雨水集蓄利用農(nóng)村安全飲水工程長(zhǎng)系列計(jì)算設(shè)施最佳匹配模式

金彥兆 ，周錄文

(甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000)

利用雨水集蓄利用技術(shù)解決農(nóng)村飲水，在我國(guó)北方干旱缺水地區(qū)具有悠久的歷史。隨著農(nóng)村安全飲水戰(zhàn)略的實(shí)施，水源條件相對(duì)較好的地區(qū)相繼建成了一些集中供水工程，有效解決了農(nóng)村地區(qū)群眾吃水難的問題，但在我國(guó)北方一些邊遠(yuǎn)、分散地區(qū)，集中供水工程難以企及，群眾生活用水仍然不得不依靠雨水集蓄利用工程解決，從而使得建設(shè)一定數(shù)量的集流面和蓄水設(shè)施保證水量供給，配置相應(yīng)的沉沙池、凈水器確保水質(zhì)安全成為關(guān)鍵。對(duì)此，按照“確保水量、水質(zhì)雙安全”的要求，提出雨水集蓄利用農(nóng)村安全飲水工程的集流面與蓄水設(shè)施容積最佳組合，形成既經(jīng)濟(jì)又安全的雨水集蓄利用農(nóng)村安全飲水工程最佳匹配模式顯得十分必要。

1 農(nóng)村安全飲水工程用水對(duì)象及用水標(biāo)準(zhǔn)

1.1 用水對(duì)象

從目前我國(guó)農(nóng)村現(xiàn)狀來看，農(nóng)村安全飲水工程的用水對(duì)象主要是農(nóng)村人口以及分散養(yǎng)殖的大小牲畜與各類家禽類動(dòng)物。一方面，目前我國(guó)農(nóng)村家庭小型化，戶均人口基本在4～6人之間。另一方面，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，大牲畜數(shù)量逐年減少，目前戶均僅維持在1頭左右；小牲畜、家禽主要包括豬、羊、雞等，除主要用于解決農(nóng)村人口肉蛋需求外，極少部分用于商品流通，但總體數(shù)量不大。小牲畜中豬一般在1頭左右，羊一般在5只左右，家禽一般在10只左右。本文以農(nóng)村單個(gè)住戶為單元，擬定用水對(duì)象見表1。

1.2 用水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)現(xiàn)行《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50596-2010)，農(nóng)村居民生活用水定額見表2[1]，畜禽用水定額見表3。

表1 我國(guó)北方農(nóng)村住戶用水對(duì)象構(gòu)成情況表

表2 雨水集蓄利用工程居民生活用水定額表

表3 雨水集蓄利用工程畜禽養(yǎng)殖用水定額表

由表2、表3可知，雖然《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》確定的用水定額相對(duì)較低，與真正意義上的農(nóng)村安全飲水尚有一定差距。但考慮到我國(guó)北方地區(qū)傳統(tǒng)的用水習(xí)慣和水資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)實(shí)，所有用水對(duì)象的用水定額均采用規(guī)范確定的平均值進(jìn)行分析計(jì)算。

2 農(nóng)村安全飲水需水量

農(nóng)村生活用水過程的特殊性要求農(nóng)村安全飲水工程實(shí)施全年不間斷供水。以戶為單元的農(nóng)村安全飲水需水量可由式(1)計(jì)算確定[2]：

(1)

式中：Wx為單元農(nóng)村安全飲水年需水量，m3；Pi為具體用水對(duì)象的數(shù)量，人或頭、只；mi為具體用水對(duì)象的用水定額，L/(d人)或L/[d頭(只)]；n為具體用水對(duì)象的種類數(shù)量。

擬定用水對(duì)象供水方案條件下逐月農(nóng)村生活需水量計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 擬定用水對(duì)象供水方案逐月農(nóng)村生活需水量計(jì)算結(jié)果表 m3

由表4可見，在多年平均降水量250～500 mm地區(qū)，擬定農(nóng)村生活用水對(duì)象供水方案一、方案二、方案三條件下年需水量分別為83.7、95.2、105.9 m3，在多年平均降水量大于500 mm地區(qū)，擬定農(nóng)村生活用水對(duì)象供水方案一、方案二、方案三條件下年需水量分別為113.1、131.7、149.6 m3。

3 代表站資料系列及降水特性分析

分別選用定西市安定區(qū)1958-2009年共52 a資料和慶陽市西峰區(qū)1951-2009年共59 a的長(zhǎng)系列降水資料，作為雨水集蓄利用農(nóng)村安全飲水工程設(shè)施優(yōu)化組合模式分析計(jì)算的依據(jù)。

經(jīng)分析，不同降水量地區(qū)代表站安定區(qū)、西峰區(qū)多年平均降水量分別為397.4、544.0 mm，50%頻率降水量分別為387.8、521.7 mm，75%頻率降水量分別為352.4、459.6 mm，90%頻率降水量分別為308.1、425.2 mm。從安定區(qū)、西峰區(qū)多年平均降水量年內(nèi)分布可知，汛期6-9月分別占67.0%、66.8%，其他時(shí)段當(dāng)年10月-翌年5月分別占33.0%、33.2%。代表站多年平均降水量及年內(nèi)分布見表5。

