市政給排水輸水方式及管網(wǎng)分區(qū)研究

王彥偉

（泰安市自來(lái)水有限公司，山東泰安 271000）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，市政給排水項(xiàng)目逐漸增多，但基于城市原有給排水管道及實(shí)際輸水需求的影響，不同市政給排水項(xiàng)目的輸水方式不同、管網(wǎng)分區(qū)也存在較大差異。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)市政給排水的設(shè)計(jì)研究已進(jìn)入白熱化階段，各種先進(jìn)技術(shù)得以應(yīng)用，理論研究不斷深入，為工程項(xiàng)目的實(shí)施提供了極大支持。本文結(jié)合實(shí)際市政給排水項(xiàng)目，探討市政給排水輸水方式選擇方法及管網(wǎng)分區(qū)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，能為相關(guān)理論研究提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也可為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供實(shí)施策略，對(duì)于市政給排水工程建設(shè)發(fā)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(tǒng)主要包括取水、供水、排水及凈水系統(tǒng)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于不同城市區(qū)域的實(shí)際情況不同，其輸水方式不同[1]。常見(jiàn)的輸水方式包括以下3 種。

圖1 市政給排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1）壓力流輸水。這種輸水方式主要針對(duì)水源水位地域水廠水池水位的情況，通過(guò)外力進(jìn)行加壓輸水，借助水泵確保水源順利進(jìn)入水廠。在輸水方式應(yīng)用過(guò)程中，需綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地形地勢(shì)、水文地質(zhì)及管線(xiàn)長(zhǎng)度等影響因素，以確保該輸水方案順利實(shí)施，管道能承受相應(yīng)的輸水壓力。

2）重力輸水。借助水源自身重力勢(shì)能，達(dá)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(mǎn)足實(shí)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(shì)影響明顯，為保障輸水順利，需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析。

3）結(jié)合輸水。將壓力輸水和重力輸水兩種方式結(jié)合使用，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況靈活轉(zhuǎn)化輸水方式。其優(yōu)勢(shì)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(jì)算

在輸水方式選擇過(guò)程中，影響因素較多，為保障市政給排水工程順利實(shí)施，需結(jié)合實(shí)際情況展開(kāi)計(jì)算，確保相應(yīng)輸水方式選擇的合理性及可行性。在實(shí)際輸水過(guò)程中，需著重考慮水源位置、供水距離及流量要求3 個(gè)因素，通過(guò)計(jì)算分析，確保市政給排水系統(tǒng)順利輸水。

1）當(dāng)水源水位低于水廠水位時(shí)，無(wú)法展開(kāi)重力輸水，因此，需要運(yùn)用加壓水泵。對(duì)此，需確保加壓水泵滿(mǎn)足輸水要求，應(yīng)先確定水泵揚(yáng)程。水泵揚(yáng)程計(jì)算公式為：

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

根據(jù)式（1），實(shí)現(xiàn)對(duì)于水泵揚(yáng)程的準(zhǔn)確計(jì)算，以確保水泵選擇的合理性以及科學(xué)性。

2）對(duì)于水源水位高于水廠水位的情況，應(yīng)優(yōu)先選用重力輸水方式，以減少能源消耗。但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，為確保重力輸水方案的可行性，需對(duì)當(dāng)?shù)剌斔芩ζ露燃暗匦纹露鹊冗M(jìn)行分析，確保其滿(mǎn)足重力輸水需要。輸水管水力坡度及平均地形坡度滿(mǎn)足如下關(guān)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(shè)過(guò)程中，為滿(mǎn)足水力坡度要求，通常會(huì)增加管徑及管線(xiàn)長(zhǎng)度，導(dǎo)致建設(shè)成本過(guò)高，因此，在進(jìn)行重力輸水設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需加強(qiáng)對(duì)建設(shè)成本的考量。若重力輸水管道的建設(shè)費(fèi)用超過(guò)壓力輸水管道、泵站建設(shè)及加壓輸水運(yùn)行管理費(fèi)用之和，則需采用加壓輸水方式，以節(jié)約建設(shè)成本。

綜上，在采用重力輸水方式過(guò)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(mǎn)足大流量輸水需求的同時(shí)，避免水力坡度超過(guò)地形坡度，同時(shí)還應(yīng)合理控制工程造價(jià)。因此，山區(qū)地形的城市在給排水工程建設(shè)過(guò)程中，通常借助地形優(yōu)勢(shì)，選擇重力輸水方式，以縮短輸水管線(xiàn)長(zhǎng)度，并借助跌水井等裝置進(jìn)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(shè)計(jì)流量為2.01 m3/s。根據(jù)案例工程實(shí)際情況，采用重力輸水與壓力流輸水相結(jié)合的綜合輸水方式。案例工程輸水線(xiàn)路全長(zhǎng)38.75 km，根據(jù)當(dāng)?shù)氐貏?shì)特點(diǎn)，在節(jié)能降耗基本原則的指導(dǎo)下，將施工區(qū)域劃分為5 個(gè)輸水階段，其中前4 段均采用重力輸水模式，重力流系統(tǒng)管線(xiàn)縱斷圖如圖2 所示，后1 段由于地勢(shì)差不滿(mǎn)足重力輸水要求，因此，采用壓力輸水方式，結(jié)合實(shí)際供水需求，確定加壓泵站技術(shù)參數(shù)，詳細(xì)情況如表1 所示。

