浅谈室外给水管道工程设计Word文档下载推荐.docx
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不过特别是居住小区的给水管道一般管径较小，单靠水力计算表不容易确定管径。
可以参考《水工业工程设计手册·
建筑和小区给水排水》（中国建筑工业出版社２０００．１２）中提出的一个界限流量表，并结合地方经验来确定。
二、平面布置
相关规范中提出配水管线尽量布置在道路外侧。
实际工作中，城市规划部门出于对所有地下管线的综合考虑，有可能安排在机动车道或慢车道下。
随着城市道路等级的逐渐提高，以及地下管线的复杂程度的提高，应考虑适当多增加一些甩口，以满足城市美化和生产生活的需要。
同时供水主干管上也不宜开口过多，可考虑结合地下旁通式消防甩口。
一般在城市规划和城市配水管网的初步设计中，较少考虑铺设复线。
实际上在交通密集路段、道路横断面较宽路段（规范规定大于５０米）以及市区输水干线管径较大的路段，都应考虑铺设复线，
另外，城市地下管线布置综合管廊，距离一般城市还较遥远，如果给水管线布置在车道下面，最好尽量减少在车道上做井。
除必不可少的干线闸、排气等井外，像分线闸、地下旁通式消防等井尽量甩到便道上。
国外的道路一般比较整洁，在这方面值得我们学习。
三、埋深
城市管线综合规划一般都本着“有压让无压”的原则。
规划部门在管线交叉时，喜欢将给水管线深埋；
而水司在满足冰冻和荷载的情况下，出于维护和造价的考虑，喜欢浅埋。
在实际工作中，市政地下管线越来越复杂，给水管线在不断穿越其他管线后，可能会造成给水管道频繁的上下起伏。
不仅会增加很多的排气、增大水头损失，还可能增加隐患点。
所以在管线穿越障碍时，尽量从全段角度综合考虑，局部上返还是下返，少陡峭变化，多平缓过渡；
少一些曲折，多一些顺直。
另外，在闸门、排气等处的埋深还要考虑井室的形状和大小。
一般井室对埋深有最小要求，所以在涉及到井室处的管段的埋深要考虑井室的影响。
四、附属构筑物
国家标准图集对闸井尺寸的考虑过去主要出于闸阀的尺寸较大，而现在在体积较小的蝶阀和新型闸阀被日益广泛采用的情况下，几十年一贯制的国家标准图集就显得有些跟不上形势。
国家标准图集对支墩的做法，也主要按照刚性接口来考虑的。
而如今在用胶圈柔性接口的球墨铸铁管得到普遍使用的情况下，各地应该因地制宜，制定适合当地情况的支墩和井室图集。
城市排水系统新思维
污水深度、超深度处理技术已实用化，城市总体规划与给水排水系统规划都应重新考虑，应将城市污水视为可贵的淡水资源。
把污水深度处理与再生回用放到重要位置上，恰当地确定排水分区、污水净化厂的位置与个数，改变下游高度集中处理的做法。
在新建和扩建污水处理厂时，要选择经济实用的污水深度处理系统，发展污水再生回用事业并合理利用污水处理厂的污泥。
城市排水
排水系统
我国是一个水资源相对贫乏、时空分布又极不均匀的国家。
由于我国城市化进程的加快和国民经济的高速发展，水环境污染和水资源短缺日趋严重。
目前，许多城市由于水资源不足影响了当地的社会经济发展，全国每年因为水资源短缺而造成的经济损失高达2000多亿元。
造成水资源紧张的主要原因：
一是水资源总量先天不足；
二是水质日趋恶化，不能满足水体正常使用的功能要求。
据统计1997年全国建制市污水产生量351
亿m3
，2020年预计将达536
亿m3；
而相比之下，污水处理率却增长缓慢，1997年实际处理污水量为1292万m3/d，处理率仅为13.4%，如果考虑到污水处理设施由于各种原因运行不正常的状况，污水达标排放率仅百分之几而已。
其中，绝大部分的污水直接排入江河湖海中，造成水体污染，破坏了天然水体的良性循环。
据报道，目前全国城市水源只有30%符合卫生标准，全国七大水系有一半以上江段被污染，流经42个大中城市的44条河流中有93%被污染［1］。
恢复我国水环境是解决我国水资源不足的根本所在。
其主要途径就是在各城市修建和完善污水处理厂，提高污水处理程度，努力促进水的健康循环。
值得庆幸的是，人们已经开始逐步认识到水在社会发展中的重要地位，在建设部城市污水处理规划中提出要在2010年前增建
1000余座污水处理厂，使处理能力增加到5000万～6000万m3/d，污水处理率将达40%左右。
