市政给排水设计中输水方式及管网分区研究

■陈 覃 ■广东省建筑设计研究院市政二所，广东 广州 510000

在一座城市的市政系统中，给排水管网是至关重要的一部分，也涉及到很大的投资，这就对给排水设计者提出了较高的要求。城市的给排水管网设计的目标，是能够将水资源以较高的效率和较少的消耗送到居民住户处，同时能够保证水源的卫生质量以及水管线中的压力等指标合格。随着我国城镇化进程的加快，城市的给水管网面积越来越大，对于管网的设计也提出了一些新的要求，只有秉承节约的原则，发掘出管网的节能潜力，才能真正设计出兼具经济型和服务性的给排水系统。本文通过阐述市政给排水设计中输水方式及管网分区，为当前的给排水设计者提供必要的参考和借鉴，具有比较好的理论价值和实践意义。

1 市政给排水输水模式的设计

1.1 输水方式类别

通常，市政输水的模式并非只有一种，结合当地的实际情况，在输水方式的选择上，通常选择的是几种模式一同使用。最常见的输水方式包括三大类别，一是重力输水、二是压力输水、三是前两者结合的重压输水。下面简述几种模式的概念及原理。

重力输水是依赖于地球对于水的重力而导致的水流，如果水源所在地和水资源用户之间存在着高度差，则重力输水方式就十分适用，因此在输水模式的设计中，应该根据当地的实际地理情况来确定是否选择重力输水模式。如果给排水管网的所在地较为平缓，重力难以与管网对水源的滞留相抵消，或者水源所在地比用户所在地还要低时，建议设计为压力输水方式，这种情况之下，为了保证水资源能够顺利抵达用户处，应该结合实际情况在中途增设一些加压泵。在设计方案的确定中，应该通过对于各类数据的严格计算，来确定输水管的类型和参数，并且结合当地的地形高差，综合考虑管网本身对于压力的承受等各因素。而假如当地的地形十分多样化，则可以在设计时灵活运用重力与压力，采用二者相互结合的方式。

1.2 输水方式的选择

为了适应市政管网优化规划的需要，输水方式的选择是给排水设计方案中的核心，选择哪种方式的关键在于当地的地质条件以及水源所在地的现状，笔者推荐一个计算公式:

Hp=Z1-Z2+h，

公式中，Hp的含义是水源泵站的扬程最大值，Z1的含义是水源的水位值，Z2则表示水厂的水位，h 代表输水过程中的水头损失值。在设计具体的输水方式时，以上几个参数均应已经确定。假若采取了重力流输水模式，则通常是在一些山区城市中，为了使重力因素能够充分发挥作用，应尽量使输水的路线足够短，使水源和用户之间的高差足够大，对于输水管径的设计，则应使之能够适应可能出现的输水量最大值。假若重力输水管线途径高差过大的区域，应在合适的地点位置配置减压阀;假若采取了压力输水的模式，则应综合分析其技术性与经济型，为压力输水管进行分级，并在合适的位置配置泵站，结合具体情况设置泵站的位置和等级。

2 市政给排水分区模式的设计

给水管网的分区也是直接关系着市政给排水系统服务性能的一个问题。在具体的设计过程中应该考虑的重要因素包括。

2.1 设计合理的阶层数

具体设计中，应将第一阶层分区系统的功能定位在怎样使管网的分布更加合理化，而第二阶层和第三阶层的分区则应聚焦在空压、减漏、改压等目的上。当前，在我国额绝大部分地区，给排水系统均使用了基于两阶层的管网系统，而阶层系统的分类往往取决于管网的实际规模以及建设成本等多个因素。在具体设计的时候应综合考虑当地的具体情况，也可以将其设计为不同的建设阶段，分布实施。

2.2 区域规模的划定

如果管网的设计已经能够保证满足用户对于水压的要求，则应重点考虑的问题还包括管网水压的均衡问题，从而尽可能降低供水事故的发生，将漏失量保持在最低的限度，达到节能的目标，这就需要在设计中应尽量采用低压供水的措施。通常在供水区域之内，其水压的值是能够有效控制的，重点在于怎样在管网的设计中确定具体的区域规模。笔者结合自己的设计经验，建议在此阶段首先应考虑该区域地形标高差，其次应考虑水头损失，在此基础上兼顾人口密度、进水点位置等诸多因素。在具体区域规模的划定方面，也应充分顾及到工程的实际投资。分区之后则应重点计算管道流量，充分考虑到可能发生的漏失量。

