城市给水工程的系统规划

1.2　城市给水工程的系统规划

1.2.1　城市给水系统组成

为满足城市和工业企业的各类用水需求，城市给水系统需要具备充足的水资源、取水设施、水处理设施和输水及配水管网系统。因此，城市给水工程按工作过程，可分为水源取水系统、给水处理系统和给水管网系统3个子系统。给水系统各部分间的功能关系如图1－1所示。

图1－1　给水系统功能关系示意

1．水源取水系统

水源取水系统包括选择水源及水源地、取水构筑物、抽升设备和输水管渠等，其主要任务是保证城市用水量。

2．给水处理系统

给水处理系统包括各种采用物理、化学、生物等方法的水质净化处理设备和构筑物。城市水厂一般采用传统的给水处理工艺，包括混凝、沉淀、过滤和消毒处理工艺和设施，工业用水的处理一般有冷却、软化、淡化、除盐等工艺和设施。

3．给水管网系统

给水管网系统包括输水管道、配水管网、水压调节设施(泵站、减压阀)及水量调节设施(清水池、水塔等)等，又称输配水系统。给水泵站和水塔如图1－2和图1－3所示。在输配水工程中，输水管道及配水管网较长，它的投资占很大比重，一般占给水工程总投资的50%～80%。

图1－2　给水泵站

图1－4为一个典型的城市给水系统组成示意图。取水构筑物1从江河取水，经一级泵站送往水处理设施2，处理后的清水由水厂内的二级泵站加压，经输水管道3至配水管网4，供应用户。为了调节水量，系统中设置了水塔5。加压泵站6和减压阀7为局部区域调节水压而设置。

图1－3　水塔

图1－4　城市给水系统组成示意

1—取水口;2—水厂;3—输水管道;4—城市配水管网;5—水塔;6—加压泵站;7—减压阀

1.2.2　城市给水系统的类型

1．按水源的数量分类

(1)单水源给水系统，即系统中只有一个水厂。清水经过泵站后进入输配水管网，所有用户的用水来源于一个水厂的清水池(库)。较小的给水管网系统，如企事业单位或小城镇给水管网系统，多为单水源给水管网系统，如图1－5所示。

(2)多水源给水系统，即有多个水厂的城市给水系统。清水从不同的水厂经输水管道进入配水管网，用户用的水可能来源于不同的水厂。较大的给水管网系统，如大中城市甚至跨城镇的给水管网系统，一般是多水源给水系统，如图1－6所示。

图1－5　单水源给水管网系统

1—地下水集水池;2—泵站;3—水塔;4—管网

图1－6　多水源给水管网系统

1—水厂;2—水塔;3—管网

这种系统便于分期发展，供水比较可靠，管网内水压比较均匀。对于一定的总供水量，城市给水系统的水源数目增多时，各水源供水量与平均输水距离减小，管道输水流量也比较分散，因而可以降低系统造价与供水能耗。但多水源给水系统的管理复杂程度有所提高。

2．按系统构成方式分类

根据城市规划、自然条件及用水要求等主要因素进行综合考虑，给水系统有多种形式，可结合具体情况分别采用，确保安全可靠和经济合理。

(1)统一给水系统，即系统中只有一套管网，统一供应城市的生产、生活和消防等各类用水，其供水具有统一的水压和水质。该系统工作构造简单、管理方便，广泛地应用于水质、水压差别不大的中小城市或工业区的给水系统。

(2)分区给水系统。在大城市中地势地形或功能上有明显的划分或自然环境(如山河、密集的铁路等)的分隔，可考虑采用分区的给水系统，按划分的区域分别设置给水系统。各区域的给水系统完全独立，互不影响。这种方式可以避免艰巨工程过多，投资过大，还可以增大供水的可靠性。

(3)分压给水系统。各区域管网具有独立的供水泵站，供水具有不同的水压。分压给水系统可以降低平均供水压力，避免局部水压过高的现象，减少爆管的概率和泵站能量的浪费。这种方式适用于地形高差大、管网延伸距离长或各区用水压力要求高低相差较大的城市。

分压给水系统的子系统之间有两种形式。一种是采用串联方式，设多级泵站加压;另一种是并联方式，不同压力要求的区域由不同泵站直接供水或同一泵站中的不同水泵直接供水。大型管网系统可能既有串联方式又有并联方式，以便更加节约能量。图1－7和图1－8分别为并联分压给水系统和串联分压给水系统。