本文就排水系统的功能、规划和思想原则等方面提出一些思路，以期能引起社会对排水系统和水健康循环的关注。
1 水污染控制及排水系统发展历程
随着社会的发展和人们环境意识的增强，我国水污染控制经历了由单一污染源的治理、污染物浓度达标排放到区域污染综合防治、以环境容量为依据的污染物排放总量控制的两个阶段。
在20世纪70年代末期之前，主要采取的是点源治理策略，显然不足以防止水环境的污染。
80年代开始进入污染综合防治和总量控制阶段。
在过去的几十年中，由于我国的污染防治工作一直摆脱不了点源治理、达标排放、三同时和谁污染、谁治理的政策，实际结果并不理想。
据国家环保总局对我国5556套工业废水处理设施调查结果表明，三个效率（污染治理设施的运行率、设备利用率、污染物去除率）较好的仅占运行设施总数的35.7%，其污染物去除率达到设计能力的只有50%，总体有效投资只占全部处理设施总投资的31.3%，只有不足1/3的设备发挥作用［2］。
由此可见原有污水处理系统的规划、设计、思想原则中存在不少问题，已不再适应当前我国经济发展和环境保护的要求。
2 排水系统的功能
传统观念上的排水系统是以防止雨洪内涝、排除和处理污水、保护城市公共水域水质为目的，认为污水是有害的、应尽快排除到城市下游。
这种观念导致的结果往往是保护了局部的生活环境，危害了广大流域地区。
实际上，良好的水环境不是局部地域的，它的范围是整个流域的乃至全球的。
给水系统和排水系统好比是城市水循环的动脉与静脉，排水系统起到回收城市污水和净化再生，畅通城市水循环的作用。
21世纪排水系统的定位应从以前的防涝减灾、防污减灾逐步转向污水的资源化，从而恢复健康水循环和良好水环境，维系水资源可持续利用。
事实证明：
污水深度处理与再生回用是恢复水环境的必由之路，其社会效益、环境效益与经济效益已为世界各国所瞩目。
在这方面每一个点滴进步都是对人类社会的贡献。
3 排水系统的规划
在污水深度处理、超深度处理、污水再生回用已经实用化了的今天，城市总体规划与给水排水系统规划都应当重新考虑，将污水的再生和回用放到重要位置上来。
在进行排水系统规划时，应对整个城市的功能分区、工农业分布、排水管网及污水处理现状等做周密的调查，调查现有的和预测潜在的再生水用户的地理位置及水量与水质的需求，并将这种结果反映到给排水专业规划中。
恰当地确定排水分区、污水净化厂的位置与个数，改变将污水处理厂摆放在城市最下游进行高度集中处理的传统做法。
在进行新建和扩建污水处理厂的设计时，要近远期结合考虑污水回用的需要，选择污水深度处理系统，预留污水深度处理的发展用地，使污水处理、深度处理系统和回用系统的总投资之和为最小。
在进行排水管网的规划时，要把雨水、污水的收集、处理和综合利用结合起来，逐步转变目前的雨、污水合流制或不完全分流制系统为完全的分流制系统。
雨、污水的分流有利于对不同性质的水采用不同方法处理和控制，有利于雨水的收集、贮存、处理和利用，避免洪涝灾害，增加城市可用水资源，同时也有利于减轻城市面源污染。
在规划中还应该引起注意的是应妥善处理和处置城市污水处理厂产生的大量污泥，避免产生二次污染，危害城市环境。
目前较多的是将污泥填埋，这不但需要大量的土地，而且废弃了大量污泥资源。
因此污泥处置的最终出路应该是作为农业肥料--充分利用污泥中富含的N
，P，K等营养物质，既可避免污染，又可创造经济效益。
3.1 污水处理厂的选址与数目
按照传统规划方法，污水处理厂厂址要根据污染物排放量控制目标、城市布局、受纳水体功能及流量等因素来选择，一般尽可能地安放在各河系下游、城市郊区。
但是这种系统布局使污水厂距离再生水用户较远，需铺设的回用水管网费用相应增加，不利于污水的资源化。
因此，在确定污水处理厂厂址时，还应对再生水的用户进行调查分析（城市中的自然水面、小河、绿地和工业再生水用户），并根据回用水的需求，在城市中适当位置设置污水净化厂（再生水厂），收集附近区域的城市污水，根据回用水质要求加以处理之后就近回用。
根据长期的实践经验，建设大型的污水处理厂可以发挥规模效益，降低建设费用和日常运行费用，但这种观点并没有考虑到污水回用的因素，如果考虑再生水的回用所需铺设的输水管道、提升泵站等费用，考虑改善城市水环境以及因为污水回用减轻城市排水管网系统的负担所带来的经济效益，那么可以肯定，在城市下游建立集中的大型污水处理厂，在经济上并不是最优的，也是和促进污水回用相悖的。
