市政給排水設(shè)計(jì)中輸水方式的選擇及管網(wǎng)分區(qū)分析

金朝

（中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038）

1 市政給排水輸水方式概述

1.1 市政給排水系統(tǒng)構(gòu)成

市政給水設(shè)施主要分為市政供水系統(tǒng)與市政排水系統(tǒng)2大類，其中市政供水系統(tǒng)包含了各類取水設(shè)備、制水凈水設(shè)備、輸水系統(tǒng)以及配套的加壓泵站等，在部分以水庫為飲用水水源的城市中還存在原水管將儲(chǔ)存于水庫的清潔水源輸送至自來水廠以便其進(jìn)行生產(chǎn)加工；市政排水系統(tǒng)則包括了雨水管網(wǎng)系統(tǒng)與污水管網(wǎng)系統(tǒng)2大部分，以及相配套的提升泵站及污水處理廠等設(shè)施[1]。

1.2 輸水系統(tǒng)分類

目前，市政輸水系統(tǒng)可根據(jù)其內(nèi)部水體的輸送動(dòng)力來源分為重力流、壓力流與混合流3種不同的方式。重力流通常是利用輸水管道及沿線用戶之間的地勢(shì)高差，從而使得管道內(nèi)的水體能夠在自身重力的作用下在管道內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)，其特點(diǎn)是輸水管道的起點(diǎn)和終點(diǎn)必須存在較大高度差，并且供水的起點(diǎn)高度必須高于終點(diǎn)。壓力流則是在管道系統(tǒng)不同區(qū)域內(nèi)設(shè)置加壓泵站，采用單程加壓或階梯式加壓的方式來提供管道內(nèi)水體的輸送動(dòng)力，其特點(diǎn)是受輸水區(qū)域的地形影響較小，單體管道的輸送能力強(qiáng)，甚至能夠通過“接力”的方式將水體輸送到遠(yuǎn)離水源地或地勢(shì)高于水源地的區(qū)域。混合流則是在同一區(qū)域內(nèi)采用了重力流與壓力流2種輸水方式。

2 市政給水系統(tǒng)輸水方式及管網(wǎng)分區(qū)的影響因素分析

通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析和歸納，本文將影響市政給水系統(tǒng)輸水方式選擇和管網(wǎng)分區(qū)布局的主要因素歸納為：供水需求、地形地貌、氣候條件、供水水源、工程造價(jià)及運(yùn)維成本等幾大類。供水需求是指輸水管網(wǎng)所服務(wù)的用水客戶在使用水資源時(shí)所體現(xiàn)的用水總量、集中用水時(shí)間等體征。地形地貌與氣候條件對(duì)于輸水方式和管網(wǎng)分區(qū)的影響性主要體現(xiàn)在管網(wǎng)建設(shè)的難度和運(yùn)行效率上，例如，地形平坦的區(qū)域在選擇重力流時(shí)勢(shì)必會(huì)采取加大管道埋深的方式來獲取更大的水動(dòng)力，但其也將增加管網(wǎng)建設(shè)中基坑開挖的難度和成本；北方地區(qū)如采取重力流時(shí)也會(huì)在冬季部分流速較慢或管徑較小的管道出現(xiàn)凍結(jié)。供水水源的影響性則直接體現(xiàn)在其輸水方式上，不同位置的水源地將采取不同的輸水方式。工程造價(jià)及運(yùn)維成本則主要影響管網(wǎng)覆蓋程度和供水保障等指標(biāo)[2]。

3 管網(wǎng)分區(qū)與輸水方式優(yōu)化策略

3.1 充分利用輸水區(qū)域內(nèi)有利條件

不同的輸水方式對(duì)地形地貌、氣候條件、供水能力等影響因素都有著適應(yīng)性與局限性。因此，充分發(fā)揮上述不同輸水方式的優(yōu)點(diǎn)，在保證區(qū)域供水需求的前提下將整個(gè)供水體系的建設(shè)及運(yùn)維費(fèi)用降至最低。

