市政給排水設(shè)計(jì)中輸水方式及管網(wǎng)分區(qū)研究

■陳 覃 ■廣東省建筑設(shè)計(jì)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(duì)給排水設(shè)計(jì)者提出了較高的要求。城市的給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，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(shí)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(biāo)合格。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市的給水管網(wǎng)面積越來越大，對(duì)于管網(wǎng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出兼具經(jīng)濟(jì)型和服務(wù)性的給排水系統(tǒng)。本文通過闡述市政給排水設(shè)計(jì)中輸水方式及管網(wǎng)分區(qū)，為當(dāng)前的給排水設(shè)計(jì)者提供必要的參考和借鑒，具有比較好的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 市政給排水輸水模式的設(shè)計(jì)

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(dāng)?shù)氐膶?shí)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(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?dǎo)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(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)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(wǎng)的所在地較為平緩，重力難以與管網(wǎng)對(duì)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(shí)，建議設(shè)計(jì)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(dá)用戶處，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況在中途增設(shè)一些加壓泵。在設(shè)計(jì)方案的確定中，應(yīng)該通過對(duì)于各類數(shù)據(jù)的嚴(yán)格計(jì)算，來確定輸水管的類型和參數(shù)，并且結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦胃卟睿C合考慮管網(wǎng)本身對(duì)于壓力的承受等各因素。而假如當(dāng)?shù)氐牡匦问侄鄻踊瑒t可以在設(shè)計(jì)時(shí)靈活運(yùn)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(yīng)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(shè)計(jì)方案中的核心，選擇哪種方式的關(guān)鍵在于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件以及水源所在地的現(xiàn)狀，筆者推薦一個(gè)計(jì)算公式:

Hp=Z1-Z2+h，

公式中，Hp的含義是水源泵站的揚(yáng)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(shè)計(jì)具體的輸水方式時(shí)，以上幾個(gè)參數(shù)均應(yīng)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(yīng)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(duì)于輸水管徑的設(shè)計(jì)，則應(yīng)使之能夠適應(yīng)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(yīng)在合適的地點(diǎn)位置配置減壓閥;假若采取了壓力輸水的模式，則應(yīng)綜合分析其技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)型，為壓力輸水管進(jìn)行分級(jí)，并在合適的位置配置泵站，結(jié)合具體情況設(shè)置泵站的位置和等級(jí)。

2 市政給排水分區(qū)模式的設(shè)計(jì)

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(wù)性能的一個(gè)問題。在具體的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮的重要因素包括。

2.1 設(shè)計(jì)合理的階層數(shù)

具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(yīng)聚焦在空壓、減漏、改壓等目的上。當(dāng)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(shí)際規(guī)模以及建設(shè)成本等多個(gè)因素。在具體設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐木唧w情況，也可以將其設(shè)計(jì)為不同的建設(shè)階段，分布實(shí)施。