图1－7　并联分压给水系统

1—清水池;2—高压泵站;3—低压泵站;4—高压管网;5—低压管网;6—水塔;7—连通阀门

图1－8　串联分压给水系统

1—清水池;2—供水泵站;3—加压泵站;4—低压管网;5—高压管网;6—水塔

(4)分质给水系统。分质给水系统可以是同一水源，也可以是不同的水源，经过不同的水处理过程和管网，将不同水质的水供给各类用户。城市各部分用水水质有高低不同的要求，且水量较大时，如果城市中有用水水质较低的工业用水和生活用水，可考虑采用分质给水系统。一个系统供生活用水，另一个系统供工业用水。这种方式可以减小水厂的供水规模和节省运行管理费用。图1－9和图1－10分别为同水源分质给水系统和不同水源分质给水系统。

图1－9　同水源分质给水系统

1—取水构筑物;2—一级泵站;3—净水厂;4—二级泵站;5—生活区;6—工厂区

3．按输水方式分类

(1)重力输水系统，即水源处地势较高，清水池(库)中的水依靠自身重力，经重力输水管进入配水管网并供用户使用。重力输水系统无动力消耗，是一种运行经济的输水系统。图1－11所示为重力输水系统。

图1－10　不同水源分质给水系统

1—管井;2—泵站;3—生活供水管网;4—生产供水管网;5—取水构筑物;6—工业用水处理构筑物

图1－11　重力输水系统

1—清水池;2—输水管;3—配水管网

(2)压力输水系统，即清水池(库)的水由泵站加压送出，经输水管进入管网供用户使用，甚至要通过多级加压将水送至更远或更高处用户使用。压力输水系统需要消耗动力。图1－7和图1－8所示均为压力输水系统。

1.2.3　给水工程系统规划的影响因素

在做给水工程的系统规划时，要根据地形条件，水源情况，城市和工业企业的规划，水量、水质和水压的要求，并考虑原有给水工程设施条件，从全局出发，通过技术经济比较决定。这里仅就城市规划、水源和地形3个因素加以分析。

1．城市规划

给水系统的规划应密切配合城市建设规划，做到统盘考虑、分期建设，既能及时供应生产、生活和消防用水，又能适应今后发展的需要。

根据城市的规划人口数，居住区房屋层数和建筑标准，城市现状资料和气候等自然条件，可得出整个给水工程的设计规模;从工业布局可知生产用水量分布及其要求;根据当地农业灌溉、航运和水利等规划资料，水文和水文地质资料，可以确定水源和取水构筑物的位置;根据城市功能分区，街道位置，用户对水量、水压和水质的要求，可以选定水厂、调节构筑物、泵站和管网的位置;根据城市地形和供水压力可确定管网是否需要分区给水;根据用户对水质要求确定是否需要分质供水等。

2．水源情况

任何城市都会因水源种类、水源距给水区的远近、水质条件的不同，影响到给水系统的规划。如水源处于适当的高程，能借重力输水，则可省去一级泵站或二级泵站或二者同时省去。城市附近山上有泉水时，建造泉室供水的给水系统最为经济简单。

城市附近的水源丰富时，往往随着用水量的增长而逐步发展成为多水源给水系统，从不同部位向管网供水。它可以从几条河流取水，或从一条河流的不同位置取水，或同时取地表水和地下水，或取不同地层的地下水等。我国许多大中城市，如北京、上海、天津等，都是多水源的给水系统。

3．地形条件

地形条件对给水系统的规划有很大影响。中小城市如地形比较平坦，而工业用水量小，对水压又无特殊要求时，可用统一给水系统。大中城市被河流分隔时，两岸工业和居民用水一般先分别供给，自成给水系统。随着城市的发展，再考虑将两岸管网相互沟通，成为多水源的给水系统。

1.2.4　城市分质供水系统的规划

随着社会的发展，人民生活水平得到提高，对水的消费需求增加。同时排放的污染物也大大增加，水污染加剧，导致水资源的缺乏。分质供水作为一种节约资源、降低成本的供水方式，变得日益重要和普及。城市给水工程规划应对城市分质供水给予广泛关注。

分质供水系统可以追溯到2000多年前的罗马城，当时建有双管道的分质供水系统，饮用水供居民饮用，非饮用水用于灌溉、冲洗、洗澡。但是近代以后，现代化的净水厂把经过统一处理的水，一并供应给城市各类用户，统一用作城市生活、工业用水甚至作为农业灌溉用水。除少数地区或个别部门外，几乎所有的城市都是这种单质供水。统一的单质供水为用户提供了很大的方便和灵活性，主管部门也易于统一建设管理。

在城市中，与饮用(含烹饪)直接有关的用水只占城市总用水量的很少一部分，不超过2%，而其他的非饮用水的水质基本上都可低于饮用水的水质。所以有限的优质水用于大量的非饮用途径，无疑造成了水资源的浪费。水污染的加剧使得水的净化处理费用增高，非饮用水的深度处理自然提高了制水成本，对本来就不足的给水设施的建设和运行产生了制约。水资源的短缺使得许多城市考虑开发利用非常规水源。沿海城市广泛利用海水作工业和生活杂用。污水回用技术的开发不仅减少了污染，又为城市补充了水源。受到一定程度污染的天然河湖中的水，可以作为城市低质需要用水。

