喊过岭洞农村饮水安全供水工程设计分析

陈 亮

（北票市基层水利管理总站，辽宁 北票 122100）

农村饮用水安全事关乡村振兴和农村发展，为改善农村饮用水安全，我国投入了大量资金[1]。东北地区作为老工业基地，部分水利工程年代久远，项目建设标准低，部分农村饮用水设施逐渐老化，供水数量严重不足。同时，只建不运的项目管理方式导致农村饮水工程可持续性差，部分已无法满足基本运行需求。近年来，农村安全饮水问题已影响到农村居民的福祉。为此，作为老工业基地一部分的辽宁葫芦岛市绥中县，解决农村饮水安全问题，保障农村生活饮用水供应已成为当地政府亟需解决的事项。

1 项目区概况

辽宁省绥中县农村总人口54.62万人，饮水安全人口50.18万人，尚有4.44万人的饮水不安全[2]。该县属于暖温带半湿润半干旱季风气候，降水资源年内年际分布不均衡[3]，区域地表水的可持续性供给能力差，县内的一些分水岭山势陡峻，切割剧烈，岩石裸露，植被较少，难以对区域降水进行有效的涵蓄，无法形成江河河源，且地质多为侏罗系火山区及部分侏罗系花岗岩区，农村用水多依赖蓄存时间较长的地下水资源。根据绥中县农村自然及经济条件的特点，因地制宜，选择地下水为主要供水水源。这里，选取辽西绥中县范家乡平川村喊过岭洞供水工程进行设计。

2 供水工程设计

2.1 供水形式及设计标准

一般情况下，我国农村的供水项目可分为集中式和分散式2 种。在考虑经济成本的前提下，喊过岭洞供水工程以集中式供水方式进行设计[4]。对于集中式饮用水供水项目，水作为水源项目处理，然后通过配水网络输送到用水者处或供水点，而水源的选择需要符合区域水资源开发总体规划及其区域功能，必须在满足水质水量需求、保证安全以及节约投资和运营成本的前提下进行。为保证用水安全，本工程的水源来自地下水，从无污染的含水层抽取地下水后利用分布入户的管网，集中供给用户，如图1所示。平川村喊过岭洞现有居民50 户，共计人口180 人、大牲畜存栏44 头，供水系统设计标准采用20 a。

图1 供水管网

2.2 设计用水量计算

喊过岭洞位于辽西丘陵区，无大型交通路线通过，整体村庄较为封闭。因此，在不考虑外来人口用水的情况下，供水工程设计用水量按照实际固定居住统计人口和养殖的大牲畜数量进行计算；同时，因为输水管网会产生一定的漏失量，管网漏水量及未可预见水量也需要被考虑进来。基于农村人畜用水量和输水过程的损失量，经综合计算得到最高日用水量。根据《村镇供水工程技术规范》的设计标准[5]，人畜用水定额分别为每人用水量60 L∕d、每头大牲畜用水量40 L∕d。

2.2.1 人畜用水量计算

按照农村人畜饮水的设计规范，喊过岭洞不存在特殊的人口和大牲畜数量暴增情况。因此，在考虑人口自然增长的状态下，设计保证年限为20 a 的用水量计算公式如下：

式中：Q为人畜用水量（m3∕d）；q1、q2分别为农村人畜用水定额[L∕（人·d-1）]；P1、p2分别为农村人畜设计数量（人或头）；P01为农村现有人口（人）；R为人口自然增长率（‰），取10‰；n为设计年限（a），取20 a。

首先计算出设计年限20 a 后的自然人口数量，即根据式（2）计算得到20 a 后的人口数为220 人；其次大牲畜按每户养殖头数计算，20 a 后数量不变仍为44 头；最后，经综合计算得到要满足该村人畜正常饮水的日用水量为14.96 m3。

2.2.2 管网漏水量及未可预见水量计算

水从大口井提取后，需要通过管网输送到各家各户，其中会存在部分的水量漏失以及不可控的水量浪费。因此，管网漏水量及未可预见水量按计算用水量的20%计算[6]，则Q损=0.2Q=2.99 m3∕d，其中Q损为管网漏水量及未可预见水量（m3∕d）、Q为人畜用水量（m3∕d）。

