城市水工程總論

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　摘要：本文從城市水工程學科的定義出發(fā)，分別簡要地闡述了城市水工程學科在我國的沿革、城市水工程學科的內涵及其未來的某些發(fā)展方向。

　　關鍵詞：城市水工程 水質 管網(wǎng)系統(tǒng) 工藝設備

　　Abstract： According to the definition of municipal water engineering， this paper is to explain municipal water engineering‘s origin and development in our country， and the cores and the future of municipal water engineering.

　　Key words： municipal water engineering  quantity of water  piping system   process equipment

　　1. 城市水工程學科的沿革

　　1.1 水工程學科

　　水是人類生存、生活和生產(chǎn)不可代替的寶貴資源。人類生存離不開水，每人每天平均需要使用2~4L水。人們?yōu)榱松詈蜕a(chǎn)的需要，由天然水體取水，經(jīng)適當處理后，供人們生活和生產(chǎn)使用。用過的水又排回天然水體。一般天然水體都是一個生態(tài)系統(tǒng)，其依靠水體的自凈能力，對排入的廢棄物有一定的凈化能力。但由于社會循環(huán)的水量不斷增大，排入水體的廢棄物已經(jīng)超過的水體的自凈能力，水體水質不斷惡化，使得水體遭到污染。受到污染的水體，將喪失和部分喪失使用功能，從而影響水資源的可持續(xù)利用，并加劇水資源短缺的危機。

　　以水的自然循環(huán)的“水利工程”和以水的采集、凈化、生產(chǎn)加工成商品水的“水工業(yè)”作為研究對象的學科，稱之為水工程學科。水工程學科含蓋了水的自然循環(huán)和社會循環(huán)，它主要包括服務于水的自然循環(huán)的“水利工程”和以水的社會循環(huán)為服務對象，為實現(xiàn)水的社會循環(huán)提供所需的工程建設、技術裝備、運營管理和技術服務的“水工業(yè)”。

　　1. 2 城市水工程學科

　　“城市水工程學科”是以水的社會循環(huán)為研究對象，以水質為中心，研究其水質和水量的運動變化規(guī)律，以及相關的工程技術問題，在社會主義經(jīng)濟條件下，以實現(xiàn)良性社會循環(huán)和水資源的可持續(xù)利用為目標的工程技術學科。城市水工程學科是支持水工業(yè)的主干學科，它是以水工業(yè)發(fā)展中提出的問題特別是前沿課題為研究對象，以科技進步帶動水工業(yè)發(fā)展和進步。

　　1.3 城市水工程學科的沿革

　　給水排水工程學科是“城市水工程” 學科的前身，它在我國建于20世紀50年代。那時中華人民共和國剛成立，為學習前蘇聯(lián)建設經(jīng)驗，提出“向蘇聯(lián)學習”的口號，所以也模仿前蘇聯(lián)的模式，建立了“給水排水工程”學科，在高等院校成立了“給水排水工程”專業(yè)。

　　建國后的前30年，但由于當時實行的“先生產(chǎn)，后生活”的發(fā)展方針，而“給水排水”被歸入“生活”類，所以長期發(fā)展緩慢，大大滯后與國民經(jīng)濟的發(fā)展。

　　進入80年代，我國開始實行“改革開放”政策，國民經(jīng)濟開始了快速發(fā)展，相應的對水的需求成倍地增加，而我國是一個說資源短缺的國家，從而引起了供求之間的矛盾。同時，水污染治理滯后，大量城市污水和工業(yè)廢水未經(jīng)過處理直接排入水體，再加上農(nóng)田化肥農(nóng)藥流失，使得水環(huán)境污染情況日益嚴重。

　　80年代以后，水環(huán)境污染程度不斷加大，這與人對飲用水水質不斷提高的要求之間的矛盾也日益增大，這樣在水量和水質兩個方面，水質矛盾就日益突出而上升成為主要矛盾 .與此同時，以水的社會循環(huán)為主要研究對象，在水質和水量兩個方面以水質為中心的“城市水工程”也孕育而生。

