算方法。

针对村镇配水管网设计流量计算方法存在的问题，笔者根据我国村镇给水工程特点和社会经济发展对用水的需求，基于保障村镇居民用水安全和科学合理设计村镇配水管网工程，在分析村镇给水工程规模对配水管网设计流量计算方法选择影响的基础上，通过计算进户管流量及其概率分布，分析不同给水规模村镇配水管网设计流量临界值，提出了村镇配水管网设计流量计算新方法。

1 给水工程规模与计算方法选择

村镇集中式给水工程按给水规模可划分为5种类型[2]。以我国一区为例，取综合用水定额qd为200 L/(cap·d)[6]，可得到相应的用水人数，见表1。

表1 村镇集中式给水工程类型划分Tab.1 Classification of centralized water supply projects in villages and towns

由表1可知，不同类型村镇给水工程的规模和用水人数的范围跨度较大，类似根据用水人数划分的城镇给水、居住小区室外给水和建筑内部给水。因此可通过研究这三者的给水特点和配水管网设计流量计算方法(见表2)，确定不同类型村镇配水管网设计流量的计算思路。

表2 城镇、居住小区和建筑内部给水特点与配水管网设计流量计算方法Tab.2 Characteristics of water supply in towns, residential areas and buildings, and flow calculation method for water distribution network design

对比表1、表2可知，Ⅰ、Ⅱ型村镇给水规模较大，用水人数在城镇用水人数范围内，可采用最高日最大时流量法计算配水管网设计流量；Ⅲ、Ⅳ型村镇给水规模适中，用水人数与居住小区类似，但现行的居住小区设计流量计算方法为依据服务人数、用水定额和卫生器具设置标准等，计算各种建筑的管段流量和节点流量确定[8]，主要采用设计秒流量法，并未考虑设计秒流量法与最大时流量法的衔接问题，因此在研究这2种计算方法差异的基础上，需研究配水管网设计流量计算的新方法；Ⅴ型村镇的给水规模较小，用水人数与建筑内部相当，可参照建筑内部给水设计秒流量法，利用概率法进行计算。

主要针对Ⅲ、Ⅳ型和Ⅴ型村镇给水工程配水管网设计流量的计算方法开展研究。

2 配水管网设计流量计算方法

2.1 Ⅴ型村镇设计流量

Ⅴ型村镇给水工程规模小，用水人数少，可根据进户管流量及其概率分布来计算配水管网设计流量。

2.1.1 基本参数

(1)卫生器具使用概率

依据亨特概率法[9]，在用水高峰时段，卫生器具使用概率p=t/T0，其中t为用水时间，T0为用水高峰时段连续2次用水的时间间隔，取T0=3 600 s，为高峰时段用水量，则有：

(1)

(2)

式中，α为经验系数，表示卫生器具用水量占高峰时段全部用水量的百分比，按《城市居民生活用水量标准》(GB/T 50331—2002)[10]取值；qd为最高日用水定额，L/(cap·d)；Kh为时变化系数；N为计算管段用水人数；0.2为单位给水当量的额定流量，L/s；Ng为卫生器具给水当量数；T为用水小时数，取24 h，若为定时供水，则按实际用水小时数取值。

(2)用水保证率

用水保证率为配水管网所供水量满足用户实际用水需求的程度，取值范围为0.90～0.95[6]。村镇给水工程用水保证率的主要影响因素为设计规模。规模较小时，用水人数较少，用水均匀性差，为保证居民的正常用水，应选取较高的用水保证率；规模较大时，用水人数较多，用水均匀性较好，稍低的用水保证率既可保证供水可靠性，还能减少管网的投资。

2.1.2 计算方法

(1)进户管流量概率分布

设村镇配水管网计算管段共有n根进户管，每根进户管流量为q0j(j=1，2，…，n)。最大用水时，进户管流量为1个与村镇住户给水设备类型和设置数量有关的随机变量。设每户共有k种卫生器具，各种卫生器具数、使用数、使用概率和额定流量分别为ni、mi、pi和qi(i=1，2，…，k)。则可能出现的进户管流量q0j和对应概率Pq0j[11]：

