中国给水排水原创论文 | 综合管廊大口径输配水干管专项设计要点
来源：
李洁,王晏
中国给水排水
摘要：讨论了综合管廊大口径输配水干管专项设计要点，分析了管廊内大口径输配水管管材选择、管道接口形式、管道防腐、附属设施设计，结合工程案例介绍了关键节点设计以及施工时应注意的问题。得出如下结论：管廊内DN800以上干管多采用钢管，连接方式采用焊接；根据供水管道运行要求，需要设置必要的检修阀、排水阀、排气设备、压力变送器等；关键节点主要包括引出口、端部井以及交叉口管线设计；建议管道远程监控与管廊监控系统合用，监控信号送至自来水公司；专项设计需保证近远期设计容量、相应的安装维护空间以及控制要求。
李洁，硕士，工程师，主要从事市政给水厂、泵站、给水管线等设计工作。
管廊内给水管线（含管线附属设施）通常由供水管道建设单位委托专项设计，与综合管廊设计同步进行，全过程设计衔接、协调。着眼于综合管廊内大口径输配水干管专项设计，归纳设计要点。
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给水管专项设计
1.1管道材质及连接方式
《城市综合管廊工程技术规范》（GB 50838—2015）第6.2.2条对给水、再生水管道管材及连接方式提出要求：“给水、再生水管道可选用钢管、球墨铸铁管、塑料管等。接口宜采用刚性连接，钢管可采用沟槽连接。”给水管为压力管道，根据管廊内的情况，供水管道均需架空（设支墩）明敷，没有埋地敷设时由土壤摩擦力来抵消管道运行时的振动及轴向变形，因此采用刚性连接的钢管、塑料管，能一定程度避免管道由于收缩拉力或不均匀沉降造成管道拉脱爆管。同时管线支墩不宜过大占用管廊空间，且应能适应管廊带来的不均匀沉降，大口径（DN800及以上，下同）管道采用钢管经济性也相对较高，目前管廊内大口径输配水干管多采用钢管。
钢管的连接方式有如下几种：沟槽（卡箍）式连接、法兰连接、焊接等。沟槽式连接一般仅用于管径 DN400以内，市政钢管多采用焊接或法兰连接。钢管一般6m一节，干管敷设距离多则几公里，尤其对于大口径管道若采用法兰焊接成本较高，故管廊内给水管道标准段多采用焊接形式连接。而伸缩接头、阀门等节点处采用法兰连接。由于焊接时会有火花产生，管廊内空间较为封闭且附近可能有电缆等易燃物品，因此同舱敷设时，给水管道初次入廊时间应早于电力电缆。在局部维修时，应对已入廊的电缆采取防护措施，防止维修时的火花附着于电缆之上，造成火灾。
1.2管道附属设施
根据供水管道运行要求，供水管道需要设置必要的检修阀、泄水阀、排气设备、压力变送器等。
结合管廊运行的实际情况，除管廊外设置阀门外，廊内主干管及各支线或引出管需设置检修阀。一般，埋地输水干管每隔1～3km设置一处手动检修阀，过多地设置检修阀一方面增加了水头损失，同时也可能带来因阀门自身原因导致管线漏水、长时间常开状态检修时难以关闭等系列问题。长距离输水管线设计时检修阀组间的距离可达5km。对于管廊内大口径输配水管，因其一旦爆管，廊内积水无法快速排出，可能对同舱的其他管线造成安全影响，建议干管上约500～1000m设置一处立式电动检修阀。管廊内部引出管立管上设置检修阀，则是考虑管廊内部发现问题时能及时从内部切断；为排除管道中的积泥和在管道出现事故时放空，同时考虑管道试压、冲洗，在配水管道的适当位置（低点临河、临水塘处）设排泥三通及泄水阀。泄水阀设置应靠近集水坑附近，放空管严禁伸入集水坑内。一般，市政配水管网的消火栓及用户点可在一定程度上起到辅助排气作用，加之管网成环后有一定的缓冲作用，排气阀的设置可酌情减少。而输水管道管线下坡前高处以及较长平直管段设置复合排气阀，不超过1 km设1处。建议廊内大口径输配水管除管道凸起点外，不再在中间设置排气阀。排气阀采用自动复式排气阀，既可自动排气，又可在管道需要检修放空时进气。压力变送器是用以测定给水管道压力的传感器，以设在大中型的干管上为主。测压点的选定既要真实反映水压情况，又要均匀合理布局，并能代表附近地区的水压情况。此外，需考虑供水管道上大口径阀门、电磁流量计等附属设施的安装需求。如苏州某管廊内DN1000配水干管检修阀门（主要作用是隔断，将故障点两端的阀门关闭后即可对管道进行维护），其整体高度不小于2.2m，故管道上方应留有不小于1.0m的阀门附件放置空间。总体设计时上部管线支架需考虑局部避让。而电磁流量计通常略宽于管道本身，因此在设计时，流量仪设置位置结合计量、爆管预警等功能需求，一方面尽量考虑与节点结合设计（断面宽度大于标准断面），另一方面在不影响消防通道的前提下，局部占用检修通道空间。
