农村饮水安全工程中水窖容积及集流场面积的水量供需平衡设计分析

吕旭红，刘文娟

（1.甘肃省定西市水利科学研究所，甘肃定西743000；2.甘肃省定西市水利水电勘测设计研究院，甘肃定西743000）

水窖作为一种集雨工程，具有因地制宜、产权明晰、便于管理、环境卫生、经久耐用、维修简单、投资少、见效快、老百姓容易接受等优点，可解决山高坡陡、居住分散的缺水山区农业生产和生活用水问题[1]。以甘肃省定西市漳县某乡镇的农村饮水安全工程水窖设计为例，从设计参数的选取、集流面面积的设计、水窖容积的确定等方面进行说明。

1 项目区概况

漳县位于定西市南部，地处西秦岭和黄土高原过渡地带，东西长72 km，南北宽57 km，海拔1 640～3 941 m，总面积2 164.4 km2。光照充足，雨热同季，降水四季分配不均，降水变率大，风速小，气候温凉、湿润，气象灾害繁多。年平均气温7.8℃，年平均降水量433.5 mm，年平均相对湿度67%，年平均日照时数2 295.4 h，年平均风速1.7 m/s，最多风向SE，年雷暴日数23.6 d。项目区内可利用水资源匮乏，河流多为明流，地面沟谷较为发育，不管是地表水还是地下水均受地形因素限制（人高水低）；地下水仅存在岩溶裂隙水，水位较浅且水量小，沟谷由高向低而流补给河水。

2 设计方案

该项目区内周边数公里无一可利用水源能满足规模化供水引水标准，由于区域内水文因素及地理位置情况，经过分析论证确定修建水窖来解决本项目区居民的生活用水问题。工程总体布置：集流场（主要为C20混凝土庭院集流面、瓦屋顶集流面）—汇流管—滤沉池（粗滤池、慢滤池）—水窖（蓄水池）—二氧化氯消毒—居民使用。设计时考虑“一户一窖”运行管理制。

3 设计参数

3.1 居民日生活用水量（W1）

每户居民平均日生活用水量根据下式计算：

式中，W1为居民生活用水量，单位m3/d；P为用水居民人数（人），经调查项目区平均每户4.5人；q为居民平均日生活用水定额，项目区地处西秦岭和黄土高原过渡地带，属半湿润地区，依据《村镇供水工程技术规范》（SL310-2004），平均日生活用水定额按30 L/（人·d）计算。

3.2 漏失水量（W2）

漏失水量按农村生活用水量的10%计算。

3.3 居民日生活需水量（Wd）

每户居民日生活需水量为日生活用水量与漏失水量之和，即Wd=W1+W2。

3.4 居民年生活需水量（Wa）

每户居民全年需水量为Wa=Wd×365。

各用水量计算如表1所示。

表1 用水量计算

4 工程设计

4.1 集流场设计

集流面工程的材料选择应遵循“因地制宜、就地取材、提高集流效率、降低工程造价”的原则，解决人畜饮水及发展庭院经济灌溉的集流面工程。当现有屋面为瓦屋面时，可尽量加以利用，当现有屋面为草泥时，宜改建为瓦屋面，并优先采用水泥瓦，不足部分在庭院内建设混凝土集流面作为补充。根据《村镇供水工程技术规范》（SL310-2004）规定，集流面的集流能力应与蓄水构筑物有效容积相配套。集流面水平投影面积计算公式如下：

式中，F为集流面水平投影面积，m2；W为设计供水规模；K1为面积利用系数，人工集流面可取1.05～1.1；P为保证率为90%的年降雨量；φ为年集雨效率，砼集流场取85%。计算结果如表2所示。

表2 集流面水平投影面积

经计算，确定户均所需砼集流面积为135.26 m2。据调查，项目区居民户均现有烧瓦屋面积约110 m2（集流系数取55%）。经换算，110 m2烧瓦屋面按其集雨效率相当于约60.5 m2砼集流面，则项目区居民每户需再建75.5 m2砼集流面，设计确定取80 m2。

集流面设计：项目区居民对自家庭院进行硬化，尺寸为10 m×8 m，厚度δ=6 cm，采用C15砼现浇，砼洒水养护7 d以上。集流面采用横向坡度1/15～1/50，纵向坡度1/50～1/100，地基翻夯处理厚度δ=30 cm，夯实干容重不小于1.5 g/cm3，分块尺寸2.0 m×2.0 m，块与块之间缝宽1～1.5 cm，张缝间采用聚氯乙烯胶泥伸缩缝。集流面应避开畜禽圈、粪坑、垃圾堆、柴草垛、油污、农药、肥料等污染源，集流面上不应有粪便、垃圾、柴跺、肥料、农药瓶、油桶和有油渍的机械等污染物。详见图1。

4.2 水窖容积的确定

项目区年平均降水量500 mm，来水量按砼集流面积80 m2（集流系数取0.85，通过表3选取确定）计算，砼集流面集水量=80×0.85×0.5=34 m3；烧瓦屋面积110 m2（集流系数取0.55），烧瓦屋面集水量＝110×0.55×0.5＝30.25 m3。则 总 集 水 量＝34+30.25＝64.25＞54.75 m3/a。集雨水窖年循环利用次数按2次来规划，则水窖蓄水容积为54.75 m3/a÷2≈27.38 m3，确定每户建一眼容积为30 m3的集雨水窖，项目区居民根据具体降水情况循环利用，可保证水量的供需平衡。

表3 不同类型集流面在不同降雨地区的年集雨效率

4.3 集雨水窖设计

窖池按构造形状分为圆柱形、球形、窑形等，防渗材料分为红粘土防渗、水泥砂浆防渗。本设计窖池采用圆柱形，底部采用球形反拱，既可增强受力又可增强稳定性；防渗材料选用C20混凝土。设计蓄水容积V=30 m3，水窖内径D=3.0 m，水窖深度H=4.3 m，深径比B=H/D=1.43，壁厚B=10 cm，窖底拱形基础采用原土翻夯50 cm后，压实系数不小于0.95，其上夯填10%水泥土30cm，现浇C20砼反拱底板厚20 cm，然后在砼底板上部夯填红粘土抹平，用于改善水质。拱形窖顶亦采用现浇C20砼拱顶板厚10 cm，其顶部留一孔径50 cm、高60 cm、壁厚6 cm的窖口，顶部设10 cm厚铅丝网预制板窖盖。详见图2。

5 结语

在脱贫攻坚“安全饮水清零行动”下，全省上下千方百计采取各种措施，因地制宜解决群众吃水问题，农村饮水安全取得了明显成效，但仍存在很多问题，保障每户农村居民喝上安全水依然问题不少；尤其人高水低、山高坡陡、居住分散的缺水山区农业生产和生活用水问题依然突出，提水泵站管理难、运行成本高、维护难度大。水窖作为一种集雨工程，具有因地制宜、产权明晰、便于管理、环境卫生、经久耐用、维修简单、投资少、见效快、老百姓容易接受等优点，可以解决饮水困难。

结合项目区居民人口状况及居民现状瓦房投影面折算集流面情况分析计算了降雨量、集流面面积、水窖容积以及需水量四者之间有机统一的平衡关系，对同类工程设计及施工具有一定的借鉴价值。