日本給水管網(wǎng)布局理論與啟示

李樹平

(同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海200092)

摘要：如何使供水管網(wǎng)具有合理布局，適應城市發(fā)展，滿足用戶需求，減少漏水和節(jié)約能耗藥耗，是自來水行業(yè)面臨的重要任務。日本在城市給水管網(wǎng)布局理論方面具有很強的代表性，為此從供水系統(tǒng)組成、配水分區(qū)和配水池三方面介紹了日本給水管網(wǎng)布局理論，并簡要說明了東京市給水管網(wǎng)的應用狀況，最后提出在明確管段功能、管網(wǎng)分層次模擬和充分發(fā)揮蓄水設(shè)施作用等方面的啟示。

隨著城市的發(fā)展，由于對供水管網(wǎng)缺乏整體控制，致使城市供水管網(wǎng)布局混亂，給運行管理帶來巨大挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下四方面：①由于長距離管路的摩擦損失和水質(zhì)反應，致使壓力下降顯著、水質(zhì)惡化，引起不必要的能量和消毒劑浪費；②管線連接復雜，導致事故搶修時停水影響范圍大且時間長；③由于存在地形標高差，導致水量、水壓供應不均衡；④為掌握管網(wǎng)總體狀態(tài)，各種流量、壓力和水質(zhì)監(jiān)測點布置困難，管網(wǎng)建模工作量大且效果差。因此，如何使供水管網(wǎng)具有合理布局，是自來水行業(yè)面臨的重要任務。日本的城市給水管網(wǎng)布局理論不失為一種典型狀況，為此將從供水系統(tǒng)組成、配水分區(qū)和配水池三方面介紹日本給水管網(wǎng)布局理論，以供參考借鑒。

1日本給水管網(wǎng)布局

1.1供水系統(tǒng)組成

為滿足穩(wěn)定水量、安全水質(zhì)、適當水壓、抗震、設(shè)施更新改造等要求，日本水道協(xié)會將供水系統(tǒng)劃分為取水設(shè)施、導水設(shè)施、凈水設(shè)施、送水設(shè)施、配水設(shè)施和給水設(shè)施六部分,具體情況如圖1所示。盡管導水、送水、配水和給水設(shè)施作為專業(yè)術(shù)語應用，它們均具有輸水功能，同時又具有不同的要求（見表1）。其中送水管道、配水池和配水管道共同構(gòu)成了城市送配水系統(tǒng)。送水管道連接凈水廠和配水池，在合適的壓力下以穩(wěn)定方式供水。配水池根據(jù)當?shù)氐墓┧畨毫�，滿足用戶水量變化要求。配水管道分布在整個城市，可再細分為配水干管和配水支管。

圖1供水系統(tǒng)構(gòu)成示意

表1輸水設(shè)施特征

1.2配水分區(qū)

通常整個給水區(qū)域劃分為多個配水區(qū)。一個配水分區(qū)至少包含一座配水池；如有必要，可以設(shè)置多座配水池。通常情況下配水池和配水干管構(gòu)成配水分區(qū)；進一步細化后，配水支管構(gòu)成了配水支管分區(qū)。配水分區(qū)應考慮最大配水量、地形地貌、配水干管的分布狀況和配水池的位置，盡可能合理、經(jīng)濟。配水支管分區(qū)根據(jù)相應標高設(shè)定增壓和減壓分區(qū)。為提高供水可靠性，連接管連接相鄰配水干管，配水干管連接配水支管分區(qū)。設(shè)計中按照配水區(qū)的劃分，進行配水管網(wǎng)的水力計算，保證高峰時間整個配水區(qū)域內(nèi)的水壓。

通過配水區(qū)域管理，具有以下優(yōu)點：

①便于了解管網(wǎng)運行的實時狀況，方便布置流量、水壓以及水質(zhì)信號監(jiān)測系統(tǒng)，容易掌握管網(wǎng)運行狀況，可為管網(wǎng)模擬和監(jiān)測調(diào)度提供準確信息；掌握不同用地類型下需水量的變動，便于需水量的準確預測；合理化新建、改建、更新配水管的維護計劃。

②提高管網(wǎng)的日常配水管理和維護水平，合理設(shè)定減壓、增壓區(qū)域，便于水壓管理，提高設(shè)備的運行效率，節(jié)約能耗；便于管網(wǎng)的配水量分析與管理，最小化漏水修理伴隨的斷水區(qū)域，容易確定漏水場所以及漏水量，提高漏水調(diào)查效率（見表2）；合理設(shè)置中途加氯站，降低藥耗，減少消毒副產(chǎn)物的生成（見圖2）。

表2 2011年東京市配水量構(gòu)成分析

圖2中途站點與余氯濃度、消毒副產(chǎn)物濃度、總水頭變化和水頭損失變化關(guān)系

③通過掌握災害、事故等影響范圍，提高應急水平。

配水區(qū)域管理也存在一定的不利點，例如區(qū)塊分界處滯留水伴隨余氯濃度的降低，容易引起水質(zhì)惡化；管網(wǎng)分隔、聯(lián)絡(luò)管及監(jiān)視儀器設(shè)備等需要一定的工程投資。

