市政給排水設計中輸水方式及管網(wǎng)分區(qū)研究

■陳 覃 ■廣東省建筑設計研究院市政二所，廣東 廣州 510000

在一座城市的市政系統(tǒng)中，給排水管網(wǎng)是至關(guān)重要的一部分，也涉及到很大的投資，這就對給排水設計者提出了較高的要求。城市的給排水管網(wǎng)設計的目標，是能夠?qū)⑺Y源以較高的效率和較少的消耗送到居民住戶處，同時能夠保證水源的衛(wèi)生質(zhì)量以及水管線中的壓力等指標合格。隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，城市的給水管網(wǎng)面積越來越大，對于管網(wǎng)的設計也提出了一些新的要求，只有秉承節(jié)約的原則，發(fā)掘出管網(wǎng)的節(jié)能潛力，才能真正設計出兼具經(jīng)濟型和服務性的給排水系統(tǒng)。本文通過闡述市政給排水設計中輸水方式及管網(wǎng)分區(qū)，為當前的給排水設計者提供必要的參考和借鑒，具有比較好的理論價值和實踐意義。

1 市政給排水輸水模式的設計

1.1 輸水方式類別

通常，市政輸水的模式并非只有一種，結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，在輸水方式的選擇上，通常選擇的是幾種模式一同使用。最常見的輸水方式包括三大類別，一是重力輸水、二是壓力輸水、三是前兩者結(jié)合的重壓輸水。下面簡述幾種模式的概念及原理。

重力輸水是依賴于地球?qū)τ谒闹亓Χ鴮е碌乃鳎绻此诘睾退Y源用戶之間存在著高度差，則重力輸水方式就十分適用，因此在輸水模式的設計中，應該根據(jù)當?shù)氐膶嶋H地理情況來確定是否選擇重力輸水模式。如果給排水管網(wǎng)的所在地較為平緩，重力難以與管網(wǎng)對水源的滯留相抵消，或者水源所在地比用戶所在地還要低時，建議設計為壓力輸水方式，這種情況之下，為了保證水資源能夠順利抵達用戶處，應該結(jié)合實際情況在中途增設一些加壓泵。在設計方案的確定中，應該通過對于各類數(shù)據(jù)的嚴格計算，來確定輸水管的類型和參數(shù)，并且結(jié)合當?shù)氐牡匦胃卟睿C合考慮管網(wǎng)本身對于壓力的承受等各因素。而假如當?shù)氐牡匦问侄鄻踊瑒t可以在設計時靈活運用重力與壓力，采用二者相互結(jié)合的方式。

1.2 輸水方式的選擇

為了適應市政管網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的需要，輸水方式的選擇是給排水設計方案中的核心，選擇哪種方式的關(guān)鍵在于當?shù)氐牡刭|(zhì)條件以及水源所在地的現(xiàn)狀，筆者推薦一個計算公式:

Hp=Z1-Z2+h，

公式中，Hp的含義是水源泵站的揚程最大值，Z1的含義是水源的水位值，Z2則表示水廠的水位，h 代表輸水過程中的水頭損失值。在設計具體的輸水方式時，以上幾個參數(shù)均應已經(jīng)確定。假若采取了重力流輸水模式，則通常是在一些山區(qū)城市中，為了使重力因素能夠充分發(fā)揮作用，應盡量使輸水的路線足夠短，使水源和用戶之間的高差足夠大，對于輸水管徑的設計，則應使之能夠適應可能出現(xiàn)的輸水量最大值。假若重力輸水管線途徑高差過大的區(qū)域，應在合適的地點位置配置減壓閥;假若采取了壓力輸水的模式，則應綜合分析其技術(shù)性與經(jīng)濟型，為壓力輸水管進行分級，并在合適的位置配置泵站，結(jié)合具體情況設置泵站的位置和等級。

2 市政給排水分區(qū)模式的設計

給水管網(wǎng)的分區(qū)也是直接關(guān)系著市政給排水系統(tǒng)服務性能的一個問題。在具體的設計過程中應該考慮的重要因素包括。

2.1 設計合理的階層數(shù)

具體設計中，應將第一階層分區(qū)系統(tǒng)的功能定位在怎樣使管網(wǎng)的分布更加合理化，而第二階層和第三階層的分區(qū)則應聚焦在空壓、減漏、改壓等目的上。當前，在我國額絕大部分地區(qū)，給排水系統(tǒng)均使用了基于兩階層的管網(wǎng)系統(tǒng)，而階層系統(tǒng)的分類往往取決于管網(wǎng)的實際規(guī)模以及建設成本等多個因素。在具體設計的時候應綜合考慮當?shù)氐木唧w情況，也可以將其設計為不同的建設階段，分布實施。

2.2 區(qū)域規(guī)模的劃定

如果管網(wǎng)的設計已經(jīng)能夠保證滿足用戶對于水壓的要求，則應重點考慮的問題還包括管網(wǎng)水壓的均衡問題，從而盡可能降低供水事故的發(fā)生，將漏失量保持在最低的限度，達到節(jié)能的目標，這就需要在設計中應盡量采用低壓供水的措施。通常在供水區(qū)域之內(nèi)，其水壓的值是能夠有效控制的，重點在于怎樣在管網(wǎng)的設計中確定具體的區(qū)域規(guī)模。筆者結(jié)合自己的設計經(jīng)驗，建議在此階段首先應考慮該區(qū)域地形標高差，其次應考慮水頭損失，在此基礎上兼顧人口密度、進水點位置等諸多因素。在具體區(qū)域規(guī)模的劃定方面，也應充分顧及到工程的實際投資。分區(qū)之后則應重點計算管道流量，充分考慮到可能發(fā)生的漏失量。

