北票市农村饮水安全供水管网设计分析

陈 亮

(北票市基层水利管理总站，辽宁 北票 122100)

0 引 言

“三农”问题历来是中国各级政府关注的大事之一，而保障广大农村地区饮水安全则是最基础的问题。供水管网是保证农村饮水安全的主要设施，其中的设计工作包括供水规模、流量、水力计算等多种内容，这也是供水工程成败的关键所在。

1 区域概况

该项目涉及到的区域包括北票双山子村、下双山子、宝树营子三个村庄，区域地形以山坡地为主，可概括为“七山、一水、两分田”，三个村有共计334户，人口1000人。由于该些村传统水源地为深水井，日常村民饮水方式为挑水，无自来水入户，为了用水的便利性及安全性，相关部门在2019年4月对该三个村的供水管网进行设计，并以此积累经验而推广到其他农村地区。该项目设计供水水质要求参数详见下表1所示(部分)。

表1 双山子村供水管网水质要求(部分)

2 供水规模及供水形式设计

2.1 供水规模计算

用水定额是计算供水量的基础，本项目具体定额详见表2。项目区总计人口1000人，大牲畜715头，因此计算得总供水规模为：111.17m3/d(管网损失率设计为10%)[1]。

表2 用水定额

2.2 供水形式设计

农村供水模式主要有以下两种：①集中连片供水，该模式适用于平原地区，且人口规模大，数以万计，地下水水质较好地区，供水方式一般为加压泵站直供；②单村和联村供水，该模式适用于供水范围小、人口较少地区(一般不超过2000人)，为降低供水成本，一般设计高位供水池，以实现自流供水[2]。

结合该项目实际情况，设计采用联村供水模式，水源地定在双山子村，设计井深120m，出水量为15-20m3/h，由于地形限制，无法实现自流供水，设计供水方式为加压泵站供水。

3 供水管网设计

3.1 供水管网布置形式

供水管网布局和出水口、用水量、水压等均有直接关系，在布局时应尽量减小流量集中、水头损失过大、管网总长度较大等问题[3]。

1)“树状网”管道结构

“树状网”管道结构中(见图1)，水流流向为：树干→树枝→分枝，分别对应的是干管→支管→分支管，该形式下供水只有分流而无汇流，适合用户分布分散、供水规模小的地区[4]，本项目设计采用该管道结构。

图1 “树状网”结构示意图

2)“环状网”管道结构

“环状网”管道结构中，各管道通过节点连接成闭环状供水网，可以通过控制阀门来调配水流，而且水流可以逆向流动，这种管网供水可靠性高，而且控制系统先进且复杂，适合人口集中的城镇、城市供水采用[5]。

图2 “环状网”结构示意图

3.2 供水管网水力计算

3.2.1 管径设计

参照其他工程经验，项目选取PE管作为供水管道，管径D主要和供水流量Q、水流速度v(PE管经济流速1.0-1.8m/s，在此取1.5m/s)有关，计算公式见(1)[6]。经计算本项目各级管道直径数值见表3。

表3 各级管道管径数值计算结果

(1)

3.2.2 水头损失计算

1)沿程水头损失计算

沿程水头损失hf计算公式见(2)[7]，相关系数取值见表4。通过计算，hf=7.55m，其中干管为5.92m，支管为1.63m。

表4 不同管材相关系数取值

(2)

式中：f为摩阻系数；m为流量系数；b为管径指数；Q为流量；D为管段直径，mm；L为管段长度，m。

2)局部水头损失计算

当水流通过弯头、阀门、三通(四通)等装置时，会引起局部水头损失hw，在实际中为了避免计算麻烦，一般直接取沿程水头损失的10%-15%计算，项目按照15%计算得hw=1.13m。因此，算得项目水头损失总计为8.88m。

3)水泵选型配套设计

选取水泵时，需要其有足够大的扬程，本项目根据地面高程差(65m)、水头损失(8.88m)、水源地地下水水位变化(45m)等因素来计算水泵扬程，盈余系数k=1.1，计算见(3-3)，可得水泵扬程L=130.77m，选取水泵型号为一台150QJ20-143/22潜水泵，流量为20m3/h，扬程143m，功率为15kW。

L=(65+8.88+45)×1.1=130.77m

(3)

3.3 配套建筑设计分析

1)管井设计

项目水源井井管设计为内径325mm钢管，其中取水段过滤器的结构示意图见下图3所示。井壁和钢管之间填充岩石颗粒，粒径不均匀系数为(2.5-3.0)d50，设计填料高度高出过滤器8.0m，过滤器为缠丝型，取水段长10.0m，基本和含水层动水位以下厚度一致，以保证供水稳定性。过滤器以下为无孔沉砂管，长度设计为5.0m，其用途是聚集经过滤层流入滤水管内的细小沙砾，防止滤水管被堵塞[8]。

图3 水源井取水段过滤器结构示意图

2)井管房设计

为保证供水安全和洁净度，建造一座井管房，采用M5砌砖墙结构，厚度要求不低于25cm，井管房设计尺寸：长×宽×高=5.0×3.0×3.0m，房顶采用C20现浇混凝土结构，预留0.5×0.5m吊装孔，井管房钥匙由专人负责妥善保管，不得外借。

3)阀门井设计

阀门井为方向设计，净尺寸为0.8×0.8m，深度1.5m，底部为30cm厚的C20混凝土结构，井壁采用M5砌砖即可。输水管中心线距离井底要求不低于20cm，给操作和维修留足空间。井口覆盖10cm厚钢筋混凝土盖板。

4)蓄水池设计

项目蓄水池容积设计为120m3，净尺寸7×5×5m，长方体形状，为C23钢筋混凝土结构，壁厚25cm，设计φ200mm溢水管和φ100mm通气管，为防止污染，蓄水池顶部为20cm钢筋混凝土盖。蓄水池要每隔3个月由专人清理和消毒一次，水质监测每隔4个月检测一次，在汛期时应一个月检测一次。

4 结 语

该项目于2019年10月30日正式投入使用，涉及到的双山子村、下双山子、宝树营子三个村庄供水率达到了100%，供水量也达到了设计要求。经过近半年检测，供水水质完全达到了饮用水标准，而且也没有影响地下水位变化，水源井供水稳定。但如果全区域供水，供水压力会存在不足问题，因此项目区合理安排分时段、分区域供水，无需对硬件设施进行更换升级，很好地解决了这一问题。