1.3节点设计
以苏州某管廊工程DN1000给水管专项设计为例，简单介绍入廊给水管道的关键节点设计，包括引出口、端部井及交叉口（见图1）。引出口一般优先考虑采用局部加高侧出的方式，便于与市政埋地管道相接，并在引出竖管上从下至上依次设置阀门、伸缩接头，该设置顺序主要考虑伸缩接头漏水时可及时切断，立管通过支架、吊架固定。端部井设置于管廊起终端，该节点给水管道沿端部井侧壁爬升到适当高度侧出后与廊外管道相接，廊外设置阀门。交叉口则根据其主体结构有几种不同的形式，图1（c）所示为“全包型”交叉口形式，主廊DN1000给水管道从底板下穿与支廊DN300给水支管连接，下部2m净空空间可满足安装检修所需，支管起端设置隔断阀门。
图1管廊给水管节点设计断面图
1.4管道相容
供水管道入廊敷设后避免了土壤腐蚀，管道安全性进一步得以提高。因此，在目前建设运行的综合管廊中，大部分纳入了供水管道。供水管道可以与电力电缆、通信电缆、热力管道同舱敷设。理论上供水管道也可与燃气管道同舱敷设，但由于燃气舱需按防爆设计，供水管上设置的电动控制阀需采用防爆型，会增加造价及维护费用。
1.5管道防腐
对外防腐涂料的要求：有良好和稳定的电绝缘性能、与金属表面有较强的黏着力、耐腐蚀性能好、抗剥离强度高、施工方便、不造成环境污染等。一般可供选择的涂料有：环氧煤焦沥青、环氧玻璃鳞片、环氧粉末涂料、煤焦沥青瓷漆、石油沥青及聚乙烯胶粘带等。环氧煤焦沥青具有较好的防腐电绝缘性能，耐细菌腐蚀，又具有良好的耐阴极保护电位的性能，国内外有许多成功应用的实践经验。熔结环氧粉末（环氧粉末喷涂）具有优良的抗渗透性、耐水性、耐腐蚀和抗冲击性，价格与常用的环氧煤焦沥青防腐涂料相比，相对略高。室内管道及配件外防腐亦常采用有机硅丙涂料，普通级为二道底漆二道面漆，干膜总厚度不小于150μm。管廊内管道所处地下室环境无需考虑抗紫外线照射，环氧煤焦沥青、环氧粉末、3PE都可采用，需综合考虑经济性及维护周期要求，酌情选择。
内防腐：D≥500 mm的管道采用水泥砂浆衬里，厚度应符合《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268—2008）的规定。D2。
1.6事故爆管问题
管廊内沿线排水坑泵排能力一般不考虑管道冲洗等的废水排放及爆管产生的事故废水排放。对于供水管道事故爆管排水，假设管廊内设DN800供水管道，排水量按一根发生爆管计算，DN800供水管道每1 000m设一处阀门，采用电动阀门，管理人员可在控制中心进行操作，因此爆管至关闭阀门，一般不超过3min，一次事故排水量按管道3 min的排水量（管道流速取1m/s，合计约90.4m3）加上1000m管道的水量计算。假设给水管道舱室宽度按3.15m计算，淹没水深达0.19m，按单个防火分区（200m）设二处集水坑复核，每处集水坑内设2台排水泵，单泵排水量为25m3/h，平时正常排水时1用1备，事故时2台同时工作，共20台水泵约1.2h排空爆管水，因此从自来水公司及时开展抢修工作角度考虑，需由检修人员外部协助排水，缩短排水时间。
1.7其他
给水管道出入管廊部位（引出口，端部井）预埋套管，考虑水管热胀冷缩影响。廊内干管是否设置补偿接头结合计算结果确定，一般对于大口径钢管，其本身延展性即可满足要求。穿防火墙处设置钢制套管，套管尺寸大于给水管道两级，两侧超出防火墙20mm，穿防火墙管道与套管缝隙之间应用阻燃密实材料和防水油膏填实。支墩间距根据计算确定（一般6~10m），变形缝两侧各设一个，采用钢抱箍连接。支墩在管廊底板预留插筋与结构底板牢固连接，且支墩配筋。倒虹段转折处采用混凝土包裹式钢筋混凝土支墩。建议管道远程监控与管廊监控系统合用，监控信号送至自来水公司。