　　2. 城市水工程學科內涵

　　城市水工程學科是以水質為中心，研究水質和水量的運動變化規(guī)律，以及相關的工程技術問題的學科，具體的說包括水資源的保護和利用、城市給水排水工程、水工藝設備及水工藝過程檢測與控制等三大部分。

　　2.1 水資源的保護和利用

　　廣義的水資源是指地球上所有的水。不論它以何種形式、何種狀態(tài)存在，都能夠直接或間接的加以利用，是人類社會的財富，屬于自然資源的范疇。狹義的水資源則認為水資源是在目前的社會條件下可被人類直接開發(fā)利用的水 .而且開發(fā)利用時必須技術上可行、經(jīng)濟上合理且不影響地球生態(tài)，同時要考慮水量和水質的要求。

　　2.1.1水資源概況

　　廣義的水資源是指地球上所有的水。通常所說的“水資源”是指陸地上可供生產(chǎn)、生活直接利用的江河、湖沼以及部分儲存是地下的淡水資源，即“可利用的水資源”。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，水資源僅指一定地域內逐年可以恢復更新的淡水量，具體來說是指河川徑流量表征的地表水資源，以及參與水循環(huán)的以底下徑流量表征的地下水資源。對一定地域范圍而言，水資源的量并不是恒定不變的，它隨用水的目的與水質要求的不同、科學技術與經(jīng)濟發(fā)展水平的不同而變化。地球上的水通過不段的蒸發(fā)、降雨和徑流的循環(huán)實現(xiàn)再生和更新。其循環(huán)的基本形式是自然循環(huán)和社會循環(huán)。

　　進入社會循環(huán)供人類使用的水，主要取自江河、湖泊和地下水。

　　地球上的總水量達14.6億km3，但可為人類開發(fā)利用的淡水資源卻有限；特別是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對水資源的污染，加劇了“水質”型缺水。

　　2.1.2水資源的保護與管理

　　水資源的保護與管理的目的實現(xiàn)水資源可持續(xù)開發(fā)利用、保護水生態(tài)環(huán)境的良好狀態(tài)，促進社會經(jīng)濟的不段發(fā)展。

　　水資源保護的內涵是采取法律、行政、經(jīng)濟、技術等綜合措施，對水資源實行積極的保護與科學管理：一方面對水量的合理取用及對其補給源的保護，包括對水資源的開發(fā)利用的統(tǒng)籌規(guī)劃、涵養(yǎng)及保護水源、科學合理用水、節(jié)約用水、提高用水效率等；另一方面是對水質的保護，包括制定有關法規(guī)和標準、進行水質調查、監(jiān)測和評價、制定水質規(guī)劃、治理污染等。

　　水資源管理就是運用行政、法律、經(jīng)濟、技術和教育等手段，合理開發(fā)利用水資源，協(xié)調水資源的開發(fā)利用與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的關系，處理各地區(qū)、各部門之間的用水矛盾；監(jiān)督并限制各種危害水資源的行為；保護水資源的水量及水質供應，以滿足社會現(xiàn)實可持續(xù)發(fā)展對水資源的要求。

　　2.2 市政給水排水工程

　　市政給排水工程是市政水工程所研究的主要內容，它包括居民生活用水、城市生產(chǎn)用水、其他市政用水、各種來源和形式的污水與廢水及各種水的處理、凈化和排放。市政給排水工程含蓋了市政水質工程、市政管網(wǎng)系統(tǒng)工程和建筑給水排水系統(tǒng)工程三大塊。

　　2.2.1市政水質工程

　　2.2.1.1水質工程簡述

　　市政水質工程又可分為市政給水水質工程和市政排水水質工程兩部分。市政給水水質工程主要是對從水源取來的水進行相應的處理，使得經(jīng)過處理后的水符合相應的用水水質標準；市政排水水質工程是對收集的污（廢）水進行處理，使經(jīng)過處理后的水達到污（廢）水排放標準。