因为污水厂的数目过少，势必远离再生水用户，加大回用水输送管道的距离和投资，增加回用水成本，不利于污水回用。
因此，城市污水厂的数目不应拘泥于传统经验，而应该依据城市实际中水回用的需要在适当位置建设合适规模的污水处理厂，使得整个城市形成大、中、小，近、远期相结合的污水处理厂布局规划。
这样，既有利于污水回用，又减轻了城市排水管网系统的负担，易于实现分期建设，符合我国当前国情。
3.2 处理工艺流程的选择
污水处理的方法较多，按照不同的分类标准可以分成不同的工艺流程。
因此应该根据污水水质和回用水水质的要求，对水处理单元进行多种组合，通过技术经济比较来选择出经济可行的污水处理流程。
这就要求在确定工艺流程的时候增加对该厂附近地区污水再生水需求情况的调查，以便对处理工艺进行适当的延长和完善，即可满足污水回用水质的要求。
例如：
当处理后的污水规划作为农田灌溉用水时，选择工艺流程时就可以不考虑或不注重其除磷脱氮效果，而侧重于其对水中病菌、重金属等的去除，因此工艺流程的选择不应该采用诸如A2
/O法等，而可以采用传统的活性污泥法等方法；
而作为工业循环冷却水回用时，就需注意去除表面活性剂等容易起泡的物质，尽量减少引起循环水设备堵塞、腐蚀和结垢现象的物质。
污水二级处理是污水再生的基础，但是一般都还需要进行不同程度的深度处理，才能达到再生水用户的水质要求。
二级水经简单的澄清过滤，可以达到工业冷却水的水质要求；
如果作为地下水回灌用水，由于其水质要求较高，需达到饮用水水质标准，因此很有可能需要采用反渗透、钠滤膜等膜分离技术才能满足处理要求。
3.3 技术经济分析
在进行经济分析、方案比选时，在满足出水水质各项指标前提下，除要考虑费用与技术等因素外，还应考虑该方案是否有利于实现污水资源化--既是在原有技术经济分析因子的基础上，增加促进污水资源化和环境质量的改善这两个重要的比较因子。
虽然目前我国投入到污水厂建设的资金较为有限，要在全国范围内普遍地实现污水资源化还需要一个认识过程，但是必须注意到这将是解决我国水问题的有效途径。
应该从现在开始在有条件的城市和地区率先实现污水处理和再生利用，要努力探求适合我国国情的污水回用途径和相应的处理方法。
在各地污水处理厂建设方案的比较中，应从长远观点考虑该方案实施之后，对于解决当地水污染、缓解水资源短缺是否具有最大贡献，全面统筹考虑方案的短期、长期的费用效益比，以便选择一个真正有利于当地水环境好转的优化设计方案。
4 结语
随着全球城市化的发展，排水系统在社会可持续发展中起着越来越重要的作用，污水处理是城市水环境改善的一个极其重要的方面。
但是，污水达标排放，并不是排水系统的最终目标，而是更艰巨的治理工作的开端。
在新的形式下，排水系统被赋予了新的使命。
排水系统是水循环中水质与水量的连接点，再生水利用是良好水循环中质与量的桥梁。
污水的资源化、污水的再生和利用既提高了水的利用率，又有效地保护了水环境，有利于实现城市水系统的健康、良性循环，从长远来看，这将是有效地解决我国水资源短缺和水环境恶化问题的优化途径。
参考文献
1 张忠祥，钱易.城市可持续发展与水污染防治对策.北京：
中国建筑工业出版社，2000
2 郝明家，王莹.城市水污染集中控制指南.北京：
中国环境科学出版社，1996
◇作者通讯处：
150090
哈尔滨工业大学市政环境学院
○电话：
（0431）5627048
○收稿日期：
2002-1-23
城市排水管道系统设计计算的进展
在市政建设和环境治理工程建设中，雨水和污水管道系统常占有较大的投资比例。
因此如何在满足规定的各种技术条件下，合理设计城市排水管道系统是设计中的一个重要课题。
从已定管线下的优化设计、管线的平面优化布置和雨水径流模型的研究3方面论述了排水管道系统设计计算发展中出现的方法及需要解决的问题。
从中可以看出，今后仍需投入大量精力来研究和完善其设计计算方法。
排水管道系统
优化设计
平面布置
径流模型
0 引言
排水系统是现代化城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪的骨干工程。
其中，生活住宅区和工矿企业的雨水和污水管道系统投资一般占整个排水系统的投资70%左右