此外，关于给水管道入廊后，室外消火栓如何设置的问题，规范规定，室外消火栓的间距不应大于120m，若每隔不超过120m从管廊中引支管做消火栓大大增加了节点数量和工程投资。同时，一般不建议在大口径输配水干管直接引出消防管。因此，针对于此，通常可在道路敷设一根专用直埋消防管。当道路宽度大于60m时，要求在道路两边设置消火栓，此时可酌情在管廊引出口出廊配水管上合理设置消火栓，在道路另一侧敷设消防专用管。
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施工要求
2.1施工顺序
管廊平直段需考虑管道在管廊内的平行运输条件，同时鉴于安全问题，市政舱室给水管必须先于电力及通信电缆施工，避免钢管焊接火花等碰触线缆带来安全隐患。
2.2管道安装
施工时需考虑管道在管廊内的平行运输条件，预留足够的吊装及固定空间。同时，管道焊接一般先于廊内通风设施安装，焊接作业时不具备全面通风的条件，因此，需尽量靠近可自然通风处（投料口、引出口、通风口均可）进行焊接作业，同时设置可移动式小型排烟除尘机，保障施工人员安全健康的施工环境。此外，管廊顶板宜预埋吊钩，方便大口径管道落管就位时的安装吊运。
2.3管道冲洗
按照GB 50268—2008要求，给水管道安装敷设后，应及时开展压力试验。压力试验合格后，投入使用前应进行管道冲洗与消毒。管廊内排水泵泵排能力并未考虑给水管道冲洗排水，针对此问题，一种方法是可于引出管上增设T口，排至附近受纳河体。以苏州某管廊DN1000给水管专项设计为例，全长约8.3km的管廊敷设范围内，有10条小河浜与管廊所在道路垂直交叉，另与管廊平行方向也有河道，可供沿线引出口排放冲洗水。特别是针对管廊及配套管线分段实施时，可满足管道分段冲洗的要求。另一种方法是可考虑投放临时大泵协助已有排水坑小泵共同排水，大泵出口可利用通风口或者投料口等口部临时引出管廊。
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结论
①管廊内DN800以上口径配水干管多采用钢管，连接方式采用焊接连接。管廊内管道所处环境不接触土壤，同时无需考虑抗紫外线照射，因此环氧煤焦沥青、环氧粉末、3PE都可用于外防腐，可综合考虑经济性及维护周期要求，酌情选择。
②供水管道需设置必要的检修阀、排水阀、排气设备、压力变送器等。管道支撑采用混凝土支墩，水平段间距计算确定（一般6～10m），变形缝两侧各设一个，采用钢抱箍连接。管道远程监控建议与管廊监控系统合用，监控信号送至自来水公司。
③管道附属设施可能与其他管线存在交互关系。关键节点设计主要包括引出口、端部井及交叉口管线设计。给水管道出入管廊部位以及穿越防火墙处需做特殊考虑。
④施工时需考虑管道在管廊内的平行运输条件，同时预留足够的吊装及固定空间。管廊内排水泵泵排能力并未考虑给水管道冲洗排水，针对冲洗水排放问题，一种方法是可于引出管上增设T口，排至附近受纳河体；另一种方法是可考虑投放临时大泵协助已有排水坑小泵共同排水，大泵出口可利用通风口或者投料口等口部临时引出管廊。
本文的完整版刊登在《中国给水排水》2022年第2期，作者及单位如下：
综合管廊大口径输配水干管专项设计要点
李洁,王晏
（上海市政工程设计研究总院有限公司，上海 200092）
该文标准著录格式：
李洁,王晏.综合管廊大口径输配水干管专项设计要点[J].中国给水排水,2022,38(2):79-82.
LI Jie,WANG Yan.Design key points of large diameter water transmission and distribution trunk main in utility tunnel[J].China Water & Wastewater,2022,38(2):79-82(in Chinese).