(3)

《镇(乡)村给水工程技术规程》(CJJ 123—2008)将村镇住宅按给水设备设置类型分成4类，但考虑到近年来国家大力实施的农村改水改厕政策以及该规程的制定时间较早等因素，结合村镇实际情况将村镇住宅按给水设备设置类型分成2类：Ⅰ类住宅，户内有给水排水卫生设备，无淋浴设备，最高日综合用水定额qd=100～230 L/(cap·d)，时变化系数Kh=2.0～2.5；Ⅱ类住宅，户内有给水排水卫生设备和淋浴设备，qd=160～300 L/(cap·d)，时变化系数Kh=1.7～2.3。

村镇Ⅰ、Ⅱ类住宅的最高日综合用水定额下限值和时变化系数，是在依据生活用水定额和时变化系数[1]的基础上，综合考虑公共建筑用水、工业用水、畜禽饲养用水、管网漏损水和未预见用水确定，且最高日综合用水定额应低于Ⅱ型小城市综合用水量指标[12]。

不同类型村镇住宅的卫生器具设置情况和当量数等参数如下：Ⅰ类住宅，卫生器具包括大便器、洗脸盆、洗涤盆，给水当量数N0=2.25；Ⅱ类住宅，卫生器具包括大便器、洗脸盆、洗涤盆、洗衣机、热水器和淋浴器等，给水当量数N0=4.00。

随着田园综合体项目和乡村振兴计划的开展，村镇居民生活水平不断提高，住宅的给水设备类型也在不断完善，多数村镇的住宅以第Ⅱ类为主。取qd=250 L/(cap·d)，N=3.5，Kh=2.0，N0=4.0，T=24 h，代入式(2)，计算可得到各种卫生器具的使用概率，见表3。

表3 Ⅱ类村镇住宅每户不同卫生器具相关参数Tab.3 Related parameters of different sanitary appliances for each household in Class II villages and towns

将表2中的相关参数代入式(3)，即可求得进户管流量q0j和概率分布，见表4。

表4 Ⅱ类村镇住宅进户管流量与概率分布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)计算方法

(4)

(5)

P(z≤qg)=P

(6)

(7)

式中，φ(Z)为P的函数，按标准正态分布表取值。

2.2 Ⅲ、Ⅳ型村镇设计流量

Ⅲ、Ⅳ型村镇给水工程用水人数较多，规模适中，与居住小区的给水规模相当。借鉴居住小区室外给水设计秒流量计算方法[13]，从研究正态分布法和最大时设计秒流量法的差异性出发，以村镇不同类型住宅给水相关参数为准，推导Ⅲ、Ⅳ型村镇配水管网设计流量计算方法。

令n=NG/N0，其中n为户数，NG为计算管段当量数，N0为户均给水当量数，代入式(7)(取P=0.95)，则：

(8)

令N=NG·f/N0，其中N为用水人数，f为户均人口，NG、N0含义同前，则最大时设计秒流量：

(9)

取村镇常见Ⅱ类住宅的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)

根据式(10)和式(11)，分别绘制NG与qg、Qs的函数曲线，如图1所示。

最大时设计秒流量法的临界流量为40 L/s[8]，故令Qs=40，解得NG=7 899(图1中A点)。当用水人数小于临界值3 000人(当量数NG=3 429)时，属于建筑内部给水范围，应采用正态分布法计算配水管网设计流量，解得qg=19.97 L/s(图1中B点)。

图1 不同计算方法的设计流量与当量数的对应关系Fig.1 Correspondence between design flow and equivalent number of different calculation methods

当3 429

Q=0.00488NG+4.605

(12)

