华北平原区村内供水管网水力计算方法探讨

户广勇，梁 好

（1.沧州水利勘测规划设计院有限公司，河北 沧州 061003；2.沧州市市政公用事业服务中心，河北 沧州 061003）

1 概述

农村饮水工程关乎广大农村人民群众的切身利益，是脱贫攻坚、乡村振兴的重要保障，是“民心工程”“德政工程”。在农村供水工程中，村内供水管网是供水系统的“最后一公里”，是巩固发展农村供水成果，助力乡村振兴战略，提高人民群众获得感、幸福感的重要部分。

在村内供水管网工程中，管道所占投资比重很大，且管道的设计合理与否直接影响工程的经济性与合理性：管道管径定大了，会造成工程投资的浪费；管径定小了，会影响用水户的水压水量[1，2]。因此，在村内供水管网工程设计阶段，采用适当的水力计算办法，准确地进行管网水力计算，使管网设计流量尽量能够反映实际用水量，合理确定管道管径非常重要。

笔者多年从事华北平原区农村小型供水工程设计。华北平原区农村具有地形平坦、居民聚集、用水量不大的特点，基于现状华北平原区多采用树枝状村内供水管网，且可不考虑地形高低变化的影响。本文对树枝状村内供水管网常用水力计算方法的计算原理及过程进行了介绍，并对其适用范围、准确性等展开分析，通过工程实例总结了适用于华北平原区树枝状村内供水管网的水力计算方法，并对水力计算过程提出了参考建议。

2 树枝状供水管网水力计算常用方法

2.1 比流量法

比流量法分为长度比流量法和面积比流量法[3，4]。长度比流量法是假定设计配水总量沿配水管道总长度均匀分布，则管线单位长度上的配水流量称为长度比流量。水力计算步骤如下：①先计算出单位管长比流量；②根据管道长度进行线型分摊，计算出各管段的配水流量；③计算出流入各个节点的集中流量；④从管网末端节点算起，依据节点集中流量求出各管段设计流量后进行管径计算。

面积比流量法是假定沿线流量均匀分布在整个供水面积上，则单位面积上的配水流量称为单位面积比流量。水力计算步骤如下：①先计算出管段所负担的供水面积的单位面积比流量；②根据各个供水面积进行分摊计算，得出各面积上的配水流量；③计算出流入各个节点的集中流量；④从管网末端算起，依据节点集中流量求出各管段设计流量进而确定管径。

2.2 人均用水当量法

人均用水当量法是目前《村镇供水工程技术规范》推荐使用的方法[5]。管网中所有管段的沿线出流量之和等于最高日最高时用水量，各管段的沿线出流量可根据人均用水当量和各管段用水人口、用水大户的配水流量计算确定。其计算公式如下：

式中：q为人均用水当量（L/h）；W为村镇最高日用水量（m3）；W1为企业、机关及学校等用水大户用水量之和（m3/d）；Kh为时变化系数；P为村镇设计用水人口（人）。

此种方法考虑到了农村供水区域内用水人口分布的不均匀性，较比流量法有所改进，可适用于华北平原区村内供水管网水力计算。

2.3 设计秒流量法（龙头当量法）

《建筑给水排水设计规范》推荐了一种适用于农村供水管网计算的住宅建筑设计秒流量法[6]。该法是以建筑内卫生器具按最不利情况组合出流时的最大瞬时流量为生活给水管道的设计流量，保证了供水范围内各用水户的用水需求。水力计算步骤如下。

（1）根据住宅配置的卫生器具给水当量、使用人数、用水定额、使用时数以及时变化系数，计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率。其计算公式为：

式中：U0为生活给水管道的最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率（%）；q0为设计最高用水日的用水定额[L/(人·d)]；m为每户用水人数（人）；Kh为时变化系数；NG为每户设置的卫生器具给水当量数；T为用水时数（h）；0.2 为一个卫生器具给水当量的额定流量（L/s）。

（2）根据计算管段上的卫生器具给水当量总数，按下式计算得出该管段的卫生器具给水当量的同时出流概率：

式中：U为计算管段的卫生器具给水当量同时出流概率（%）；αc为对应于U0的系数；Ng为计算管段的卫生器具给水当量总数。

（3）根据计算管段上的卫生器具给水当量同时出流概率，按下式计算得出计算管段的设计秒流量：

式中：qg为计算管段的设计秒流量（L/s）；其余变量含义同上。

3 常用水力计算方法分析

以上常用水力计算方法各有优缺点，且适用的条件有所不同。长度比流量法和面积比流量法简单明了，易于理解掌握，计算简便，适用于供水区各管道设计人口较难以统计且分布集中、均匀连片的情况，但对于农村人口聚集分布不均、住户分散或沿线实际用水人口和用水量有差别的情况不太适用[4]。

人均用水当量法考虑到了农村供水区域内用水人口分布的不均匀性，是按管段实际担负的供水人口、用水当量指标进行计算的，因此管道计算流量基本能够代表实际用水需求，此计算办法适用于华北平原地区村内供水管网水力计算[3]。但根据以往工程设计经验及相关文献可知，对于用水人数少、比较分散且供水规模较小的村内供水管网，该种方法计算所得的流量和管径偏小，且规模越小则所计算成果偏差越大[1—3]。