1.3配水池

配水池是出廠水的臨時貯水設(shè)施（有些配水池結(jié)合了水泵設(shè)施），可根據(jù)需水量擾動調(diào)整供水量。配水池的設(shè)置具有兩個主要目的：①通過水量調(diào)節(jié)，既保持凈水設(shè)施經(jīng)濟穩(wěn)定運行，又適應于居民生活用水需求變動；②應對緊急用水情況，儲備應對消防、災害事故、檢修停水所需水量。

配水池的容積，按照給水區(qū)域規(guī)劃年限內(nèi)最高日12 h給水量為標準；同時考慮供水穩(wěn)定性，計入消防流量。通常配水池有效水深為3~6 m，可設(shè)置水位計、取水設(shè)備，進行水質(zhì)監(jiān)視，也可設(shè)置中途加氯站。為增加供水可靠性，配水池應從不同處理廠進水（見圖3）。

圖3送配水系統(tǒng)示意

2東京市供水布局概況

以東京市為例，簡要說明給水管網(wǎng)布局理論的應用。東京市是日本的政治經(jīng)濟中心，2011年人口為1 318萬人。東京都水道局供水至23個行政區(qū)以及多摩地區(qū)26個城鎮(zhèn),供水系統(tǒng)包含了3條河流的取水口、11座主要凈水廠和41座主要給水所（配水池），以及26 219 km的配水管網(wǎng)。給水廠處理能力為686×10⁴ m³/d，給水所（配水池）的蓄水能力約為321×10⁴ m³，約為處理能力的46.8%。2011年的漏水率為2.8%。規(guī)劃送水管網(wǎng)為雙環(huán)形式，其中一部分仍在完善中（見圖4）。有些給水所（配水池）針對進流壓力過高的情況，設(shè)置有小型水力發(fā)電裝置，以取得節(jié)能效益（見圖5）。

圖4東京市送水管網(wǎng)示意

圖5給水所小型水力發(fā)電裝置示意

3啟示

給水管網(wǎng)合理布局關(guān)系水量、水壓和水質(zhì)等供水服務功能的滿足，同時也需要起到節(jié)能降耗的作用。通過對日本給水管網(wǎng)供水系統(tǒng)組成、配水分區(qū)和配水池三方面布局理論的討論，認為具有以下借鑒意義:

①應在良好的布局下，明確給水管道的功能性。通常規(guī)劃設(shè)計中，將管道分為輸水管、配水管，配水管道又分為配水干管和配水支管。但運行管理過程中，管網(wǎng)中各管段之間的水量、水壓和水質(zhì)相互作用，除連接水廠、蓄水設(shè)施、泵站的幾條管道功能性較明確外，管網(wǎng)中無論管徑大小，都難以分辨其是輸水管、配水干管還是配水支管。因此通過配水區(qū)域管理，可使管道的功能性更明確；即使在出現(xiàn)故障時，也便于調(diào)查、分析與管理；同樣可針對不同層次的管道，設(shè)定管材選擇、管道接口、閥門附件設(shè)置等要求。

②在管網(wǎng)區(qū)域化管理基礎(chǔ)上，有助于實現(xiàn)管網(wǎng)的分層次模擬，解決復雜計算問題。根據(jù)給水系統(tǒng)生產(chǎn)運行調(diào)度要求，便于直接以清水輸水管網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合水廠的供水壓力、供水流量、配水池的供水壓力和流量數(shù)據(jù)，建立供水管網(wǎng)調(diào)度模型。供水管網(wǎng)調(diào)度模型避免了宏觀給水管網(wǎng)模型對管網(wǎng)的“黑箱”（即避開給水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的描述）處理，管網(wǎng)簡化模型中對管道直徑選�。ɡ�如選取直徑為300 mm或500 mm以上管道作為模擬對象）、管道合并與刪除帶來的模型誤差問題。同時針對配水管網(wǎng)的設(shè)計、改擴建、故障診斷、管道沖洗等需求，可建立管網(wǎng)局部詳細模型。

③可充分發(fā)揮蓄水設(shè)施的作用。蓄水設(shè)施具有水量平衡、維持水壓、減小輸水管道尺寸和提高運行靈活性和效率的作用。配水管網(wǎng)的水量波動在蓄水設(shè)施處得以緩解，便于使輸水管道以較恒定速率供水，降低了管道尺寸。當管網(wǎng)中不設(shè)置蓄水設(shè)施時，能量、加氯均在水廠完成，使得管網(wǎng)長距離輸送過程中，造成水壓和余氯的損耗。而當中途有蓄水設(shè)施時，可減少管網(wǎng)中水壓和余氯的損耗，減少消毒副產(chǎn)物的生成。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2014年第22期“述評與討論”欄目）

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