市政給排水輸水方式及管網分區研究

王彥偉

（泰安市自來水有限公司，山東泰安 271000）

1 引言

隨著城市化進程的加快，城市規模不斷擴大，市政給排水項目逐漸增多，但基于城市原有給排水管道及實際輸水需求的影響，不同市政給排水項目的輸水方式不同、管網分區也存在較大差異。當前，國內外針對市政給排水的設計研究已進入白熱化階段，各種先進技術得以應用，理論研究不斷深入，為工程項目的實施提供了極大支持。本文結合實際市政給排水項目，探討市政給排水輸水方式選擇方法及管網分區設計要點，能為相關理論研究提供實踐經驗，同時也可為類似工程項目提供實施策略，對于市政給排水工程建設發展具有積極意義。

2 市政給排水輸水方式的選擇

2.1 輸水方式的選擇

市政給排水系統主要包括取水、供水、排水及凈水系統，詳細結構如圖1 所示。在實際設計過程中，由于不同城市區域的實際情況不同，其輸水方式不同[1]。常見的輸水方式包括以下3 種。

圖1 市政給排水系統結構示意圖

1）壓力流輸水。這種輸水方式主要針對水源水位地域水廠水池水位的情況，通過外力進行加壓輸水，借助水泵確保水源順利進入水廠。在輸水方式應用過程中，需綜合考慮現場地形地勢、水文地質及管線長度等影響因素，以確保該輸水方案順利實施，管道能承受相應的輸水壓力。

2）重力輸水。借助水源自身重力勢能，達到輸水目的，適用于水源水位高于水廠水池的情況，且要求二者高度差滿足實際輸水要求，避免受水頭損失的影響。除此之外，重力輸水方式受地形地勢影響明顯，為保障輸水順利，需加強現場實際情況分析。

3）結合輸水。將壓力輸水和重力輸水兩種方式結合使用，基于現場實際情況靈活轉化輸水方式。其優勢在于能最大限度地利用自然資源和能量，減少資源消耗，更好地保障輸水順利完成。

2.2 輸水方式計算

在輸水方式選擇過程中，影響因素較多，為保障市政給排水工程順利實施，需結合實際情況展開計算，確保相應輸水方式選擇的合理性及可行性。在實際輸水過程中，需著重考慮水源位置、供水距離及流量要求3 個因素，通過計算分析，確保市政給排水系統順利輸水。

1）當水源水位低于水廠水位時，無法展開重力輸水，因此，需要運用加壓水泵。對此，需確保加壓水泵滿足輸水要求，應先確定水泵揚程。水泵揚程計算公式為：

式中，H 為水泵揚程；Z1為水源水位高度；Z2為水廠水池水位高度；h 為輸水過程中的水頭損失。

根據式（1），實現對于水泵揚程的準確計算，以確保水泵選擇的合理性以及科學性。

2）對于水源水位高于水廠水位的情況，應優先選用重力輸水方式，以減少能源消耗。但在實際工程設計過程中，為確保重力輸水方案的可行性，需對當地輸水管水力坡度及地形坡度等進行分析，確保其滿足重力輸水需要。輸水管水力坡度及平均地形坡度滿足如下關系：

式中，j 為重力輸水管水力坡度；J 為平均地形坡度；I 為輸水距離。

值得注意的是，在重力輸水建設過程中，為滿足水力坡度要求，通常會增加管徑及管線長度，導致建設成本過高，因此，在進行重力輸水設計過程中，還需加強對建設成本的考量。若重力輸水管道的建設費用超過壓力輸水管道、泵站建設及加壓輸水運行管理費用之和，則需采用加壓輸水方式，以節約建設成本。

綜上，在采用重力輸水方式過程中，不僅要考慮水源水位和水廠水位之間的高度差，還需合理選擇輸水管徑，確保其在滿足大流量輸水需求的同時，避免水力坡度超過地形坡度，同時還應合理控制工程造價。因此，山區地形的城市在給排水工程建設過程中，通常借助地形優勢，選擇重力輸水方式，以縮短輸水管線長度，并借助跌水井等裝置進行市政輸水[2]。