［1］
。
因此，设计时如何在满足规定的各种技术条件下，尽量降低管道系统的基建费用是设计工作中的一个重要课题。
传统排水管道系统的设计计算方法是：
设计人员在掌握了较为完整可靠的设计基础资料后，按照管道定线和平面布置的原则，确定出一种较为合理的污水管道平面布置图。
然后计算出各设计管段的设计流量，以水力计算图或水力计算表及有关的设计规定作为控制条件，从上游到下游依次进行各设计管段的水力计算，求出各管段的管径、坡度以及在检查井处的管底标高和埋设深度。
计算中，一般只是凭经验对管段的管径和坡度等进行适当的调整，以求达到经济合理的目的，但其合理程度受到设计人员个人能力的限制；
另一方面，大多数计算采用反复查阅图和表的方法进行，工作效率低，时间长，不利于设计方案的优化。
自20世纪60年代开始，国际上在经验总结和数理分析的基础上，逐步建立起了各种给水排水工程系统或过程的数学模型，从而发展到了以定量和半定量为标志的给水排水工程“合理设计和管理”的阶段。
与此同时，对于各种类型的给水排水系统，开展了最优化的研究和实践
［2］
为了探求排水管道系统的最优设计计算方法，国内外许多科研、设计、教学单位和个人进行了不少的工作，发表了大量的文章。
从研究成果来看，应用计算机进行排水管道的设计计算，不仅把设计人员从查阅图表的繁重劳动中解脱出来，加快了设计进度，而且整个排水管道系统得到了优化，提高了设计质量。
所确定的最优方案与传统方法相比，可降低10%以上的工程造价
［3］
排水管道系统是一个庞大而复杂的系统，从已有的研究成果来看，其设计计算主要涉及到3方面的内容：
（1）在管线平面布置已定情况下进行管段管径-埋深的优化设计；
（2）管线平面布置的优化选择；
（3）雨水径流模型的建立。
合流制排水管道系统通常具备溢流设施，用以限制输送至当地污水处理厂的水量。
由于溢流出来的雨水也就近排入河道，因此从水量角度而言，合流制排水系统对于排水区域的影响与分流制雨水系统实际上是相同的
［4］
1 已定管线下的管道系统优化设计
对于在管线平面布置已定情况下进行管段管径-埋深的优化设计问题，国内外做了大量开拓性工作，取得了丰硕成果。
最优化方法一般分为两种：
间接优化法和直接优化法。
间接优化法也称解析最优化，它是在建立最优化数学模型的基础上，通过最优化计算求出最优解；
而直接最优化方法是根据性能指标的变化，通过直接对各种方案或可调参数的选择、计算和比较，来得到最优解或满意解
［5］
1.1
直接优化法
在排水管道优化设计中，应用直接优化方法者认为
［6～8］
：
虽然排水管道计算采用的水力计算公式很简单，但是由于管径的可选择尺寸不是连续变化的，不能任意选择管径；
最大充满度的限制又与管径大小有关；
关于最小设计流速、流速变化（随设计流量增加而增大）及其与管径之间关系的约束条件等都很复杂，也不能用数学公式来描述。
因此，很难建立一个完整的求解最优化问题的数学模型来用间接最优化方法求解。
相对而言，用直接最优化方法来解决这个问题具有直接、直观和容易验证等优点。
1.2
间接优化法
应用间接优化方法者认为：
随着优化技术的发展，尽管排水管道系统设计计算中存在着关系错综复杂的约束条件，只要对其中的某些条件适当取舍，合理地应用数学工具，就可以把它简化、抽象为容易解决的数学模型，通过计算得出最优解。
根据出现的时间和使用的数学方法，间接优化方法主要分以下几类：
1.2.1 线性规划法
线性规划法是最优化方法中最常用的一种算法，它可以解决排水管道设计中的许多问题，同时也可对已建成的排水管道进行敏感性分析。
它的缺点是把管径当作连续变量来处理，这就存在计算管径与市售规格管径相矛盾的问题
［9］
而且将所有目标函数和约束条件均化为线性函数，其预处理工作量大，精度难以得到保证。
1.2.2 非线性规划法
为了适应排水管道系统优化设计中目标函数和约束条件的非线性特征，1972年Dajani和Gemmell建立了非线性规划模型
［10］
该方法基于求导原则，即目标函数的导数为零的点，就是所求的最优解。
它可以处理市售规格管径，但当无法证明排水管道费用函数是一个单峰值函数时，得到的计算结果可能是局部最优解，而非全局最优解。
1.2.3 动态规划法
1975年，由Mays和Yen首先把动态规划法引入到排水管道系统优化设计中
