日本給水管網布局理論與啟示
日本給水管網布局理論與啟示
李樹平
(同濟大學環境科學與工程學院，上海200092)
摘要：如何使供水管網具有合理布局，適應城市發展，滿足用戶需求，減少漏水和節約能耗藥耗，是自來水行業面臨的重要任務。日本在城市給水管網布局理論方面具有很強的代表性，為此從供水系統組成、配水分區和配水池三方面介紹了日本給水管網布局理論，并簡要說明了東京市給水管網的應用狀況，最后提出在明確管段功能、管網分層次模擬和充分發揮蓄水設施作用等方面的啟示。
隨著城市的發展，由于對供水管網缺乏整體控制，致使城市供水管網布局混亂，給運行管理帶來巨大挑戰，主要體現在以下四方面：①由于長距離管路的摩擦損失和水質反應，致使壓力下降顯著、水質惡化，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為掌握管網總體狀態，各種流量、壓力和水質監測點布置困難，管網建模工作量大且效果差。因此，如何使供水管網具有合理布局，是自來水行業面臨的重要任務。日本的城市給水管網布局理論不失為一種典型狀況，為此將從供水系統組成、配水分區和配水池三方面介紹日本給水管網布局理論，以供參考借鑒。
1日本給水管網布局
1.1供水系統組成
為滿足穩定水量、安全水質、適當水壓、抗震、設施更新改造等要求，日本水道協會將供水系統劃分為取水設施、導水設施、凈水設施、送水設施、配水設施和給水設施六部分,具體情況如圖1所示。盡管導水、送水、配水和給水設施作為專業術語應用，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成了城市送配水系統。送水管道連接凈水廠和配水池，在合適的壓力下以穩定方式供水。配水池根據當地的供水壓力，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供水系統構成示意
表1輸水設施特征
1.2配水分區
通常整個給水區域劃分為多個配水區。一個配水分區至少包含一座配水池；如有必要，可以設置多座配水池。通常情況下配水池和配水干管構成配水分區；進一步細化后，配水支管構成了配水支管分區。配水分區應考慮最大配水量、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、經濟。配水支管分區根據相應標高設定增壓和減壓分區。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。設計中按照配水區的劃分，進行配水管網的水力計算，保證高峰時間整個配水區域內的水壓。
通過配水區域管理，具有以下優點：
①便于了解管網運行的實時狀況，方便布置流量、水壓以及水質信號監測系統，容易掌握管網運行狀況，可為管網模擬和監測調度提供準確信息；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提高管網的日常配水管理和維護水平，合理設定減壓、增壓區域，便于水壓管理，提高設備的運行效率，節約能耗；便于管網的配水量分析與管理，最小化漏水修理伴隨的斷水區域，容易確定漏水場所以及漏水量，提高漏水調查效率（見表2）；合理設置中途加氯站，降低藥耗，減少消毒副產物的生成（見圖2）。
表2 2011年東京市配水量構成分析
圖2中途站點與余氯濃度、消毒副產物濃度、總水頭變化和水頭損失變化關系
③通過掌握災害、事故等影響范圍，提高應急水平。
配水區域管理也存在一定的不利點，例如區塊分界處滯留水伴隨余氯濃度的降低，容易引起水質惡化；管網分隔、聯絡管及監視儀器設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施（有些配水池結合了水泵設施），可根據需水量擾動調整供水量。配水池的設置具有兩個主要目的：①通過水量調節，既保持凈水設施經濟穩定運行，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，按照給水區域規劃年限內最高日12 h給水量為標準；同時考慮供水穩定性，計入消防流量。通常配水池有效水深為3~6 m，可設置水位計、取水設備，進行水質監視，也可設置中途加氯站。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，簡要說明給水管網布局理論的應用。東京市是日本的政治經濟中心，2011年人口為1 318萬人。東京都水道局供水至23個行政區以及多摩地區26個城鎮,供水系統包含了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。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%。規劃送水管網為雙環形式，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，設置有小型水力發電裝置，以取得節能效益（見圖5）。
圖4東京市送水管網示意
圖5給水所小型水力發電裝置示意
3啟示
給水管網合理布局關系水量、水壓和水質等供水服務功能的滿足，同時也需要起到節能降耗的作用。通過對日本給水管網供水系統組成、配水分區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。通常規劃設計中，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，管網中各管段之間的水量、水壓和水質相互作用，除連接水廠、蓄水設施、泵站的幾條管道功能性較明確外，管網中無論管徑大小，都難以分辨其是輸水管、配水干管還是配水支管。因此通過配水區域管理，可使管道的功能性更明確；即使在出現故障時，也便于調查、分析與管理；同樣可針對不同層次的管道，設定管材選擇、管道接口、閥門附件設置等要求。
②在管網區域化管理基礎上，有助于實現管網的分層次模擬，解決復雜計算問題。根據給水系統生產運行調度要求，便于直接以清水輸水管網為基礎，結合水廠的供水壓力、供水流量、配水池的供水壓力和流量數據，建立供水管網調度模型。供水管網調度模型避免了宏觀給水管網模型對管網的“黑箱”（即避開給水系統內部結構的描述）處理，管網簡化模型中對管道直徑選取（例如選取直徑為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。同時針對配水管網的設計、改擴建、故障診斷、管道沖洗等需求，可建立管網局部詳細模型。
③可充分發揮蓄水設施的作用。蓄水設施具有水量平衡、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。配水管網的水量波動在蓄水設施處得以緩解，便于使輸水管道以較恒定速率供水，降低了管道尺寸。當管網中不設置蓄水設施時，能量、加氯均在水廠完成，使得管網長距離輸送過程中，造成水壓和余氯的損耗。而當中途有蓄水設施時，可減少管網中水壓和余氯的損耗，減少消毒副產物的生成。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2014年第22期“述評與討論”欄目）
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