随着社会和经济的发展，人民生活水平的日益提高，人们越来越希望身体健康，也更加关注饮用水的质量，因为饮水而产生的疾病占各种疾病的2/3以上。大部分城市的饮用水源受到了不同程度的污染，常规处理工艺只能去除悬浮物、胶体和细菌等。而对于有机污染物，特别是致突变物质，很难去除，导致自来水中存在有机化合物和其他有毒物质。所以深度处理饮用水并将饮用水和非饮用水分质供水变得越来越迫切。

从国内外城市分质供水的实践看，主要是“生活用”和“工业用”的分质，以及“饮用”和“非饮用”的分质，管道根数有二元或多元之分。日本的许多城市建有分质供水系统，主要由上水道、工业水道、中水道组成，分别供应生活用水、工业用水和杂用水(再生水)。如东京都地区的水厂有的以河水为水源，经过不同的处理流程，供应工业和生活用水;有的以污水厂二级处理水为原水作水源，供应工业或生活杂用。中水道以城市污水为水源，在建筑物或地区内建立系统，供生活杂用。在日本，工业用水的成本仅为生活用水的1/5，大大节约净水处理费用。美国也有20多个城市建有分质供水系统，多为饮用水和非饮用水二元供水系统。非饮用水多来源于未经处理或稍经处理的地面水及水质较差的地下水，也有经过处理后的再生水。主要用于工业冷却、浇灌绿地、冲厕、洗车、水景用水等。有的城市建有淡水和咸水两套系统，咸水以海水作水源用于消防和清洁冲洗。

我国有一些城市实行分质供水，多用于城市中工业较集中的区域，对工业用水和生活用水实行分质供水。如上海金山工业区，由不同水厂、几种管道多元分质供水:工业水厂根据各分厂的不同要求，分成生产用水系统、低胶硅系统、原水系统;海水厂供应海水给电厂和化工厂;生活水厂供生活区和工业区的生活用水。兰州的西固水厂也采用分质供水系统，把原水经过一次沉淀后供应电厂，二次沉淀后供应兰州化工厂、炼油厂，过滤水供生活饮用。秦山核电站也采用多元分质供水系统，海水作为冷却水，取自杭州湾;河水水源根据不同来源和处理流程，分为生产用水、化学用水和生活用水3种分质系统。

在城市中实行分质供水可以合理利用水资源，节省大量饮用水，保证优质优用;能节省净水处理费用，降低制水成本;还可开发新的水源(如海水、再生水、微咸水、雨水等)，克服城市水资源的短缺。此外，分质供水通过“优质优价”，可以强化节水意识，减少市民对饮用水的浪费。当然，分质供水因增加了管道系统使造价升高，管理上也较复杂，但从长远看，其优势是很明显的，近年来分质供水成为很多城市的给水部门考虑的内容。

城市分质供水在城市未来发展中将占越来越大的比重，它对保证城市供水的安全可靠性具有重要的意义。城市分质供水规划时，应考虑如下问题。

(1)城市分质供水规划应符合城市给水排水工程规划通常的原则和方法。规划时，应充分了解城市现状、发展方向和水资源情况，考虑分质供水的意向，对城市水量的预测、水资源选择、管道系统布置等都应一并分析研究。如当地水源不能满足规划用水量要求时，首先考虑开发其他非常规水源的可能性，考察分质供水的实施;其次研究采用长距离或跨流域引水。如我国南方地区有很多受到污染的低质水，难以作为饮用水源，可以考虑用作低质用途，与生活饮用水分质。

(2)一个城市不一定全部实施分质供水，分质供水大部分用于局部区域和特定的功能区。规划时应明确用水区界或单位，管网系统应与城市总体管道系统相协调，不能出现不同水质管道误接的情况。管线综合时，应认真进行这些地方的管道布置，避免施工、检修和管理上的麻烦。在用地规划时，应考虑分质供水系统的用地要求。

(3)分质供水尤其要注意不同规划期的安排，考虑建设分期。新建城区很可能出现不同水处理设施和不同管道不同期建设的情况，出现不同水质水交叉使用。规划时，应考虑合理过渡。旧城改造时，应随道路改建同时改造供水系统。如在工业区，可仍用旧输水管道输送工业用水，另铺设小口径管道输送饮用水到公共设施和生活集中区。要求公建和生活设施相对集中，以减少管网费用。

(4)城市供水分质与否及如何分质，要根据城市具体条件，经过技术经济比较，从长远利益和近期建设入手，综合考虑，不能盲目照搬，造成建设的失误。