编辑：孔红春
制作：文 凯
审核：李德强
海岛县洞头陆域引供水工程输水管道海域段设计
来源：中国给水排水
海岛县洞头陆域引供水工程输水管道海域段设计
陈守庆1，陈湧城1，罗昊进2，方均舰3，吴旭磊4，庄小将5，
包松考5，武乐毅5，陈金荣1，张德跃1
(1.中国市政工程华北设计研究总院，天津300074；2.温州市城建设计院，浙江温州325000；
3.温州市洞头县水务有限公司，浙江温州325000；4.温州市公用事业投资集团有限公司，
浙江温州325000；5.温州市瓯江口开发建设投资集团有限公司，浙江温州325000)
涉海输水管道在国内的应用实例很少，海岛县洞头（温州）陆域引供水工程是国内涉海管道最为复杂艰难的典型案例。自2009年6月以来39 km主管线建成通水已有四年，一直运行良好。洞头县是我国的十二个海岛县之一，洞头（温州）陆域引供水一期工程目的为将温州陆域的自来水引入海岛县——洞头(见图1)。
图1洞头陆域引供水工程示意
一期工程输水规模为7万吨/天。其中输水主管道全长为39 km，管径为DN1 000，沿途经过三处岛屿（灵昆岛、霓屿岛、洞头本岛），穿越四段海域（瓯江南支、灵霓大堤段海域、霓屿岛海域、海中湖海域），海底敷设管道总长度约8 km，灵霓海堤敷设约14.5 km，霓屿岛滩涂堤坝段敷设约1.2 km，穿山隧道为1.5 km，为沿线岛屿灵昆岛、半岛工程（现称瓯江口新区）、霓屿岛及洞头本岛提供自来水；另外利用5 km支线管道，管径为DN300，跨越三座桥梁、四座隧道，为状元岙深水港及沿线多座岛屿上居民提供自来水。
该工程于2006年开始建设，并于2009年6月建成通水，通过与洞头管网的贯通，实现了洞头南片六岛供水的全覆盖，彻底解决了洞头人民靠天吃水的困局。
海底输水管道工程具有隐蔽性、修复困难、施工难度大等特点，因此要求精心设计，并严格控制施工、材料供应、第三方检测、监理等每一个环节，力争做到万无一失，以保证海底管道的使用寿命。
1海底输水管道设计理论
采用弹性敷设理论进行海底管道的设计。
海洋管道是一个特殊的工程,管道本身有一定的强度和刚度，尤其是在局部短管中就像普通梁结构一样传递剪力和弯矩，但在轴向尺度很大时，其整体上就是一个柔性很大的细长结构，虽然位移很大，但管内应变很小，其内力不是很大，这是管道结构自身固有的力学特性。利用这种理论来设计海洋管道结构就是弹性敷设法。
在海洋中其地基基础往往表面是多年沉积的较软的土壤,尤其是洞头海域的海床大多是很厚的淤泥层，呈流塑状态，承载能力很低。在风浪流动荷载作用下，水流冲刷中基础变形较大。同时大范围内地基不均匀沉降是必然存在的，所以海洋地基的变形是不可避免的。前述管道结构的力学特性正好适应这种海洋软基基础。利用管道的可浮、可沉性、结构对称性等特点，进行长管段长距离的漂浮、拖运、沉放施工。
2管材设计
洞头工程地形复杂，涉海段共有四段，管道敷设难度大，对管材的要求更高。由于各段涉海区域要求管道具有较高的抗拉强度和抗变形能力，所以选择钢管。
经计算，提出海底管道采用DN1 000螺旋缝焊接钢管，选用Q235-B低碳钢、管道壁厚为14 mm，而瓯江南支段因考虑到后期的开发利用适当留有余地，选用Q345-B低碳钢，管道壁厚为14 mm的管材设计实施方案。且经过专家论证会论证，专家一致认为洞头工程参照舟山工程成功的案例，选用螺旋缝焊接钢管及低碳钢的管材、国内管厂加工制作、采用敷管船法施工且采取技术措施保证施工工程中管道应力≤220 MPa的方案，是技术可行的，施工敷设操作方便，并能保证运行安全。
3输水管道的无损检测设计
洞头陆域引供水工程输水管道非常复杂，管道施工安装条件困难，运行条件也很恶劣，地基沉降大，台风时风浪潮很大，对输水管道的危害极大，因此钢管的焊缝质量控制、探伤及检测尤其重要。
4输水管道的防腐设计
输水钢管内防腐采用国内市政管道普遍应用的质量优良的8701饮用水涂料。本项目采用特加强级，构造为两底四面，厚度≥0.3 mm。
管道外防腐：海域段钢管采用3PE防腐。
