市政给排水设计中输水方式的选择及管网分区分析

金朝

（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）

1 市政给排水输水方式概述

1.1 市政给排水系统构成

市政给水设施主要分为市政供水系统与市政排水系统2大类，其中市政供水系统包含了各类取水设备、制水净水设备、输水系统以及配套的加压泵站等，在部分以水库为饮用水水源的城市中还存在原水管将储存于水库的清洁水源输送至自来水厂以便其进行生产加工；市政排水系统则包括了雨水管网系统与污水管网系统2大部分，以及相配套的提升泵站及污水处理厂等设施[1]。

1.2 输水系统分类

目前，市政输水系统可根据其内部水体的输送动力来源分为重力流、压力流与混合流3种不同的方式。重力流通常是利用输水管道及沿线用户之间的地势高差，从而使得管道内的水体能够在自身重力的作用下在管道内进行流动，其特点是输水管道的起点和终点必须存在较大高度差，并且供水的起点高度必须高于终点。压力流则是在管道系统不同区域内设置加压泵站，采用单程加压或阶梯式加压的方式来提供管道内水体的输送动力，其特点是受输水区域的地形影响较小，单体管道的输送能力强，甚至能够通过“接力”的方式将水体输送到远离水源地或地势高于水源地的区域。混合流则是在同一区域内采用了重力流与压力流2种输水方式。

2 市政给水系统输水方式及管网分区的影响因素分析

通过对大量数据的分析和归纳，本文将影响市政给水系统输水方式选择和管网分区布局的主要因素归纳为：供水需求、地形地貌、气候条件、供水水源、工程造价及运维成本等几大类。供水需求是指输水管网所服务的用水客户在使用水资源时所体现的用水总量、集中用水时间等体征。地形地貌与气候条件对于输水方式和管网分区的影响性主要体现在管网建设的难度和运行效率上，例如，地形平坦的区域在选择重力流时势必会采取加大管道埋深的方式来获取更大的水动力，但其也将增加管网建设中基坑开挖的难度和成本；北方地区如采取重力流时也会在冬季部分流速较慢或管径较小的管道出现冻结。供水水源的影响性则直接体现在其输水方式上，不同位置的水源地将采取不同的输水方式。工程造价及运维成本则主要影响管网覆盖程度和供水保障等指标[2]。

3 管网分区与输水方式优化策略

3.1 充分利用输水区域内有利条件

不同的输水方式对地形地貌、气候条件、供水能力等影响因素都有着适应性与局限性。因此，充分发挥上述不同输水方式的优点，在保证区域供水需求的前提下将整个供水体系的建设及运维费用降至最低。

考虑我国北方地区在冬季的室外温度较低，为了避免冬季流速较慢的管道内水体出现冻结，应当采取尽量采取动力流的方式进行输水，如在寒冷区域内地形坡度较大从而能够保证管道内始终能够保持流速，以免水体出现冻结，可采用加大供水管道管径、在管道外壁敷设保温材料及加大管道埋深等方式来进一步减轻冬季低温对管道的不利影响。同时，在部分采用集中供热的区域内亦可将重力流输水管道与市政供热管道并排铺设，从而利用供热管道所散发的热量来起到防止冰冻的作用。

在我国南方地区往往采用水库作为城市的饮用水水源地，其不但能够保证水源的清洁度，而且新建水库也能够在降雨季节内储存大量的降水以补充水源，但是水库往往建设在远离城市的山区，而自来水厂则位于靠近城市的近郊，为了保证充足的水源供给不得不铺设大量的原水管道和供水管道及其配套的泵站设施。由于自来水厂的净水工艺在近年来得到了质的飞跃，其净水设备的体积大为缩小这便使得自来水厂可建设较为靠近水库的海拔高度较高的山区，水库内的水源可直接连入自来水厂而自来水厂所生产的自来水也可依靠较高的海拔向地势较低的区域进行供水，从而充分发挥水源与用水户之间的水头差，大大减少了相关管网建设费用。

3.2 因地制宜确保输水管网水源供给

建立市政输水管网的最终目的便是确保所有的用户能够得到充足的水量供给，为了实现这一目的除了依靠合理的管网布局外还受制于充足的水源供给。目前，我国市政供水的水源主要依靠自然水体或人工建造的水库，而绝大多数城市均以自然水体作为城市供水水源，由此可见河道、湖泊等自然水体的位置也影响了城市输水管网的布局。自然界中的河道往往位于地势降低的区域，即便是我国国内几大地形变化极其轻微的平原区域内中，其内部的自然河道的标高也略低于平原的平均地坪标高，许多城市自来水厂都依河而建；而在山区或丘陵地区的自然河道更是处于该区域地势最低处，鉴于上述2种情况在以自然水体作水源的可采用不同形式管网配置模式[3]。

在部分山区或丘陵地区，如该城市的自来水厂建设在流经城市河道的上游地区则其供水口的地坪标高往往高于城市企业区域，在考虑到大口径管网建设时所产生的土方或石方施工造价的平衡后，建议采用重力流方式进行供水。在部分重力流施工造价过高或供水口水头差不足以为整座城市管网体系提供足够的动力时，可在局部远离供水点或水头差过小的区域设置区块提升泵站以强化区块供水能力。

在平原地区由于受到地形条件的限制多城市中多采用动力流或混合流的形式进行供水，为了提高动力流输水管网系统的经济效率，可采用分区供水和分区配压的形式来降低管网建设成本以及后期运行维护成本。例如，可根据供水区域的地形地势上的差异将其认为的划分为数个区域，先期在城市供水区域内建设环状或辐射状的供水主干网络体系，考虑到城市不同区域内存在一定的地势高差，可在建设环网或辐射干网时设置阶梯式接力泵站来保证所有干管内始终保持一定的压力。在完成干管建设后便可在每个区中设置相对独立的调压站，或是直接利用干管内水体的压力进行供水，或是另外建设加压泵来进一步提升支管内的水体压强。管网泵站如图1所示。

图1 管网泵站图

3.3 结合区域用水需求配置管网布局

由于城市中不同区域内建设开发程度往往会出现较大的差异性，同时不同区域的产业结构对于用水量的需求存在一定的差别，为此在输水管网布局时还应结合城市区域产业结构特征进行调整。从城市产业结构进行分析，传统制造业对于水资源的需求量大于餐饮、商务办公、科技研发等产业，因此，管网系统布局时可结合城市产业布局规划中所明确的产业园区规模、产业类别等指标进行估算，从而满足整个园区今后的产业发展需求。

居民的日常生活用水也是城市输水管网的主要服务对象之一。而居民生活用水往往呈现出较为固定的时间特征，即用水高峰往往出现在每日的6点至8点、11点至12点、16点至21点等居民就餐、洗漱的高峰时期，而一旦度过的上述几个时间节点居住区内管网的供水需求将会出现断崖式的下降。因此，为了充分挖掘居住区管网在其他非用水高峰时间的供水能力，可将其与部分商务办公、科技研发等低耗水量的供水区域管网进行联通，从而起到节约建设资源的效果。管网分区示意图如图2所示。

4 结语

鉴于市政给水管网的输水方式和管网分区布局影响到整个城市的建设发展和居民的安居乐业，在决定上述2项供水管网体系重要指标时必须做到因地制宜、“一城一策”，并充分结合城市产业和居住区布局规划，以确保所构建的管网体系能够为城市今后的发展起到“保驾护航”的作用。

图2 管网分区示意图