2.2 區(qū)域規(guī)模的劃定

如果管網(wǎng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠保證滿足用戶對(duì)于水壓的要求，則應(yīng)重點(diǎn)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(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，這就需要在設(shè)計(jì)中應(yīng)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(diǎn)在于怎樣在管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中確定具體的區(qū)域規(guī)模。筆者結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議在此階段首先應(yīng)考慮該區(qū)域地形標(biāo)高差，其次應(yīng)考慮水頭損失，在此基礎(chǔ)上兼顧人口密度、進(jìn)水點(diǎn)位置等諸多因素。在具體區(qū)域規(guī)模的劃定方面，也應(yīng)充分顧及到工程的實(shí)際投資。分區(qū)之后則應(yīng)重點(diǎn)計(jì)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處還包括進(jìn)水點(diǎn)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(jìn)水點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)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(jìn)水管的水壓控制點(diǎn)設(shè)置為單點(diǎn)進(jìn)水是一種最為經(jīng)濟(jì)安全的模式，假若設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)儆谑鹿识喟l(fā)區(qū)，則選取多點(diǎn)進(jìn)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(jìn)水點(diǎn)數(shù)目設(shè)計(jì)為兩個(gè)，從而能夠兼顧突發(fā)事故和用水量之間的平衡。對(duì)于管網(wǎng)區(qū)域邊界的確定，應(yīng)該綜合考慮多個(gè)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(diǎn)的供水參數(shù)等。在對(duì)以上因素進(jìn)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(dāng)設(shè)計(jì)者作出對(duì)于市政管網(wǎng)的分區(qū)方案，應(yīng)該組織相關(guān)的人員對(duì)該方案的合理性進(jìn)行充分的論證，論證應(yīng)該遵循科學(xué)的原則，通過必要的模擬仿真，對(duì)方案的完善性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)送水管道的方案進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)管道的閘斷、設(shè)施等方案進(jìn)行逐條分析，使方案得到優(yōu)化。市政管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的優(yōu)化計(jì)算方法目前逐漸成熟起來，傳統(tǒng)的閉環(huán)自動(dòng)算法主要是針對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)的典型的過程進(jìn)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(duì)這些過程進(jìn)行數(shù)學(xué)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(dòng)控制技術(shù)是難以進(jìn)行精確仿真的。本文推薦目前應(yīng)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(xué)模型的建立步驟，因此比較適合對(duì)一些復(fù)雜度較大的市政給排水管網(wǎng)進(jìn)行分析和優(yōu)化。遺傳算法的這個(gè)優(yōu)勢(shì)使其越來越廣泛地應(yīng)用于很多市政管線項(xiàng)目的優(yōu)化中，并且逐漸發(fā)展成為一門相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。把遺傳算法用于市政設(shè)計(jì)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(jì)，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(jìn)行數(shù)學(xué)建模的問題，從而使遺傳算法的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段，同時(shí)也產(chǎn)生了不少有價(jià)值的應(yīng)用實(shí)踐成果。

2.5 關(guān)鍵問題分析

在設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)對(duì)管位進(jìn)行合理的安排。應(yīng)該站在市政管網(wǎng)的高度對(duì)給排水管網(wǎng)進(jìn)行安排。這也是實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)質(zhì)量目標(biāo)與成本目標(biāo)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(duì)是固定的。結(jié)合筆者的設(shè)計(jì)實(shí)踐，在低于45m 的道路上，沒有必要分兩側(cè)進(jìn)行管線的布設(shè)，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(yù)留管減少而導(dǎo)致的主管投資增加的情況?？芍诠芫W(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮管位的合理性。其次還應(yīng)對(duì)管線標(biāo)高進(jìn)行重點(diǎn)考慮，這與給排水工程的成本密切相關(guān)。給排水管線進(jìn)入市區(qū)，往往會(huì)橫穿道路以及布設(shè)支線，只有對(duì)管線標(biāo)高進(jìn)行合理的計(jì)算，才能避免對(duì)于另外的管線的影響。第三，應(yīng)將同類管線布設(shè)在專門的管溝內(nèi)，這樣能夠提升對(duì)管溝應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)型。這種設(shè)計(jì)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(duì)綜合管溝進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意，這種管溝往往涉及到較大的投資，所以必須在設(shè)計(jì)中能夠充分協(xié)調(diào)各類管線的規(guī)劃。第四應(yīng)合理設(shè)計(jì)管線的管徑，這關(guān)系到未來施工的成本，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)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(jì)性。

3 結(jié)束語

市政管網(wǎng)是衡量城市建設(shè)發(fā)展水平的一個(gè)重要方面。對(duì)于市政給排水的設(shè)計(jì)，應(yīng)該綜合考慮技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素，并且盡量使二者能夠較好地融合起來，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際最終確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。如果管網(wǎng)所在地點(diǎn)屬于地理?xiàng)l件不錯(cuò)的區(qū)域，則在輸水方案的選擇上應(yīng)首選重力輸水的模式，并且兼顧輸水模式的技術(shù)性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在給排水管網(wǎng)分區(qū)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，一方面應(yīng)該結(jié)合科學(xué)的模型對(duì)管網(wǎng)的費(fèi)用和性能指標(biāo)進(jìn)行估算，另一方面則應(yīng)充分考慮不同方案之間的技術(shù)性能對(duì)比和成本對(duì)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(shè)計(jì)方案。

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