补口、补伤材料纯海域段钢管采用进口热收缩带（套）二层结构，总厚度≥2.7 mm，其中马蹄脂型胶粘剂厚度≥1.7 mm，基材厚度≥1.0 mm。其中霓屿岛段海域堤坝段钢管的补口、补伤材料由于该段地形复杂，防腐方案必须能够承受礁石、碎石等复杂地形管道基础的摩擦，不同于纯海域段管道的沙土软基环境，因此防腐方案也有所不同，根据国内外的海底管道防腐经验，该段海域补口、补伤材料采用进口环氧树脂、辐射交联聚乙烯热收缩带（套）三层结构，防腐层总厚度≥2.5 mm，即无溶剂型环氧树脂底漆一道，厚度≥0.2 mm，热熔胶型胶粘剂厚度≥1.0 mm，基材厚度≥1.5 mm。
5海底输水管道阴极保护设计
洞头工程海底输水管线全长约8 km，管外径为1 000 mm，设计输水温度约20 ℃，管线外涂层为3PE，埋设于温州近海的海淡水介质海底盐泥中，水下深度约5~15 m。
设计采用铝-锌-铟合金牺牲阳极联合涂层进行保护，针对阴极保护部分设计。
设计阳极形式为条式阳极，陆上安装后随管下海。
6海底输水管道排气及控制阀设计
①空气阀的设计
经计算，其中管径为DN1 000的管道配备DN150的复合式空气阀。
本工程两段主要海域瓯江南支段及海中湖段长度分别为2.6、4.5 km，中间无法设置排气阀，只能在两端登陆点设置排气阀，而海域段管道集气，很有可能造成管道漂浮或产生水锤，因此采取可靠的排气措施是关键。首先管道敷管下沉时，应严格施工，确保管内空气排净不集气，再次在两岸登陆点设置双复合式进口排气阀，规格为DN150，加大排气量，同时可起到备用作用。
②控制阀（调压阀）的设计
洞头陆域引供水工程输水管线，起端接入的是城市自来水管网，根据管网平差，管网起端自来水压头约为33 m黄海高程，全程靠自来水管网的压力将水输往洞头本岛，并为沿途配水点配水。为了得到沿途各配水点稳定均衡的供水，管网的末端——洞头加压泵站清水池的进水口必须设置一个维持出口压力基本恒定的控制阀(即调压阀)，利用此阀人为地将阀前管道的水头抬高，使得管线高点不会产生半管流的状态，防止管道因产生真空而受到破坏，同时保证了各沿途配水点供水压力的均衡，并节省再次提升的耗电量，供水稳定才会得以均衡，管道安全有保障。因此控制阀的设置非常关键。本工程按进口活塞式控制阀设计。
7海底输水管道敷管设计及施工
①总平面按照S形曲线敷设
为适应海底管线的不均匀沉降，水下管线采用S形曲线路由弹性敷设，曲率半径为2 000～2 500 m，中间距直线路由偏差为5～10 m。
②海底管道挖沟方法
本次设计原则上采用后挖法，受国内施工技术及机械的限制，可挖深2.5 m，扣除1 m管径，管顶覆土厚为1.5 m，在局部有冲刷的海域段，可根据冲刷深度适当加大埋深，采用先挖与后挖相结合的方法。
③镇墩设置
为了管道稳定及满足抗浮要求，在管道沿线每10 m间距设置一处沙袋镇墩，镇墩长为2 m。
④挡桩设置
在海底管道两端靠近登陆段分别设置钢制挡桩3排，间距约50 m，起到固定管道的作用。
⑤登陆段软硬基础过渡处理
海域管道登陆段两端是海洋软基础与陆地硬基础的过渡段，因此结构设计采用1.5 m间距，设置5排总长度为39 m的木桩基础作为管道登陆段基础的处理。
⑥海底管道施工流程
施工流程见图２。
图2海底管道施工流程
⑦海底管道施工方法
本段管道全部为海域段，采用敷管船进行弹性敷设法敷管。
首先两个挖泥船队同时从管线两端向中间方向按设计要求开挖沟槽，其中两登陆端各39 m在开挖沟槽后进行地基处理施工。
然后采用敷管施工船以S形曲线路由进行弹性敷设，曲率半径≥700 m，连续敷管时在管内进水，保证管内不积气，每次敷管长度为96 m。
然后再用起重船进行水下沉桩施工、常规区域沟槽砂袋镇压墩施工和3#锚地区域砂袋镇压层施工。
最后再用挖泥船和泥驳按设计要求进行原土回填施工。具体施工图见图３～7。
图3海中湖段施工总平面布置图
图4海中湖段管道敷设施工示意图
图5海中湖段终端登陆示意图
图6海中湖段敷管船施工作业照片
图7海中湖段终端登陆段施工照片
⑧海上施工测量
海上施工测量采用DGPS全球卫星定位系统，插分站采用国家信标系统。
8海底输水管道系统应注意的问题
①管道充淡水下沉
②海底管道严禁设置伸缩节
③海底管道钢管的连接严禁设置法兰
④海域管道基础处理。
工程采用后挖法施工，减少对基础的扰动，同时采用设置沙袋镇墩的方式施工，以减少沉降，固定管道，避免了对全线海域管道的基础处理所造成的巨大浪费。管线运行至今已有四年，中间还经历过莫拉克台风，一切正常，可见海域段的基础处理是不必要的。
⑤海域管道路由选定应避开镇压层
