日本给水管网布局理论与启示
日本给水管网布局理论与启示
李树平
(同济大学环境科学与工程学院，上海200092)
摘要：如何使供水管网具有合理布局，适应城市发展，满足用户需求，减少漏水和节约能耗药耗，是自来水行业面临的重要任务。日本在城市给水管网布局理论方面具有很强的代表性，为此从供水系统组成、配水分区和配水池三方面介绍了日本给水管网布局理论，并简要说明了东京市给水管网的应用状况，最后提出在明确管段功能、管网分层次模拟和充分发挥蓄水设施作用等方面的启示。
随着城市的发展，由于对供水管网缺乏整体控制，致使城市供水管网布局混乱，给运行管理带来巨大挑战，主要体现在以下四方面：①由于长距离管路的摩擦损失和水质反应，致使压力下降显著、水质恶化，引起不必要的能量和消毒剂浪费；②管线连接复杂，导致事故抢修时停水影响范围大且时间长；③由于存在地形标高差，导致水量、水压供应不均衡；④为掌握管网总体状态，各种流量、压力和水质监测点布置困难，管网建模工作量大且效果差。因此，如何使供水管网具有合理布局，是自来水行业面临的重要任务。日本的城市给水管网布局理论不失为一种典型状况，为此将从供水系统组成、配水分区和配水池三方面介绍日本给水管网布局理论，以供参考借鉴。
1日本给水管网布局
1.1供水系统组成
为满足稳定水量、安全水质、适当水压、抗震、设施更新改造等要求，日本水道协会将供水系统划分为取水设施、导水设施、净水设施、送水设施、配水设施和给水设施六部分,具体情况如图1所示。尽管导水、送水、配水和给水设施作为专业术语应用，它们均具有输水功能，同时又具有不同的要求（见表1）。其中送水管道、配水池和配水管道共同构成了城市送配水系统。送水管道连接净水厂和配水池，在合适的压力下以稳定方式供水。配水池根据当地的供水压力，满足用户水量变化要求。配水管道分布在整个城市，可再细分为配水干管和配水支管。
图1供水系统构成示意
表1输水设施特征
1.2配水分区
通常整个给水区域划分为多个配水区。一个配水分区至少包含一座配水池；如有必要，可以设置多座配水池。通常情况下配水池和配水干管构成配水分区；进一步细化后，配水支管构成了配水支管分区。配水分区应考虑最大配水量、地形地貌、配水干管的分布状况和配水池的位置，尽可能合理、经济。配水支管分区根据相应标高设定增压和减压分区。为提高供水可靠性，连接管连接相邻配水干管，配水干管连接配水支管分区。设计中按照配水区的划分，进行配水管网的水力计算，保证高峰时间整个配水区域内的水压。
通过配水区域管理，具有以下优点：
①便于了解管网运行的实时状况，方便布置流量、水压以及水质信号监测系统，容易掌握管网运行状况，可为管网模拟和监测调度提供准确信息；掌握不同用地类型下需水量的变动，便于需水量的准确预测；合理化新建、改建、更新配水管的维护计划。
②提高管网的日常配水管理和维护水平，合理设定减压、增压区域，便于水压管理，提高设备的运行效率，节约能耗；便于管网的配水量分析与管理，最小化漏水修理伴随的断水区域，容易确定漏水场所以及漏水量，提高漏水调查效率（见表2）；合理设置中途加氯站，降低药耗，减少消毒副产物的生成（见图2）。
表2 2011年东京市配水量构成分析
图2中途站点与余氯浓度、消毒副产物浓度、总水头变化和水头损失变化关系
③通过掌握灾害、事故等影响范围，提高应急水平。
配水区域管理也存在一定的不利点，例如区块分界处滞留水伴随余氯浓度的降低，容易引起水质恶化；管网分隔、联络管及监视仪器设备等需要一定的工程投资。
1.3配水池
配水池是出厂水的临时贮水设施（有些配水池结合了水泵设施），可根据需水量扰动调整供水量。配水池的设置具有两个主要目的：①通过水量调节，既保持净水设施经济稳定运行，又适应于居民生活用水需求变动；②应对紧急用水情况，储备应对消防、灾害事故、检修停水所需水量。
配水池的容积，按照给水区域规划年限内最高日12 h给水量为标准；同时考虑供水稳定性，计入消防流量。通常配水池有效水深为3~6 m，可设置水位计、取水设备，进行水质监视，也可设置中途加氯站。为增加供水可靠性，配水池应从不同处理厂进水（见图3）。
图3送配水系统示意
2东京市供水布局概况
以东京市为例，简要说明给水管网布局理论的应用。东京市是日本的政治经济中心，2011年人口为1 318万人。东京都水道局供水至23个行政区以及多摩地区26个城镇,供水系统包含了3条河流的取水口、11座主要净水厂和41座主要给水所（配水池），以及26 219 km的配水管网。给水厂处理能力为686×104 m3/d，给水所（配水池）的蓄水能力约为321×104 m3，约为处理能力的46.8%。2011年的漏水率为2.8%。规划送水管网为双环形式，其中一部分仍在完善中（见图4）。有些给水所（配水池）针对进流压力过高的情况，设置有小型水力发电装置，以取得节能效益（见图5）。
图4东京市送水管网示意
图5给水所小型水力发电装置示意
3启示
给水管网合理布局关系水量、水压和水质等供水服务功能的满足，同时也需要起到节能降耗的作用。通过对日本给水管网供水系统组成、配水分区和配水池三方面布局理论的讨论，认为具有以下借鉴意义:
①应在良好的布局下，明确给水管道的功能性。通常规划设计中，将管道分为输水管、配水管，配水管道又分为配水干管和配水支管。但运行管理过程中，管网中各管段之间的水量、水压和水质相互作用，除连接水厂、蓄水设施、泵站的几条管道功能性较明确外，管网中无论管径大小，都难以分辨其是输水管、配水干管还是配水支管。因此通过配水区域管理，可使管道的功能性更明确；即使在出现故障时，也便于调查、分析与管理；同样可针对不同层次的管道，设定管材选择、管道接口、阀门附件设置等要求。
②在管网区域化管理基础上，有助于实现管网的分层次模拟，解决复杂计算问题。根据给水系统生产运行调度要求，便于直接以清水输水管网为基础，结合水厂的供水压力、供水流量、配水池的供水压力和流量数据，建立供水管网调度模型。供水管网调度模型避免了宏观给水管网模型对管网的“黑箱”（即避开给水系统内部结构的描述）处理，管网简化模型中对管道直径选取（例如选取直径为300 mm或500 mm以上管道作为模拟对象）、管道合并与删除带来的模型误差问题。同时针对配水管网的设计、改扩建、故障诊断、管道冲洗等需求，可建立管网局部详细模型。
③可充分发挥蓄水设施的作用。蓄水设施具有水量平衡、维持水压、减小输水管道尺寸和提高运行灵活性和效率的作用。配水管网的水量波动在蓄水设施处得以缓解，便于使输水管道以较恒定速率供水，降低了管道尺寸。当管网中不设置蓄水设施时，能量、加氯均在水厂完成，使得管网长距离输送过程中，造成水压和余氯的损耗。而当中途有蓄水设施时，可减少管网中水压和余氯的损耗，减少消毒副产物的生成。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2014年第22期“述评与讨论”栏目）
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