给排水科学与工程

第四单元给水系统

一般来说，供水系统可划分为四个主要组成部分:（1）水源和取水工程（2）水处理和存储（3）输水干管和配水管网。常见的未处理的水或者说是原水的来源是像河流、湖泊、泉水、人造水库之类的地表水源以及像岩洞和水井之类的地下水源。修建取水构筑物和泵站是为了从这些水源中取水。原水通过输水干管输送到自来水厂进行处理并且处理后的出水储存到清水池。处理的程度取决于原水的水质和出水水质要求。有时候，地下水的水质是如此的好以至于在供给给用户之前只需消毒即可。由于自来水厂一般是根据平均日需求流量设计的，所以，清水池为水需求日变化量提供了一个缓冲区。

水通过输水干管长距离输送。如果输水干管中的水流是通过泵所产生的压力水头维持的，那么我们称这个干管为增压管。另外，如果输水干管中的水流是靠由于高差产生的可获得的重力势能维持的，那么我们称这个干管为重力管。在输水干管中没有中间取水。与输水干管类似，在配水管网中水流的维持要么靠泵增压，要么靠重力势能。一般来说，在平坦地区，大的配水管网中的水压是靠泵提供的，然而，在不平坦的地区，配水管网中的压力水头是靠重力势能维持的。

一个配水管网通过引入管连接配水给用户。这样的配水管网可能有不同的形状，并且这些形状取决于这个地区的布局。一般地，配水管网有环状或枝状的管道结构，但是，根据当地城市道路和街区总体布局计划，有时候环状和枝状结构合用。城市配水管网大多上是环状形式，然而，乡村地区的管网是枝状形式。由于供水服务可靠性要求高，环状管网优于枝状管网。

配水管网的成本取决于对管网的几何形状合适的选择。城市计划采用的街道布局的选择对提供一个最小成本的供水系统来说是重要的。环状管网最常见的两个供水结构是方格状、环状和辐射状；然而，我们不可能找到一个最佳的几何形状而使得成本最低。

一般地，城镇供水系统是单入口环状管系统。如上所说，环状系统有一些通过系统相互连接的管道使得通过这些连接接的管道，可以供水到同一个需水点。与枝状系统不同，在环状系统中，由于需水量在空间和时间上的变化，管道中的水流方向并非不变。

环状管网可为系统提供余量，提高系统应对局部变化的能力，并且保证管道故障时为用户供水。从水质方面来说，环状形状可减少水龄，因此被推广。管道的尺寸和配水系统的设计对减少水龄来说是重要的因素。由于多方向水流模式和系统中流动模式随时间的变化，水不会停留在一个地方，这样减少了水龄。环状配水系统的优缺点如表4.1所述。

优点:1.Minimize loss of services.as main breaks can be isolated due to multidirectional flow to demand points.2.Reliability for fire protection is higher due to redundancy in the system.3.Likely to meet increase in water demand -higher capacity and lower velocities.4.Better residual chlorine due to in line mixing and fewer dead ends.

5.Reduced water age.

在文献中曾记载过，只考虑最低成本设计的环状管网系统会转化成树状似的结构，这一做法导致在最终的设计中失去最初的几何形状。环状保证了系统的可靠性。因此，一个只考虑最低成本为依据的设计打败了在环状管网中所提供的基本功能。有文献记载设计环状管网系统的方法。尽管这个方法也是仅以考虑最低成本为基础，它通过对管网中所有管道最优化规划从而保持了管网的环状结构。

第五单元废水的收集和污水系统的设计

污水可以划分为以下几个组成部分:

生活污水: 从居民，商业点（比如银行、餐馆、零售商店）和公共设施（比如学校和医院）排放出来的污水。

工业废水:从工厂（比如制造业和化工过程）排放出来的废水。

渗入水和流入水:从地下水渗透到污水管系统的水，从屋顶的排水管、地面的排水管和管网的检查井流入的雨水。

雨水:由降水和雪

水的产生量随季节变化，并且每周内的每一天，每天中的每个小时用水量和污水的产生量都不同。在小的社区中，水的耗用和污水产生量的波动变化大于大的社区，且短时间内大于长时间。

由于收集和处理系统并没有以运输和处理这些工业废水中的废物为目的而设计，所以工业废水可能会对市政系统造成严重的危害。工业废水中的废物会损坏污水管并且干扰污水处理厂的运作。工业废水中的废物可能会通过污水处理厂但未被处理而直接排放，或者浓缩在污泥里，成为危险的废物。

最近，城市水资源的消耗和退化已经促使提倡建立一个可持续的城市水系统，这个系统提倡少用水、保护自然排水系统，通过节约用水和回用水减少废水排放的频率，严格控制水污染以及保护或者增强受纳水体生态系统。

城镇污水处理系统的基本元素如图5.1（a）和图5.1（b）所示。三个主要的水污染控制组成部分是:城市排水系统（既运送地表径流又运送生活污水），污水处理厂和受纳水体。这三个水污染控制组成部分间的相互依赖和连通性如图表中暗示靠重力或增压方式进行水力输送的箭头所示。像从这三个水污染控制组成部分中通过机械移除固体和污泥的其他水力输送模式已经被省略。城市的排水系统用来防止内涝，减少由于地面汇集成水塘带来的不便，减少了对人类健康的危害，改善了美感。

在上个世纪，城市的排水系统已经发展成两种模式，即，图5.1（a）所示的分流制排水系统和图5.1（b）所示的合流制排水系统。合流制排水系统在同一根管道中输送地表径流和生活污水。在旱季，水被输送到污水处理厂并进行处理。在雨季，随着流入合流污水管的径流量增加，水的收集系统和污水处理厂的容量满足不了暴增的排水量，过量的水流允许以所谓的合流溢流的形式脱离水的收集系统排放到受纳水体中。

在分流制排水系统中，地表径流通过雨水管输送和排放到受纳水体中，生活污水通过污水管输送到污水处理厂并且在排入受纳水体之前进行处理。

这两个排水系统存在许多变化。图5.1（a）和图5.1（b）显示了在集水区排水、排水管、污水处理厂和受纳水体之间的相互联系。雨水管排水和受纳水体之间的相互联系十分强烈并且与关于水循环的城镇化影响有关。在城镇化的发展进程中，城市地表被屋顶、街道、人行道、停车场以及因土地利用活动变的密实的土壤等诸如此类的隔水元素覆盖。因此，植物冠层对降水量的吸收作用变弱和渗入到地下的水量减少，与此同时，更多的雨水直接转换成地表径流。不透水的地表径流快速汇集以及像排水沟、雨水管和排水管的典型水力促进导致了供水发生率和规模的增加。这种影响在城镇地区因变直、变深和变线状分布的溪流而今进一步加剧。

如图5.1（b）所示，尽管在分流制系统中雨水和污水是分开输送排放的，但在二者之间不可避免地有一些连通。城市污水流入到雨水管中导致了雨水被污染，雨水流入到污水管中增加了水流量从而导致水流量超过污水处理厂的容量使得污水溢流。这样的流入来源包括污