2.3 位置和區(qū)域邊界

管網(wǎng)設計的關(guān)鍵之處還包括進水點數(shù)、水壓和流量等，處于安全可靠性的考慮，筆者的建議是進水點的數(shù)目應在滿足需求的前提下降低在最低限度。一般來講，能夠把管網(wǎng)進水管的水壓控制點設置為單點進水是一種最為經(jīng)濟安全的模式，假若設計區(qū)域?qū)儆谑鹿识喟l(fā)區(qū)，則選取多點進水能夠保證用水安全，因此本文建議，如果區(qū)域范圍不大，可以將進水點數(shù)目設計為兩個，從而能夠兼顧突發(fā)事故和用水量之間的平衡。對于管網(wǎng)區(qū)域邊界的確定，應該綜合考慮多個因素，例如管網(wǎng)所在地的具體地形、地理高度的差異、水源點的供水參數(shù)等。在對以上因素進行分析之后，確定具體的管網(wǎng)區(qū)域邊界。

2.4 區(qū)域方案優(yōu)化

當設計者作出對于市政管網(wǎng)的分區(qū)方案，應該組織相關(guān)的人員對該方案的合理性進行充分的論證，論證應該遵循科學的原則，通過必要的模擬仿真，對方案的完善性進行評估，對送水管道的方案進行優(yōu)化，對管道的閘斷、設施等方案進行逐條分析，使方案得到優(yōu)化。市政管網(wǎng)規(guī)劃設計的優(yōu)化計算方法目前逐漸成熟起來，傳統(tǒng)的閉環(huán)自動算法主要是針對管網(wǎng)設計的典型的過程進行建模，而隨著市政管網(wǎng)的發(fā)展，有不少管網(wǎng)系統(tǒng)逐步趨向于非線性特征，有一些大型城市的管網(wǎng)呈現(xiàn)出完全的非線性，對這些過程進行數(shù)學建模難度較大，甚至無法建模。在這種情況下，傳統(tǒng)的閉環(huán)自動控制技術(shù)是難以進行精確仿真的。本文推薦目前應用較為廣泛的遺傳算法優(yōu)化，由于基于遺傳算法的管網(wǎng)仿真系統(tǒng)可以不需要數(shù)學模型的建立步驟，因此比較適合對一些復雜度較大的市政給排水管網(wǎng)進行分析和優(yōu)化。遺傳算法的這個優(yōu)勢使其越來越廣泛地應用于很多市政管線項目的優(yōu)化中，并且逐漸發(fā)展成為一門相對獨立的學科。把遺傳算法用于市政設計等大型工程的優(yōu)化，并且取得了較為滿意的效果，模糊控制理論的潛力被激發(fā)出來。到了本世紀，日本的一些遺傳算法研究者提出了以模糊技術(shù)特有的不確定性來解決市政管網(wǎng)難以進行數(shù)學建模的問題，從而使遺傳算法的發(fā)展進入了一個新階段，同時也產(chǎn)生了不少有價值的應用實踐成果。

2.5 關(guān)鍵問題分析

在設計中，首先應對管位進行合理的安排。應該站在市政管網(wǎng)的高度對給排水管網(wǎng)進行安排。這也是實現(xiàn)工程設計質(zhì)量目標與成本目標的關(guān)鍵之處。通常在一座城市的市政管線中，各類管網(wǎng)的位置是早已規(guī)劃好的，因此基本上相對是固定的。結(jié)合筆者的設計實踐，在低于45m 的道路上，沒有必要分兩側(cè)進行管線的布設，這樣能夠使給排水管線的數(shù)量盡可能少，還可以避免由于預留管減少而導致的主管投資增加的情況。可知在管網(wǎng)設計時應重點考慮管位的合理性。其次還應對管線標高進行重點考慮，這與給排水工程的成本密切相關(guān)。給排水管線進入市區(qū)，往往會橫穿道路以及布設支線，只有對管線標高進行合理的計算，才能避免對于另外的管線的影響。第三，應將同類管線布設在專門的管溝內(nèi)，這樣能夠提升對管溝應用的經(jīng)濟型。這種設計模式十分適合于城市中交通繁忙、不適宜經(jīng)常開挖的路段。在對綜合管溝進行設計時還應注意，這種管溝往往涉及到較大的投資，所以必須在設計中能夠充分協(xié)調(diào)各類管線的規(guī)劃。第四應合理設計管線的管徑，這關(guān)系到未來施工的成本，因此在設計過程中應該結(jié)合實際情況進行計算，確定最為合理的管徑，從而使管網(wǎng)在滿足用戶需求的前提下能夠具有足夠的經(jīng)濟性。

3 結(jié)束語

市政管網(wǎng)是衡量城市建設發(fā)展水平的一個重要方面。對于市政給排水的設計，應該綜合考慮技術(shù)因素和經(jīng)濟因素，并且盡量使二者能夠較好地融合起來，結(jié)合當?shù)氐膶嶋H最終確定優(yōu)化的設計方案。如果管網(wǎng)所在地點屬于地理條件不錯的區(qū)域，則在輸水方案的選擇上應首選重力輸水的模式，并且兼顧輸水模式的技術(shù)性指標與經(jīng)濟性指標。在給排水管網(wǎng)分區(qū)的規(guī)劃和設計中，一方面應該結(jié)合科學的模型對管網(wǎng)的費用和性能指標進行估算，另一方面則應充分考慮不同方案之間的技術(shù)性能對比和成本對比，結(jié)合本地區(qū)在市政方面的具體投資來確定最終的設計方案。

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