市政給排水設計中輸水方式及管網分區研究

■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中，給排水管網是至關重要的一部分，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。城市的給排水管網設計的目標，是能夠將水資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生質量以及水管線中的壓力等指標合格。隨著我國城鎮化進程的加快，城市的給水管網面積越來越大，對于管網的設計也提出了一些新的要求，只有秉承節約的原則，發掘出管網的節能潛力，才能真正設計出兼具經濟型和服務性的給排水系統。本文通過闡述市政給排水設計中輸水方式及管網分區，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，結合當地的實際情況，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對于水的重力而導致的水流，如果水源所在地和水資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，應該根據當地的實際地理情況來確定是否選擇重力輸水模式。如果給排水管網的所在地較為平緩，重力難以與管網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據的嚴格計算，來確定輸水管的類型和參數，并且結合當地的地形高差，綜合考慮管網本身對于壓力的承受等各因素。而假如當地的地形十分多樣化，則可以在設計時靈活運用重力與壓力，采用二者相互結合的方式。

1.2 輸水方式的選擇

為了適應市政管網優化規劃的需要，輸水方式的選擇是給排水設計方案中的核心，選擇哪種方式的關鍵在于當地的地質條件以及水源所在地的現狀，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，以上幾個參數均應已經確定。假若采取了重力流輸水模式，則通常是在一些山區城市中，為了使重力因素能夠充分發揮作用，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的輸水量最大值。假若重力輸水管線途徑高差過大的區域，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性與經濟型，為壓力輸水管進行分級，并在合適的位置配置泵站，結合具體情況設置泵站的位置和等級。

2 市政給排水分區模式的設計

給水管網的分區也是直接關系著市政給排水系統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

具體設計中，應將第一階層分區系統的功能定位在怎樣使管網的分布更加合理化，而第二階層和第三階層的分區則應聚焦在空壓、減漏、改壓等目的上。當前，在我國額絕大部分地區，給排水系統均使用了基于兩階層的管網系統，而階層系統的分類往往取決于管網的實際規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地的具體情況，也可以將其設計為不同的建設階段，分布實施。

2.2 區域規模的劃定

如果管網的設計已經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水壓的均衡問題，從而盡可能降低供水事故的發生，將漏失量保持在最低的限度，達到節能的目標，這就需要在設計中應盡量采用低壓供水的措施。通常在供水區域之內，其水壓的值是能夠有效控制的，重點在于怎樣在管網的設計中確定具體的區域規模。筆者結合自己的設計經驗，建議在此階段首先應考慮該區域地形標高差，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。在具體區域規模的劃定方面，也應充分顧及到工程的實際投資。分區之后則應重點計算管道流量，充分考慮到可能發生的漏失量。

2.3 位置和區域邊界

管網設計的關鍵之處還包括進水點數、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，能夠把管網進水管的水壓控制點設置為單點進水是一種最為經濟安全的模式，假若設計區域屬于事故多發區，則選取多點進水能夠保證用水安全，因此本文建議，如果區域范圍不大，可以將進水點數目設計為兩個，從而能夠兼顧突發事故和用水量之間的平衡。對于管網區域邊界的確定，應該綜合考慮多個因素，例如管網所在地的具體地形、地理高度的差異、水源點的供水參數等。在對以上因素進行分析之后，確定具體的管網區域邊界。

2.4 區域方案優化

當設計者作出對于市政管網的分區方案，應該組織相關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化，對管道的閘斷、設施等方案進行逐條分析，使方案得到優化。市政管網規劃設計的優化計算方法目前逐漸成熟起來，傳統的閉環自動算法主要是針對管網設計的典型的過程進行建模，而隨著市政管網的發展，有不少管網系統逐步趨向于非線性特征，有一些大型城市的管網呈現出完全的非線性，對這些過程進行數學建模難度較大，甚至無法建模。在這種情況下，傳統的閉環自動控制技術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化，由于基于遺傳算法的管網仿真系統可以不需要數學模型的建立步驟，因此比較適合對一些復雜度較大的市政給排水管網進行分析和優化。遺傳算法的這個優勢使其越來越廣泛地應用于很多市政管線項目的優化中，并且逐漸發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特有的不確定性來解決市政管網難以進行數學建模的問題，從而使遺傳算法的發展進入了一個新階段，同時也產生了不少有價值的應用實踐成果。

2.5 關鍵問題分析

在設計中，首先應對管位進行合理的安排。應該站在市政管網的高度對給排水管網進行安排。這也是實現工程設計質量目標與成本目標的關鍵之處。通常在一座城市的市政管線中，各類管網的位置是早已規劃好的，因此基本上相對是固定的。結合筆者的設計實踐，在低于45m 的道路上，沒有必要分兩側進行管線的布設，這樣能夠使給排水管線的數量盡可能少，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。給排水管線進入市區，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，這樣能夠提升對管溝應用的經濟型。這種設計模式十分適合于城市中交通繁忙、不適宜經常開挖的路段。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調各類管線的規劃。第四應合理設計管線的管徑，這關系到未來施工的成本，因此在設計過程中應該結合實際情況進行計算，確定最為合理的管徑，從而使管網在滿足用戶需求的前提下能夠具有足夠的經濟性。

3 結束語

市政管網是衡量城市建設發展水平的一個重要方面。對于市政給排水的設計，應該綜合考慮技術因素和經濟因素，并且盡量使二者能夠較好地融合起來，結合當地的實際最終確定優化的設計方案。如果管網所在地點屬于地理條件不錯的區域，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性指標與經濟性指標。在給排水管網分區的規劃和設計中，一方面應該結合科學的模型對管網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性能對比和成本對比，結合本地區在市政方面的具體投資來確定最終的設計方案。

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