考慮我國(guó)北方地區(qū)在冬季的室外溫度較低，為了避免冬季流速較慢的管道內(nèi)水體出現(xiàn)凍結(jié)，應(yīng)當(dāng)采取盡量采取動(dòng)力流的方式進(jìn)行輸水，如在寒冷區(qū)域內(nèi)地形坡度較大從而能夠保證管道內(nèi)始終能夠保持流速，以免水體出現(xiàn)凍結(jié)，可采用加大供水管道管徑、在管道外壁敷設(shè)保溫材料及加大管道埋深等方式來進(jìn)一步減輕冬季低溫對(duì)管道的不利影響。同時(shí)，在部分采用集中供熱的區(qū)域內(nèi)亦可將重力流輸水管道與市政供熱管道并排鋪設(shè)，從而利用供熱管道所散發(fā)的熱量來起到防止冰凍的作用。

在我國(guó)南方地區(qū)往往采用水庫作為城市的飲用水水源地，其不但能夠保證水源的清潔度，而且新建水庫也能夠在降雨季節(jié)內(nèi)儲(chǔ)存大量的降水以補(bǔ)充水源，但是水庫往往建設(shè)在遠(yuǎn)離城市的山區(qū)，而自來水廠則位于靠近城市的近郊，為了保證充足的水源供給不得不鋪設(shè)大量的原水管道和供水管道及其配套的泵站設(shè)施。由于自來水廠的凈水工藝在近年來得到了質(zhì)的飛躍，其凈水設(shè)備的體積大為縮小這便使得自來水廠可建設(shè)較為靠近水庫的海拔高度較高的山區(qū)，水庫內(nèi)的水源可直接連入自來水廠而自來水廠所生產(chǎn)的自來水也可依靠較高的海拔向地勢(shì)較低的區(qū)域進(jìn)行供水，從而充分發(fā)揮水源與用水戶之間的水頭差，大大減少了相關(guān)管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用。

3.2 因地制宜確保輸水管網(wǎng)水源供給

建立市政輸水管網(wǎng)的最終目的便是確保所有的用戶能夠得到充足的水量供給，為了實(shí)現(xiàn)這一目的除了依靠合理的管網(wǎng)布局外還受制于充足的水源供給。目前，我國(guó)市政供水的水源主要依靠自然水體或人工建造的水庫，而絕大多數(shù)城市均以自然水體作為城市供水水源，由此可見河道、湖泊等自然水體的位置也影響了城市輸水管網(wǎng)的布局。自然界中的河道往往位于地勢(shì)降低的區(qū)域，即便是我國(guó)國(guó)內(nèi)幾大地形變化極其輕微的平原區(qū)域內(nèi)中，其內(nèi)部的自然河道的標(biāo)高也略低于平原的平均地坪標(biāo)高，許多城市自來水廠都依河而建；而在山區(qū)或丘陵地區(qū)的自然河道更是處于該區(qū)域地勢(shì)最低處，鑒于上述2種情況在以自然水體作水源的可采用不同形式管網(wǎng)配置模式[3]。

在部分山區(qū)或丘陵地區(qū)，如該城市的自來水廠建設(shè)在流經(jīng)城市河道的上游地區(qū)則其供水口的地坪標(biāo)高往往高于城市企業(yè)區(qū)域，在考慮到大口徑管網(wǎng)建設(shè)時(shí)所產(chǎn)生的土方或石方施工造價(jià)的平衡后，建議采用重力流方式進(jìn)行供水。在部分重力流施工造價(jià)過高或供水口水頭差不足以為整座城市管網(wǎng)體系提供足夠的動(dòng)力時(shí)，可在局部遠(yuǎn)離供水點(diǎn)或水頭差過小的區(qū)域設(shè)置區(qū)塊提升泵站以強(qiáng)化區(qū)塊供水能力。