专家评语：涉海输水管道在国内的应用实例很少，海岛县洞头（温州）陆域引供水工程是国内涉海管道最为复杂艰难的典型案例，作者结合洞头工程海域段输水管道设计探讨了如下内容：海底输水管道工程特点、弹性敷设理论、管材设计、无损检测设计、防腐设计、阴极保护设计、排气及控制阀设计、海域管道敷管设计及施工、系统水压试验、导航系统设计及海底输水管道系统应注意的问题等。其设计经验可为相关工程提供技术参考,以提高我国涉海输水管道的技术与设计水平。
本文荣获《中国给水排水》2013年度“得利满”优秀论文二等奖
日本给水管网布局理论与启示
来源：中国给水排水
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686×104m3/d，给水所（配水池）的蓄水能力约为321×104m3，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）
国外大型调水工程的喜与痛
来源：中国给水排水
美国加利福尼亚州大多数径流和融雪位于北部，而绝大多数人口却集中于中部和南部的干旱地区，水资源空间分布上严重不均匀。
赫齐赫齐（Hotch Hotchy）调水工程采用自流输水方式，输水管道全长约251公里，在弗里蒙特（Freomont）市附近分为4条直径分别为1.5米、1.7米、2.0米和2.4米的管线。输水 干线目前的日输水量约为135万立方米，年输水能力约4亿立方米。
世界上很多的国家和地区都存在着不同程度的缺水问题。据联合国预计，到2025年，全球将有35亿人面临水资源短缺。清洁的水源已成为世界各国社会和经济发展的重大制约。大规模、长距离、跨地区跨流域调水并非是中国的独创，通过调水，重新对水资源进行分配，缓解水资源供需的矛盾在各国都有运用。现代化的调水工程最早出现在19世纪的澳大利亚、印度和美国。20世纪后，以色列、加拿大、中国等国开始紧随其后。
本文选取不同国家、不同地理位置和生态环境的两个调水工程，来反思长距离调水带给我们的究竟是喜，还是痛。
清泉流出黄金州
高602英尺（183米）的沙斯塔大坝（Shasta Dam）是美国第九高的水坝，横跨于加州北部的萨克拉门托河，水坝的主要功能包括储水、泄洪和水力发电等。它是中央河谷调水工程 的一部分，1937年开始建造，完工于1945年，在加州水资源管理上发挥重要作用。但是由于水坝对萨克拉门托地区的环境和生态造成了重大改变，如阻挡了太平洋鲑鱼种群的洄游 等。同时备受争议的还有，大坝形成的水库淹没了土著部落的村庄和土地。
美国加利福尼亚州（以下简称加州）别名“黄金州”，这个名称一般认为源自于19世纪中叶的淘金潮。2013年加州的GDP达到2.203万亿美元，占美国GDP总量的13.2%，超过俄罗斯 、意大利、印度、加拿大等国家，这个美国经济最发达、人口最多的州，繁荣富庶，是名副其实的“黄金之州”。
农业是加利福尼亚州的主体产业之一，特别是位于加州中部的中央河谷地区，灌溉农业发达， 是著名的水果生产基地，除此之外，也盛产棉花、谷物和蔬菜等等。
这个日照充足、气候温和的“阳光地带”是全球最适宜人类居住的地带之一。这一切都得益于加州的几项著名调水工程，如中央河谷调水工程、 加州调水工程、 全美灌溉系统、 科罗拉多河引水渠、洛杉矶水渠工程、莫凯勒米调水工程及赫齐赫齐调水工程等。
加利福尼亚州位于美国西海岸，面积42.39万平方公里，北部为卡斯卡德山脉，东部为内华达山脉，西部为濒海山脉，中部为广袤的中央河谷，南部为干旱的沙漠地区。特殊的地形 形成了加州的水资源空间分布上严重不均匀，当北方一些地区苦于超过2500毫米的年降水时，南方一些地区却为每年仅50毫米的降水量而发愁。
另一方面，从淘金潮开始后，加利福尼亚人口快速膨胀。大部分的人口都聚居在干旱的加州南部地区。水资源分布与人口及经济发展极不协调。人口的密集造成耕地面积不断扩大 、城市化进程的速度大大加快，水资源供给日趋短缺。
洛杉矶为了解决日益突出的供水问题，1908年修建了第一条洛杉矶水渠，从内华达山脉东部的欧文斯河谷向洛杉矶市引水；1924年旧金山市政府修建了从圣华金河支流图奥勒米河 向旧金山调水的赫齐赫齐调水工程；1925年，旧金山湾东部市政管理区实施了从圣华金河的支流莫凯勒米河向旧金山湾东部调水的莫凯勒米调水工程；1933年南加州市政水管区开 始实施从科罗拉多河引水的科罗拉多引水工程；1934年经美国国会立法授权，联邦垦务局开始兴建全美灌溉系统，供给加州南部的英佩瑞尔河谷地区、考契拉河谷地区和圣地亚哥 地区；1937年美国联邦政府通过立法，授权联邦垦务局修建中央河谷调水工程；1960年加州政府开始兴建加州调水工程。