4 集水量

4.1 現(xiàn)有集流面情況

從目前我國(guó)北方地區(qū)農(nóng)村住戶現(xiàn)有集流面分布情況來看，戶均擁有小青瓦屋面集流面約在80～120 m2之間。除此之外，農(nóng)村住宅一般均具有獨(dú)立的庭院，大多數(shù)未進(jìn)行防滲襯砌，集流效率很低，作為農(nóng)村安全飲水集流面需采用混凝土等進(jìn)行硬化處理。為分析簡(jiǎn)便起見，本文分析時(shí)農(nóng)村青瓦屋面按100 m2進(jìn)行計(jì)算。

4.2 供水保證率

根據(jù)《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50596-2010)，用以滿足農(nóng)村生活飲水的雨水集蓄利用工程設(shè)計(jì)供水保證率取90%。

4.3 集流效率

根據(jù)《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50596-2010)，不同降水量地區(qū)不同集流面材料的集流效率各不相同。在降水量250～500 mm之間地區(qū)，土質(zhì)庭院、小青瓦、混凝土集流面集流效率分別在15%～30%、30%～40%和73%～80%之間；在降水量500 mm以上地區(qū)，土質(zhì)庭院、小青瓦、混凝土集流面集流效率分別在30%～40%、40%～50%和75%～85%之間。同時(shí)，依據(jù)有關(guān)試驗(yàn)研究資料，結(jié)合推廣應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，不同降水量地區(qū)不同材料集流面集流效率見表6。

4.4 集水量計(jì)算

集流面是雨水集蓄利用農(nóng)村安全飲水工程的“水源”，是確保安全供水的首要條件。但從農(nóng)戶現(xiàn)有集流面情況來看，依托小青瓦、庭院土質(zhì)集流面在水量上無法滿足安全供水的要求，必須新建高標(biāo)準(zhǔn)集流面，通過提高集流效率來增加集水量。采用長(zhǎng)系列法計(jì)算時(shí)，集流面集水量可按公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

表5 代表站不同頻率降水量及年內(nèi)分布情況表

表6 不同降水量地區(qū)不同材料集流效率表

(2)

式中：Wj為現(xiàn)有集流面集水量，m3；Pp為代表站降水量，mm；Sj為第j類集流面面積，m2；Ej為第j類集流面集流效率，%。

5 配套設(shè)施規(guī)模分析確定

5.1 滿足設(shè)計(jì)供水保證率的設(shè)施優(yōu)化組合

依據(jù)雨水集蓄利用工程長(zhǎng)系列計(jì)算方法[3]，按照前述確定的各供水方案需水量大小，依據(jù)《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》容積系數(shù)，初估集流面面積、蓄水設(shè)施容積，計(jì)算各計(jì)算時(shí)段的來水量和滿足安全飲水的需水量，實(shí)施長(zhǎng)系列操作，以蓄水設(shè)施初始蓄水量為0進(jìn)行各計(jì)算時(shí)段的水量調(diào)節(jié)計(jì)算，確定各計(jì)算時(shí)段內(nèi)的水量余缺值，累加計(jì)算各月末的累加儲(chǔ)存水量，當(dāng)累加儲(chǔ)存水量出現(xiàn)負(fù)值時(shí)即認(rèn)為該時(shí)段缺水，并依據(jù)缺水時(shí)段按月統(tǒng)計(jì)供水保證率，滿足設(shè)計(jì)供水保證率的組合即為優(yōu)化組合一；在此基礎(chǔ)上，依據(jù)集流面面積與蓄水設(shè)施容積初估值，在其左右給定組合值，重復(fù)前述過程，直至確定其他組合。經(jīng)計(jì)算，在設(shè)計(jì)供水保證率情況下，不同降水量地區(qū)雨水集蓄利用農(nóng)村安全飲水工程補(bǔ)充集流面面積、蓄水設(shè)施容積優(yōu)化匹配模式組合見表7。

5.2 設(shè)施最佳匹配模式

由于規(guī)模一定時(shí)，雨水集蓄利用工程運(yùn)行管理成本維持不變，這里僅按建設(shè)成本比較其經(jīng)濟(jì)性。因此，在前述計(jì)算的基礎(chǔ)上，按照混凝土集流面單位面積造價(jià)35元/m2、砂漿抹面水窖單方容積造價(jià)110元/m3計(jì)算，不同優(yōu)化匹配模式組合工程造價(jià)見表7。

表7 雨水集蓄利用農(nóng)村安全飲水工程設(shè)施優(yōu)化組合及造價(jià)情況表

注：集流面數(shù)據(jù)不包括青瓦屋面面積；帶*數(shù)據(jù)為設(shè)施最佳匹配模式組合。

6 結(jié) 語

由前述計(jì)算結(jié)果可以看出，在平均降水量250～500 mm地區(qū)，供水方案一、二、三對(duì)應(yīng)的混凝土集流面與蓄水設(shè)施最佳匹配模式分別為{235，40}、{275，45}和{325，45}；在平均降水量大于500 mm地區(qū)，混凝土集流面與蓄水設(shè)施最佳匹配模式分別為{213，50}、{267，55}和{320，60}。因此，雨水集蓄利用農(nóng)村安全飲水工程設(shè)施最佳匹配模式組合不僅可有效降低工程投資，而且還可顯著提高工程設(shè)施利用率，對(duì)促進(jìn)雨水集蓄利用技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)雨水集蓄利用的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)作用。

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[1] GB/T 50596-2010，雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 金彥兆. 設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水集蓄長(zhǎng)系列計(jì)算經(jīng)濟(jì)利用模式[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電，2014,(12)：69-71.

[3] 金彥兆. 雨水利用工程設(shè)計(jì)長(zhǎng)系列計(jì)算方法[J]. 人民黃河，2010,(12)：116-117.