以某城市南部市政給排水工程為例，整體給排水工程為南北走向，設計流量為2.01 m3/s。根據案例工程實際情況，采用重力輸水與壓力流輸水相結合的綜合輸水方式。案例工程輸水線路全長38.75 km，根據當地地勢特點，在節能降耗基本原則的指導下，將施工區域劃分為5 個輸水階段，其中前4 段均采用重力輸水模式，重力流系統管線縱斷圖如圖2 所示，后1 段由于地勢差不滿足重力輸水要求，因此，采用壓力輸水方式，結合實際供水需求，確定加壓泵站技術參數，詳細情況如表1 所示。

表1 案例工程加壓泵站技術參數詳細情況

圖2 重力流系統管線縱斷圖

3 市政給排水管網分區要點

3.1 分析市政管網系統階層

在進行市政給排水管網分區設計過程中，需結合現場實際情況及城市發展需求，明確管網系統對應的階層數，在此基礎上展開管網分區規劃，以確保管網設計的科學性及合理性。應根據管網系統實際功能需求確定第一階層管網系統，并根據管網空壓、改壓及減漏需求，進行管網疊層系統設計，以確保管網設計符合城市給排水發展需求。

3.2 設計管網邊界及進水點

根據實際市政給排水需求，確定管網邊界，合理設置進水點的具體位置和數量，充分考量當地實際情況及相關影響因素，展開進水點設計。在確定管網邊界及進水點時，需充分結合當地情況，確保管網設計規劃符合當地用水需求、特點，以及城市未來發展方向，保證管網設計的前瞻性及可擴展性。在進水點設計過程中，需重視以下方面。

1）合理確定進水點數量，在保障城市供水穩定可靠的基礎上，盡量減少供水點設置，以達到降低工程成本的目的。

2）為節約工程成本，部分區域可采用單點供水方式，進行系統設計。

3）為保障供水穩定性，事故多發地段應結合實際地形情況，適當增設進水點，保障供水安全、可靠。

3.3 合理選擇節能設施設備

市政給排水工程運行時需消耗大量電能，根據相關統計結果顯示，我國城市總耗電量處于持續增長狀態，詳細情況如表2 所示，其中給排水系統能耗占比相對較高，因此，節能設施設備的運用逐漸成為當前市政給排水系統設計的重要內容。例如，采用低壓供水模式構建一體化供水系統，加強地熱能利用，以達到節約能源消耗的目的。

表2 2000—2020 年我國城市總耗電量情況億kW·h

3.4 加強分區方案造價分析

在進行管網分區方案設計過程中，為保障建設成本的合理性，需進行造價分析和計算，以確定最優分區方案。主要分析內容包括以下3 個方面。

1）管道造價年費計算。該項費用為給排水系統建設過程中的主要支出，不僅包括管道材料造價，還包括挖溝、填埋、接頭及其他零部件、附屬工程費用等。根據管徑大小，構建管道造價函數，可用于計算管網年造價費用。計算公式如下：

式中，W 為管網年造價費用；m 為大修基金提取率；P 為管網造價動態折算系數；N 為管段數；i 為第i 條管段；Li為第i 條管段長度；D 為管徑；a、b、α 均為造價系數，需要根據實際管道材料和施工條件確定。

2）管網年平均動力費用。主要指系統運行過程中消耗的電能，包括水的位能，以及克服管段摩擦阻力消耗的能量。

3）造價年費。包括系統建設過程中相關建筑物、泵站等的折舊費用、供水總量等[3]。

4 結語

綜上所述，在市政給排水輸水方式選擇及管網分區設計的過程中，不僅需充分考慮水源水位與水廠水位高度，還應從建設成本及可行性方面合理進行輸水方式的選擇。在管網分區方案設計過程中，應先結合管網系統實際功能，對市政管網系統階層進行準確分析，并明確管網區域邊界和進水點位置，確保設計的合理性。此外，為強化管網分區設計的成本控制效果，還應選擇節能設施與設備，加強分區方案造價的分析和計算，全面確保市政給排水系統輸水及分區設計的科學性和合理性，促進市政給排水工程持續、向好發展。