［11］
，目前该方法在国内外仍得到广泛的应用。
它在应用中分为两支：
一支是以各节点埋深作为状态变量，通过坡度决策进行全方位搜索，其优点是直接利用标准管径，优化约束与初始解无关，却能控制计算精度，但要求状态点的埋深间隔很小，使存储量和计算时间大为增加
［12］
为了节省运算时间，1976年由Mays和Yen引入了拟差动态规划法。
拟差动态规划法是在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过程，可以显著地减少计算时间和存储量，但在迭代过程中有可能遗漏最优解，而且在复杂地形条件下处理跌水、缓坡情况时受到限制
［13～14］
另一支是以管径为状态变量，通过流速和充满度决策进行搜索
［15］
由于标准管径的数目有限，较以节点埋深为决策变量方法在计算机存储和计算时间上有显著优势。
最初的动态规划对每一管段管径选取的一组标准管径中有些管径并不一定是可行管径。
因此发展出可行管径法，该方法通过数学分析，对每一管段的管径采用满足约束条件的最大和最小管径及其之间的标准管径，构成可行管径集合，进而应用动态规划计算。
可行管径法使得优化计算精度得以提高，并显著减少了计算工作量和计算机内存储量
［16］
动态规划法是解决多阶段决策问题最优化的一种有效方法，无论是利用节点埋深还是利用管段管径作为状态变量，并没有充足的证据能够证明阶段状态的“无后效性”（“无后效性”是指当给定某一阶段的状态时，在以后各阶段的行进要不受以前各阶段状态的影响）。
因此，用动态规划法求出的污水管道系统优化设计方案并不一定是真正的最优方案。
1.2.4 遗传算法
遗传算法是近几年迅速发展起来的一项优化技术，它是模拟生物学中的自然遗传而提出的随机优化算法
［17］
它仍采用规格管径作为状态变量，可以同时搜索可行解空间内的许多点，通过选择、杂交和变异等迭代操作因子，最终求得满意解。
一般在解决中小型管道系统优化设计时，可以求得最优设计方案；
尽管搜索方法具有一定的随机性，当解决大型管道系统问题时，遗传算法仍可以求得趋近于最优解的可行方案
［18］
总之，在排水管道系统优化设计技术的发展过程中，间接优化法和直接优化法同时在应用着，都在不断地改进和完善。
这两种方法的共同点是都以设计规范要求及管径、流速、坡度、充满度间的水力关系为约束条件，以达到费用最小为目标。
2 管线的平面优化布置
研究人员在解决已定管线下的排水管道系统优化问题的同时就已经指出，对不同定线方案的优化选择更具有适用价值。
但由于已定管线下的设计是管线平面布置的基础，加上目前已定管线下的优化设计计算并不成熟，造成了系统平面优化布置的进展甚微。
最早着手这方面研究的是J.C.Liebman（1976）。
在他的研究中，撇开水力因素，假定每一管段管径相同，以挖方费用为优选依据，选择一初始布置方案，然后用试算法逐步进行调整。
此后Argaman（1973）和Mays（1976）在平面布置方案中引入排水线（Drainage
Line）的概念，将排水区域内与最终出水口节点（即检查井）相距同样可行管段数的节点用一根排水线连接起来。
对任一排水线，上游的流量在该排水线流向下游
［19］
这样，管线平面布置方案的优选问题转化为最短路问题，可用动态规划法求解。
此模型已经考虑到水力因素，但由于排水线的引入，寻优过程的搜索范围被限制在平面布置方案可行域中的很小一部分，即使是具有丰富设计经验的人员亦有可能把最优的方案排除在外。
再加上其所需存储最大和计算时间长的特点，此法仍是无法实现。
1982年，Walters对该方法进行了改进，曾应用于公路排水系统的设计。
随着时间的推移，研究人员发现，城市排水系统平面布置能够抽象为由点和线构成的决策图，于是转向从图论中寻找平面优化布置的方法。
1983年，P.R.Bhave和J.F.Borlow将网络图论中的最小生成数算法应用于排水管道系统平面布置方案的优选。
假定系统中的每一管段具有相同的权重（Weight），避开水力因素，用定权方法来求解。
1986年，S.Tekel和H.Belkaya又应用了3种权值来解决：
（1）各管段地面坡度的倒数；
（2）各管段的管长；
（3
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