2.2.3 最高日用水量计算

根据实际人畜用水量和管网漏水量及未可预见水量的计算结果，需要从水源井抽取的最高日用水量Qd=14.96+2.99=17.95（m3）。

综上，喊过岭洞的设计日用水量为17.95 m3，可满足该村的日常用水需求。

2.3 输水管网设计

因地制宜建设好取水井后，需要利用配水管网将水分配供应到各用户，实现足不出户的自来水输水。输水管网要确定好区域的需水流量及管道直径，之后确定好水头损失，为后续配水动力提供设计参数。

2.3.1 人均用水当量计算

因为管道流经地的人口存在差异，所以要首先确定该村的人均用水量。利用计算得到的最高用水量，喊过岭洞的人均用水当量计算公式如下：

式中：q为人均用水当量（m3∕h）；W为最高日用水量（m3）；Kh为时变化系数，取3；P为设计人口（人）。

经计算，得q＝0.040 8 m3∕h。

2.3.2 管径计算

因为该村人口较少，为保证工程建设的经济可行性，管径是按日最高人均供水量设计的，具体的计算公式如下：

式中：D为管道直径（m）；Q为管段流量（m3∕s）；v为管道经济流速（m∕s）。

一般来说，管道的经济流速干管取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。实际的逐段管径计算结果，详见表1。

表1 管网水力计算结果

2.3.3 水头损失计算

该村处于沿海地区，地层含盐类及矿物质较多，金属类管道容易腐蚀，引起使用寿命缩短。为此，考虑到该村人口少，为了降低自来水工程的投入量，输水管道采用PVC 管。管道的水头损失采用硬质塑料管的计算公式[7]：式中：hf为沿程管道水头损失（m）；L为管道长度（m）；Q为管段流量（m3∕s）；D为管道直径（m）。

根据实际测量入户到家的输水管道长度及用水人口，利用式（5）按管段计算了工程需要的管径及产生的水头损失。由于喊过岭洞人口较少，采用树状多级管网的分支型输水线路，具体计算结果详见表1。

2.4 水源井及输水动力设计

由于该村位于丘陵地区，地下水的补给来源主要为降水入渗，地下水赋存在基岩裂缝潜水含水层，主要分布在花岗岩及上侏罗纪火山岩系的裂隙带内，为不均匀的脉状裂隙潜水含水系统[8]，与沿海平原地下水系统不存在密切的联通性，且该村位于沿海丘陵区，不易形成海水倒灌，地下水水质较好，因此可以直接饮用。沿海地区的地下水抽取形式主要有大口井、沉圈井和深井3 种。大口井适用于丘陵的岩层裂隙潜水地区，沉圈井主要在平原内部地区取浅层地下水，深井主要在平原靠海地区抽取未受海水倒灌影响的深层含水层水。由于该村处于丘陵地区，确定采用大口井，设计井深8 m、直径5 m，设计出水量10 m3∕h。

由于该村地势较低，供水管道的最高点高程为70 m，而水源井地势较高，大口井地面高程为83 m。为了减少工程投入和日常的维护，降低农民群众的用水经济投入，本村的供水动力源于地形高差，采用无水泵供水形式，最不利水头损失计算公式如下：

式中：hj为局部水头损失（m），取管路水头损失的15%；h为总水头损失（m）；hf为沿程管道水头损失（m）。

因为输水管网最不利点的高程为70 m，则相应的管路水头损失为8.53 m，hj=0.15hf=1.28（m），总水头损失h=8.53+1.28=9.81（m）。大口井地面高程为83 m，与最不利位置高差13 m。水头损失9.81 m小于13 m的高差能够满足自流条件，无需采用其他辅助动力供水。

3 结语

本工程是绥中县中央投资农村饮水安全工程项目中问题最复杂村屯工程之一。由于人口较少，为减少工程投入，在计算设计用水量后，因地制宜地按照人口密度及地理位置设计了树状多级分支管网，减少了总的管道长度，并且管道管径按照需水流量的变化由粗到细，大大节省了建设输水管网的费用；将取水井设置在村屯的高点，利用地形高差产生的水力压强以自流的方式进行配水，减轻了输配水的动力用电问题，压缩了日常用水经济消费。未来，在条件允许的情况下，可以促进农村地区供水和排水的一体化建设，主要聚焦于加强水源保护，采取适当的水净化工艺和消毒方法，以提供合格的饮用水。