这些工程虽然分别由美国联邦政府、加州政府和加州地方政府（机构）主持建设，但是彼此相联结，共同将区域内约229亿立方米的水量进行再分配。输水管道南北绵延千里，纵贯加州，形成了较为合理和完整的水资源调配系统，共同把加州北部丰富的水资源调到南部缺水地区。调水工程以供水和灌溉为主要目的，相辅相成，同时兼顾了发电、航运、防洪 、旅游等功能。正是有了这些调水工程，才得以在荒漠地区种出了甜美的葡萄，昔日荒凉的南加州成为一片绿洲。
虽然这7项工程，最晚的一个也修建于半个世纪以前，但它们今日仍占到美国所有调水工程调水量的70%以上。光加州调水工程每年就给加利福尼亚州带来4000亿美元的经济效益。
但是每一个项目在动工之前都经过了长时间的论证、详尽的前期筹备工作和较完善的立法程序。不管调水工程的规划、组织建设、融资和偿还、管理机构设置、职责划分、运行调 度，还是水量控制与分配，以及水事纠纷的调解等，都有相应的法律或是具有法律效力的规范性文件为依据，且严格执行。以中央河谷调水工程为例， 1873年，中央河谷地区就开 始着手灌溉供水的综合开发方案。此后，联邦政府和加州的相关机构对开发方案进行了细化和扩展。1919年，一份从整个州利益出发、联合开发中央河谷水资源的计划出炉。1921 年，加州州议会制定一系列拨款计划，用于对加州法定水资源保护、控制、存储、分配和利用等的研究投入。1931年，加州议会收到了一份包括中央河谷地区水资源利用综合规划 在内的加州水资源整体规划。并于1933年，加州议会通过了《中央河谷工程法案》，批准兴建中央河谷工程。随后的经济大萧条，使工程陷入困境。1937年，联邦政府在困境中接 受中央河谷工程，重新修订了《河流与港口法案》，并授权垦务局正式接管中央河谷工程的建设和运营任务。1992年，美国颁布《中央河谷工程改良法案》，法案中将减小调水工 程的负面影响，加强对鱼类和野生生物的保护及改善、修复它们的栖息环境作为工程今后的目标。
大规模水量的远距离调度，不可避免地会对水源地、沿途各受水区的生态环境带来一定的影响。洛杉矶调水工程造成水源地欧文斯河谷发展停滞；加州调水工程和中央河谷调水工 程大量调用萨克拉门托河与圣华金河的淡水，致使流入旧金山湾的淡水减少了约4成，造成了河口海水倒灌的现象，海湾水质恶化，水生生物的生存环境遭到破坏，生物的数量和种 群迅速减少。
相较于50多年前，1992年的立法把生态保护提到了与灌溉和供水同等重要的位置上。由此可见，公众和政府的生态意识不断提高，在沉醉于这些调水工程带来巨大经济利益的同时 ，越来越清醒地认识到大型调水工程带来的不利生态环境影响。
正是由于这个原因，国际上对修建大型跨流域跨地区的调水工程的态度越来越谨慎。
50年，沧海变成沙漠
咸海1989年和2014年的卫星图片比较。咸海曾经只是一个巨大的湖泊，1987年，分成南、北两个部分；2003年，南咸海分成东、西两边；2014年，南咸海东部600年来首次干涸；预 计2020年，咸海将彻底从地球上消失。
锡尔河曾经是咸海水源的来源河流之一，发源于天山山脉，流经乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦和哈萨克斯坦三个中亚共和国。河上修建有多座水电站，如法尔哈德(Farkhad)、凯拉库 姆(Kayrakkum)、恰尔达拉(Chardara)等。
2014年9月24日，美国宇航局发布的一组卫星图片重新将世人的目光聚焦到了咸海——这个位于乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦两国的交界处，曾经是世界第四大内陆湖上。卫星图片触目惊心，让人心痛。这个已经存在550万年的古老湖泊东部大部分河床消失，历史上首次出现完全干涸。科学家做出警告，如果再不采取积极有效的措施，那么到了2020年，咸海将 彻底从地球上消失。