设计秒流量法是一种适用于住宅建筑生活给水管道设计的一种计算方法，该计算方法也被应用到了村镇树枝状供水管网计算中[6]。设计秒流量法是以5 000 人Ⅱ类普通住宅设计秒流量qg与最大用水时平均秒流量qs的吻合点建立的，此计算方法得到的秒流量值具有在小规模供水管网中偏大、在大规模供水管网中偏小的特点，且根据以往工程实践经验，供水规模达到3 000 人时其qg与qs的差值已不明显[7，8]。

基于以上4 种水力计算方法的特点及适用条件，本文以工程实例对华北平原区村内供水管网的水力计算进行说明。

4 工程实例

本文以沧州市某村内供水管网改造工程为例进行说明，选取供水规模较小的A 村和供水规模较大的B 村分别采用人均用水当量法和设计秒流量法2 种计算方法进行水力计算，所得计算结果与工程运行实际情况对比分析。

为使计算模型尽量准确、能够较准确地反映供水人口的分布情况，本文把用水人口直接分配到节点，采用节点流量进行计算。水力计算步骤如下：①绘制管网平面布置图，在图上标明节点及各管段长度，并统计各节点供水人口和户数；②根据各管段供水人口和户数分别采用人均用水当量法和设计秒流量法计算设计流量；③按各管段的计算流量、所用管材及经济流速选定管径；④计算每一管段的总水头损失，包括各管段局部水头损失和沿程水头损失；⑤按管网起点供水压力和末端服务水头要求，复核管网水头损失是否满足供水要求，对水头损失较大管段适当增大管径[9]。

根据河北省用水定额[10]，项目区最高日居民生活用水定额取60 L/人，考虑公共建筑、饲养畜禽、绿化环卫、未预见用水及管网渗漏等用水量[11]，则最高日居民综合用水定额取80 L/人。A 村设计供水人口798 人、259 户，每户平均约3 人；B 村设计供水人口3 880人、960户，每户平均约4人；根据《村镇供水工程技术规范》，时变化系数分别取3.0 和2.5，接管点服务水头取12 m；根据项目区实际情况，每户布置1 个水龙头，每户的卫生器具给水当量为1；项目区无企业、机关等用水大户。A、B村管网布置，如图1—2所示。

图1 A村管网布置简图

图2 B村管网布置简图

A 村和B 村分别采用人均用水当量法和设计秒流量法计算最高日最高时供水流量，A 村为2.22 、4.72 L/s，B 村为12.33、8.98 L/s。由计算结果可知，2个村庄采用设计秒流量法计算所得的供水流量均比采用人均用水当量法计算所得的供水流量大，其中A 村大1.13 倍、B 村大37%，笔者分析其主要原因与村庄规模大小、用水总人口多少有关。通过以往项目设计经验并查阅相关文献[12]，基本能够证实该2种计算方法所计算结果偏差受村庄总用水人口规模的影响，村庄总用水人口越少，2 种计算方法计算结果的偏差越大。

为验证以上2 种计算方法的准确性，项目实施完工后，对项目村供水厂的供水数据进行了跟踪了解，数据表明项目村实际最高日最高时供水流量与设计秒流量法计算结果相近，因此设计秒流量法能够较准确地反映项目村的用水情况。

农村供水管网设计的主要内容是首先计算管段设计流量，然后根据各管段的设计流量和经济流速，计算并选定管径。工程设计中，给水管道经济流速一般取0.6～1.8 m/s，且管径越小其经济流速一般也越小，尤其是村内供水管网管径一般均较小，因此村内供水管网设计中经济流速一般取较小值。本工程给水管网的沿程水头损失采用《建筑给水排水设计规范》3.7.14推荐的计算方法计算，见下式：

式中：h为计算管段沿程水头损失（m）；L为计算管段长度（m）；i为管道单位长度水头损失（m/km）；dj为管道计算内径（mm）；qg为管道给水设计流量（m³/s）；Ch为海澄-威廉系数，本工程采用PE100 级HDPE管，取140。

分别对项目村A 村和B 村进行水力计算确定管径，并复核各管段的水头损失。局部水头损失取沿程水头损失的10%，A 村和B 村的设计流量及水力计算要素，详见表1—2。

表1 A村管段设计流量及水力计算要素

根据表1和表2计算结果可知，通过已知管段设计流量和经济流速确定管径的计算方法有可能会导致部分管段总水头损失偏大，尤其是长度较长的管段会更明显，如A 村3-4 和3-5 管段和B 村1-2、5-6和1-11管段。因此，为更合理确定管径且能够满足用户接管点服务水头的要求，应将总水头损失较大或单位长度水头损失较大的管段的管径适当增大，使管网末端接管点的水压得以保证[3]。

表2 B村管段设计流量及水力计算要素

5 结论

（1）基于华北平原区农村地形平坦、居民聚集、用水量不大的现实基础，该区域树枝状村内供水管网水力计算一般可采用设计秒流量法计算，计算结果与实际基本相符。但对于规模较大、居民超过3 000人的村庄，建议分别采用人均用水当量法和设计秒流量法进行水力计算，选取与实际用水情况相符的计算方法进行设计工作。

（2）根据管段设计流量和经济流速确定管径计算时，建议同步计算相应管段单位长度水头损失，便于筛查水头损失较大的管段以调整管径，在管网末端接管点的水压得以保证的前提下满足工程的经济性。

（3）村内供水管网水力计算过程中涉及多个参数的选定，包括用水定额、时变化系数和经济流速等，参数的选定一定程度上决定了设计成果的合理与否。因此，建议在村内供水管网水力计算过程中，参数的选定在满足相关规范及文件的基础上尽量偏于保守，同时应充分考虑人口增长、管网延伸等远期发展情况，以保证工程满足远期的发展需求。