适用条件为3 429

式(12)是在取Ⅱ类住宅最高日综合用水定额qd=250 L/(cap·d)时推导的结果，现保持其他参数不变，分别取最高日综合用水定额的下限值qd=160 L/(cap·d)和上限值qd=300 L/(cap·d)，推导得出相应的配水管网设计流量计算公式：

Q=0.003 006NG+2.9

(13)

适用条件为3 429

Q=0.00517NG+5.961

(14)

适用条件为3 429

由式(13)和式(14)可知，其他参数不变时，综合用水定额qd取值越大，配水管网设计流量计算公式的斜率越大，截距也越大，适用条件的下限值不变，上限值越低。

对于Ⅰ类住宅，取qd=160 L/(cap·d)，f=3.5，N0=2.25，Kh=2.2，T=24 h，也可求得配水管网设计流量：

Q=0.005851NG+3.063

(15)

适用条件为1 929

为了研究卫生器具对计算公式的影响，取N0=4，其他参数取值不变，得到：

Q=0.003282NG+3.173

(16)

适用条件为3 429

由式(15)和式(16)可知，其他参数不变时，卫生器具设置标准越高，配水管网设计流量计算公式的斜率越小，截距越大，适用条件的下限值和上限值越高。

现保持其他参数不变，分别取Ⅰ类住宅最高日综合用水定额的下限值qd=100 L/(cap·d)和上限值qd=230 L/(cap·d)，推导得出相应的配水管网设计流量计算公式：

Q=0.003754NG+2.088

(17)

适用条件为1 929

Q=0.008087NG+4.49

(18)

适用条件为1 929

式(12)至式(18)是以村镇Ⅰ、Ⅱ类住宅推导得到的计算公式，在实际设计计算过程中，可根据村镇的用水习惯、经济发展水平等选择合适的参数，推导出适合当地的配水管网设计流量计算公式。

3 实例分析

歙县溪头镇某村共有2 140户、7 490人，采用集中给水方式，以Ⅱ类住宅为主，供水管网布置见图2。qd=250 L/(cap·d)，Qd=1 498 m3/d，Kh=2.0，T=24 h，不考虑村镇配套设施和集中大用户用水量。

图2 溪头镇某村供水管网布置Fig.2 Layout plan of water supply network of a village in Xitou Town

采用所研究的方法计算该村配水管网的设计流量，并与最大时设计秒流量法[1]和住宅给水设计秒流量法[8]进行对比，见表7。

表5 不同计算方法的配水管网设计流量Tab.5 Design flow of water distribution network with different calculation methods

对比第5列和第3、4列的计算结果可知，采用本文方法在村镇用水人数较多时接近最大时设计秒流量法计算结果，在用水人数适中和较少时介于住宅给水设计秒流量法和最大时设计秒流量法计算结果之间，较符合居民的实际用水需求。

表5中正态分布法在给水当量数较小时的设计流量值偏小，但不影响最终管径的确定。这是因为村镇消防给水管道最小管径不应小于100 mm[1]，当管段设计流量小于5 L/s左右时，可直接确定管径为100 mm。

4 结论与讨论

① 基于村镇给水工程规模和进户管流量及其概率分布，分别提出了Ⅴ型村镇给水工程配水管网、Ⅲ型和Ⅳ型村镇给水工程配水管网设计流量计算方法，并结合实例计算说明了其合理性。

② 对Ⅳ型及以上规模的村镇配水管网，应根据计算管段给水当量数选择合理的设计秒流量计算方法，并考虑不同计算结果的衔接。

③ 卫生器具使用概率对Ⅴ型和Ⅳ型村镇配水管网设计流量计算结果有较大影响，应对各类住宅卫生器具使用概率进行大量的测试分析，以确定其合理值。

④ 对于村镇配水管网中的公共建筑用水、工业用水、畜禽饲养用水、管网漏损水和未预见用水，当工业用水占比较大时，应作为集中流量单独考虑，其余各项用水近似为沿线流量并与住宅用水一并计算。