时间回溯50年，咸海曾是一个美丽、富饶的巨大湖泊。1960年，咸海面积达到6.7499万平方公里，平均水深54米，水体总量1.089万亿立方米。咸海的名字Aral源于突厥语，意思为 岛，形象描述在咸海中散落着大大小小数百个岛屿。在卡拉库姆和克孜库姆这两片干燥炎热的沙漠包围下，这个水草丰美之地被这里的先民认为是上天赐予人间的一颗明珠。海中 生活着数百种鱼类，渔业发达，每年提供上万吨的新鲜水产，为岸边的居民提供充足的食物。咸海巨大的水体同时也调节着干燥的中亚地区的气候。
木伊那克位于咸海的南岸，曾经是乌兹别克斯坦繁荣一时的渔港和湖滨旅游胜地之一，在此捕捞并加工的各种鱼制品销售到前苏联的各个角落。但是如今这里早已见不到波浪起伏 ，在一望无垠裸露的湖底盐碱地上，伫立着锈迹斑斑的废弃渔船。从上世纪80年代起，这里每年都要发生几十次的“白色风暴”。
大面积的粮棉生产和大批的移民，产生大量的灌溉和生活废水，这些废水中残留有大量的化肥、农药，重新流入阿姆河和锡尔河。
仅仅50年，咸海已经濒临死亡。而造成死亡的主要原因，正是前苏联时期在此实行的几项大型调水项目。
20世纪30年代，苏联制定计划开始在中亚地区发展灌溉农业。中亚广袤的土地对于缺少耕地的前苏联来说，一直是梦想中的开垦处女地。要在中亚发展农业，最先要解决的就是水 源问题。发源于天山山脉的锡尔河和发源于帕米尔高原的阿姆河成为了这个计划主要的水源地。这两条河流流经位于中亚地区5个最主要的前苏联加盟共和国：塔吉克斯坦、吉尔吉 斯斯坦、乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦和土库曼斯坦，最后流入咸海。
1937年，从锡尔河修建了全长220公里的大费加拉运河；1954年，经过大批专家实地考察、调研和论证的卡拉库姆调水工程正式动工，工程的目标是将阿姆河和锡尔河的天然水道改 道，引入土库曼斯坦东部和乌兹别克斯坦中部，进行灌溉。期间开凿的卡拉库姆列宁运河，总长度达1400公里，从阿姆河上游引走河水，灌溉土库曼斯坦西部地区。1960年代，在 阿姆河、锡尔河及新开凿的运河流域共开垦了660万公顷的棉田和水田，建成了前苏联新的粮棉生产基地。60年代末，前苏联成为世界第二大棉花出口国。到1980年，出口跃居世界 第一，棉花年产量达996万吨，占世界总产量的20%，其中95%产自中亚地区。同时，稻谷、蔬菜瓜果丰收，分别占到前苏联总产量的40%和25%。
通过调水工程， 把水引入沙漠地区，获得巨大的经济收益，创造了一个奇迹，在世界上引起了轰动。
自然对人类的报复也来得很快。咸海的水源依靠阿姆河和锡尔河的流入。调水工程大规模引这两条河的河水灌溉，致使流入咸海的水量锐减。在上世纪60年代调水工程修建之前， 平均每年流入咸海的水量为560亿立方米；70年代减少至260亿立方米；80年代初减至70亿立方米；而到了80年代末，流入咸海的水量下降至零。没有水源补充的咸海，由于高蒸发 量，水量不断减少，湖面面积急剧缩小。水体的含盐浓度增加，含盐量达到了海水的3倍，造成鱼类和水生生物大量死亡，生物种群退化。木伊那克渔港在上世纪80年代破产，近6 万渔民失去工作和生活来源。
上世纪七、八十年代大面积的粮棉生产和大批的移民，产生大量的灌溉和生活废水，这些废水中残留有大量的化肥、农药，废水重新流入阿姆河和锡尔河，最后流入咸海，污染咸 海的水体。在咸海干涸后，湖底盐碱裸露，每年有上万吨的有毒盐碱混合物从干涸的海床上被刮起，形成“盐沙暴”，从北向南，加剧了中亚地区土壤的盐碱化和沙漠化。土库曼 斯坦共和国80%的耕地出现了高度盐碱化。
盐量的增加和有害物质也威胁着当地居民的健康，居民患白血病、肾病、支气管炎的比例显著升高。
不仅如此，没有了咸海对当地气候的调节功能，中亚地区降水逐年减少，造成持续干旱；夏天平均气温逐年攀高、而冬天则趋于愈加寒冷；生长季节变得愈来愈短。
联合国环境规划署这样评价：“除了切尔诺贝利核电站灾难外，地球上恐怕再也找不出像咸海流域这样生态灾害覆盖面如此之广、涉及的人数如此之多的地区”。
前苏联在咸海流域几十年经济上获得的收益，远远弥补不了咸海流域生态灾难所带来的恶果。这个恶果还在不断继续扩大。因为人类的逆天，需要花费更多的人力、物力去弥补。 更有甚者， 人类的弥补显得无力而徒劳无功。对自然法则的违背，再想要把它恢复成当初的样子，自然是不给这种机会的。
以上两个大型跨流域的调水工程虽然都实施于半个世纪之前，但是几十年过去，它们的经济效益、生态效益显现无疑，是中国建设同类型工程最好的参考。
（来源：筑龙网 转载：南水北调与水利科技）