2.3 位置和区域边界

管网设计的关键之处还包括进水点数、水压和流量等，处于安全可靠性的考虑，笔者的建议是进水点的数目应在满足需求的前提下降低在最低限度。一般来讲，能够把管网进水管的水压控制点设置为单点进水是一种最为经济安全的模式，假若设计区域属于事故多发区，则选取多点进水能够保证用水安全，因此本文建议，如果区域范围不大，可以将进水点数目设计为两个，从而能够兼顾突发事故和用水量之间的平衡。对于管网区域边界的确定，应该综合考虑多个因素，例如管网所在地的具体地形、地理高度的差异、水源点的供水参数等。在对以上因素进行分析之后，确定具体的管网区域边界。

2.4 区域方案优化

当设计者作出对于市政管网的分区方案，应该组织相关的人员对该方案的合理性进行充分的论证，论证应该遵循科学的原则，通过必要的模拟仿真，对方案的完善性进行评估，对送水管道的方案进行优化，对管道的闸断、设施等方案进行逐条分析，使方案得到优化。市政管网规划设计的优化计算方法目前逐渐成熟起来，传统的闭环自动算法主要是针对管网设计的典型的过程进行建模，而随着市政管网的发展，有不少管网系统逐步趋向于非线性特征，有一些大型城市的管网呈现出完全的非线性，对这些过程进行数学建模难度较大，甚至无法建模。在这种情况下，传统的闭环自动控制技术是难以进行精确仿真的。本文推荐目前应用较为广泛的遗传算法优化，由于基于遗传算法的管网仿真系统可以不需要数学模型的建立步骤，因此比较适合对一些复杂度较大的市政给排水管网进行分析和优化。遗传算法的这个优势使其越来越广泛地应用于很多市政管线项目的优化中，并且逐渐发展成为一门相对独立的学科。把遗传算法用于市政设计等大型工程的优化，并且取得了较为满意的效果，模糊控制理论的潜力被激发出来。到了本世纪，日本的一些遗传算法研究者提出了以模糊技术特有的不确定性来解决市政管网难以进行数学建模的问题，从而使遗传算法的发展进入了一个新阶段，同时也产生了不少有价值的应用实践成果。

2.5 关键问题分析

在设计中，首先应对管位进行合理的安排。应该站在市政管网的高度对给排水管网进行安排。这也是实现工程设计质量目标与成本目标的关键之处。通常在一座城市的市政管线中，各类管网的位置是早已规划好的，因此基本上相对是固定的。结合笔者的设计实践，在低于45m 的道路上，没有必要分两侧进行管线的布设，这样能够使给排水管线的数量尽可能少，还可以避免由于预留管减少而导致的主管投资增加的情况。可知在管网设计时应重点考虑管位的合理性。其次还应对管线标高进行重点考虑，这与给排水工程的成本密切相关。给排水管线进入市区，往往会横穿道路以及布设支线，只有对管线标高进行合理的计算，才能避免对于另外的管线的影响。第三，应将同类管线布设在专门的管沟内，这样能够提升对管沟应用的经济型。这种设计模式十分适合于城市中交通繁忙、不适宜经常开挖的路段。在对综合管沟进行设计时还应注意，这种管沟往往涉及到较大的投资，所以必须在设计中能够充分协调各类管线的规划。第四应合理设计管线的管径，这关系到未来施工的成本，因此在设计过程中应该结合实际情况进行计算，确定最为合理的管径，从而使管网在满足用户需求的前提下能够具有足够的经济性。

3 结束语

市政管网是衡量城市建设发展水平的一个重要方面。对于市政给排水的设计，应该综合考虑技术因素和经济因素，并且尽量使二者能够较好地融合起来，结合当地的实际最终确定优化的设计方案。如果管网所在地点属于地理条件不错的区域，则在输水方案的选择上应首选重力输水的模式，并且兼顾输水模式的技术性指标与经济性指标。在给排水管网分区的规划和设计中，一方面应该结合科学的模型对管网的费用和性能指标进行估算，另一方面则应充分考虑不同方案之间的技术性能对比和成本对比，结合本地区在市政方面的具体投资来确定最终的设计方案。

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