在平原地區(qū)由于受到地形條件的限制多城市中多采用動(dòng)力流或混合流的形式進(jìn)行供水，為了提高動(dòng)力流輸水管網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效率，可采用分區(qū)供水和分區(qū)配壓的形式來降低管網(wǎng)建設(shè)成本以及后期運(yùn)行維護(hù)成本。例如，可根據(jù)供水區(qū)域的地形地勢(shì)上的差異將其認(rèn)為的劃分為數(shù)個(gè)區(qū)域，先期在城市供水區(qū)域內(nèi)建設(shè)環(huán)狀或輻射狀的供水主干網(wǎng)絡(luò)體系，考慮到城市不同區(qū)域內(nèi)存在一定的地勢(shì)高差，可在建設(shè)環(huán)網(wǎng)或輻射干網(wǎng)時(shí)設(shè)置階梯式接力泵站來保證所有干管內(nèi)始終保持一定的壓力。在完成干管建設(shè)后便可在每個(gè)區(qū)中設(shè)置相對(duì)獨(dú)立的調(diào)壓站，或是直接利用干管內(nèi)水體的壓力進(jìn)行供水，或是另外建設(shè)加壓泵來進(jìn)一步提升支管內(nèi)的水體壓強(qiáng)。管網(wǎng)泵站如圖1所示。

圖1 管網(wǎng)泵站圖

3.3 結(jié)合區(qū)域用水需求配置管網(wǎng)布局

由于城市中不同區(qū)域內(nèi)建設(shè)開發(fā)程度往往會(huì)出現(xiàn)較大的差異性，同時(shí)不同區(qū)域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)于用水量的需求存在一定的差別，為此在輸水管網(wǎng)布局時(shí)還應(yīng)結(jié)合城市區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行調(diào)整。從城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，傳統(tǒng)制造業(yè)對(duì)于水資源的需求量大于餐飲、商務(wù)辦公、科技研發(fā)等產(chǎn)業(yè)，因此，管網(wǎng)系統(tǒng)布局時(shí)可結(jié)合城市產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃中所明確的產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)類別等指標(biāo)進(jìn)行估算，從而滿足整個(gè)園區(qū)今后的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

居民的日常生活用水也是城市輸水管網(wǎng)的主要服務(wù)對(duì)象之一。而居民生活用水往往呈現(xiàn)出較為固定的時(shí)間特征，即用水高峰往往出現(xiàn)在每日的6點(diǎn)至8點(diǎn)、11點(diǎn)至12點(diǎn)、16點(diǎn)至21點(diǎn)等居民就餐、洗漱的高峰時(shí)期，而一旦度過的上述幾個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)居住區(qū)內(nèi)管網(wǎng)的供水需求將會(huì)出現(xiàn)斷崖式的下降。因此，為了充分挖掘居住區(qū)管網(wǎng)在其他非用水高峰時(shí)間的供水能力，可將其與部分商務(wù)辦公、科技研發(fā)等低耗水量的供水區(qū)域管網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)通，從而起到節(jié)約建設(shè)資源的效果。管網(wǎng)分區(qū)示意圖如圖2所示。

4 結(jié)語

鑒于市政給水管網(wǎng)的輸水方式和管網(wǎng)分區(qū)布局影響到整個(gè)城市的建設(shè)發(fā)展和居民的安居樂業(yè)，在決定上述2項(xiàng)供水管網(wǎng)體系重要指標(biāo)時(shí)必須做到因地制宜、“一城一策”，并充分結(jié)合城市產(chǎn)業(yè)和居住區(qū)布局規(guī)劃，以確保所構(gòu)建的管網(wǎng)體系能夠?yàn)槌鞘薪窈蟮陌l(fā)展起到“保駕護(hù)航”的作用。

圖2 管網(wǎng)分區(qū)示意圖