表1 案例工程加壓泵站技術(shù)參數(shù)詳細(xì)情況

圖2 重力流系統(tǒng)管線(xiàn)縱斷圖

3 市政給排水管網(wǎng)分區(qū)要點(diǎn)

3.1 分析市政管網(wǎng)系統(tǒng)階層

在進(jìn)行市政給排水管網(wǎng)分區(qū)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及城市發(fā)展需求，明確管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的階層數(shù)，在此基礎(chǔ)上展開(kāi)管網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃，以確保管網(wǎng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性及合理性。應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際功能需求確定第一階層管網(wǎng)系統(tǒng)，并根據(jù)管網(wǎng)空壓、改壓及減漏需求，進(jìn)行管網(wǎng)疊層系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以確保管網(wǎng)設(shè)計(jì)符合城市給排水發(fā)展需求。

3.2 設(shè)計(jì)管網(wǎng)邊界及進(jìn)水點(diǎn)

根據(jù)實(shí)際市政給排水需求，確定管網(wǎng)邊界，合理設(shè)置進(jìn)水點(diǎn)的具體位置和數(shù)量，充分考量當(dāng)?shù)貙?shí)際情況及相關(guān)影響因素，展開(kāi)進(jìn)水點(diǎn)設(shè)計(jì)。在確定管網(wǎng)邊界及進(jìn)水點(diǎn)時(shí)，需充分結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，確保管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)劃符合當(dāng)?shù)赜盟枨蟆⑻攸c(diǎn)，以及城市未來(lái)發(fā)展方向，保證管網(wǎng)設(shè)計(jì)的前瞻性及可擴(kuò)展性。在進(jìn)水點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需重視以下方面。

1）合理確定進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量，在保障城市供水穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，盡量減少供水點(diǎn)設(shè)置，以達(dá)到降低工程成本的目的。

2）為節(jié)約工程成本，部分區(qū)域可采用單點(diǎn)供水方式，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3）為保障供水穩(wěn)定性，事故多發(fā)地段應(yīng)結(jié)合實(shí)際地形情況，適當(dāng)增設(shè)進(jìn)水點(diǎn)，保障供水安全、可靠。

3.3 合理選擇節(jié)能設(shè)施設(shè)備

市政給排水工程運(yùn)行時(shí)需消耗大量電能，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國(guó)城市總耗電量處于持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)，詳細(xì)情況如表2 所示，其中給排水系統(tǒng)能耗占比相對(duì)較高，因此，節(jié)能設(shè)施設(shè)備的運(yùn)用逐漸成為當(dāng)前市政給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。例如，采用低壓供水模式構(gòu)建一體化供水系統(tǒng)，加強(qiáng)地?zé)崮芾?，以達(dá)到節(jié)約能源消耗的目的。

表2 2000—2020 年我國(guó)城市總耗電量情況億kW·h

3.4 加強(qiáng)分區(qū)方案造價(jià)分析

在進(jìn)行管網(wǎng)分區(qū)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保障建設(shè)成本的合理性，需進(jìn)行造價(jià)分析和計(jì)算，以確定最優(yōu)分區(qū)方案。主要分析內(nèi)容包括以下3 個(gè)方面。

1）管道造價(jià)年費(fèi)計(jì)算。該項(xiàng)費(fèi)用為給排水系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中的主要支出，不僅包括管道材料造價(jià)，還包括挖溝、填埋、接頭及其他零部件、附屬工程費(fèi)用等。根據(jù)管徑大小，構(gòu)建管道造價(jià)函數(shù)，可用于計(jì)算管網(wǎng)年造價(jià)費(fèi)用。計(jì)算公式如下：

式中，W 為管網(wǎng)年造價(jià)費(fèi)用；m 為大修基金提取率；P 為管網(wǎng)造價(jià)動(dòng)態(tài)折算系數(shù)；N 為管段數(shù)；i 為第i 條管段；Li為第i 條管段長(zhǎng)度；D 為管徑；a、b、α 均為造價(jià)系數(shù)，需要根據(jù)實(shí)際管道材料和施工條件確定。

2）管網(wǎng)年平均動(dòng)力費(fèi)用。主要指系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(jià)年費(fèi)。包括系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中相關(guān)建筑物、泵站等的折舊費(fèi)用、供水總量等[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在市政給排水輸水方式選擇及管網(wǎng)分區(qū)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不僅需充分考慮水源水位與水廠水位高度，還應(yīng)從建設(shè)成本及可行性方面合理進(jìn)行輸水方式的選擇。在管網(wǎng)分區(qū)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)先結(jié)合管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際功能，對(duì)市政管網(wǎng)系統(tǒng)階層進(jìn)行準(zhǔn)確分析，并明確管網(wǎng)區(qū)域邊界和進(jìn)水點(diǎn)位置，確保設(shè)計(jì)的合理性。此外，為強(qiáng)化管網(wǎng)分區(qū)設(shè)計(jì)的成本控制效果，還應(yīng)選擇節(jié)能設(shè)施與設(shè)備，加強(qiáng)分區(qū)方案造價(jià)的分析和計(jì)算，全面確保市政給排水系統(tǒng)輸水及分區(qū)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，促進(jìn)市政給排水工程持續(xù)、向好發(fā)展。