　　市政水質工程對水的處理一般采用物理方法、化學方法、物理化學處理方法和生物處理方法。物理一般方法有格柵和篩網(wǎng)攔截、混凝和絮凝、沉淀、氣浮、吸附、粒狀材料過濾以及曝氣和吹脫等；化學方法有電解、化學沉淀、酸堿中和、氧化還原等；物理化學方法有離子交換、電滲析、反滲透和納濾、超濾和微濾等；生物處理方法有好氧生物處理方法和厭氧生物處理方法等。

　　2.2.1.2水及污、廢水的處理工藝

　　對每一項水質指標一般都有一種或幾種處理方法可供選擇。但是，有時一項水質指標只有采用幾種處理方法的組合才能達到水質標準的要求，這種組合稱為處理工藝。在具體情況下，如果有幾種水質項目需要處理，就需要采用多種處理方法進行組合，從而形成相應的處理工藝。

　　當城市以輕度污染的河水為水源時，水中除了渾濁度和細菌學指標不符合標準要求外，水中有機物也常不符合要求，為除去水中有機物，特別是種類繁多的微量有機物，和在混凝、沉淀、過濾之后，增設臭氧氧化和粒狀活性炭吸附的處理方法，或在混凝投藥之前增設生物預處理，或在混凝投藥前后向水中投加氧化劑或粉末活性炭，經(jīng)過處理后的水中微量有機物指標便可符合水質標準要求。

　　城市以含鐵井水為水源時，一般水的含鐵量和細菌學指標不符和要求。對此可以通過曝氣和沉淀過慮去除二價鐵。向濾后水加氯進行消毒，便可使水的細菌學指標符合標準要求。

　　對城市生活污水的處理，主要是降低水中的有機物含量和殺滅水中細菌。一般多采用生物處理的方法對污水進行處理，處理后的水在排放前加氯消毒。城市工業(yè)廢水的處理，要針對廢水的性質，即要降低有機物含量，又要使其他對人體有害的物質達到排放標準。

　　2.2.2市政管網(wǎng)系統(tǒng)工程

　　市政管網(wǎng)系統(tǒng)工程由管道和相應附屬構筑物組成。管道承當水的輸送任務；附屬構筑物則起水壓提升、水量調控以及污（廢）水和雨水的收集等作用。市政管網(wǎng)系統(tǒng)工程分為市政給水管道系統(tǒng)和市政排水管道系統(tǒng)。

　　2.2.2.1市政給水管道系統(tǒng)

　　市政給水管道系統(tǒng)的任務是水的提升、水的輸送和分配及水量的調節(jié)。其組成包括輸水管（渠）道、配水管網(wǎng)、泵站、水量調節(jié)構筑物和給水管道系統(tǒng)上的附屬構筑物。

　　市政給水管道系統(tǒng)的總體布局，可分為統(tǒng)一供水系統(tǒng)、分質供水系統(tǒng)、分區(qū)供水系統(tǒng)和區(qū)域供水系統(tǒng)；配水管網(wǎng)的布置是在給水系統(tǒng)總體布局基礎上進行的，基本形式有樹狀網(wǎng)和環(huán)狀網(wǎng)。輸水管（渠）選線及布置在保證按安全送水和滿足用戶用水要求是前提下，充分利用重力流送水，以節(jié)省工程造價；同時要盡量不穿越如河谷、鐵路等障礙。給水管道系統(tǒng)設計的內容包括流量計算、配水管網(wǎng)中的管段設計流量計算、管徑計算、管道系統(tǒng)水力計算、水泵揚程計算和給水管道系統(tǒng)優(yōu)化計算。

　　2.2.2.2市政排水管道系統(tǒng)

　　市政排水管道系統(tǒng)的任務是將城市的污（廢）水和降水按要求進行收集并輸送到污水廠或天然水體，其主要由污水支管、干管、主干管、雨水支管、雨水干管和排水管道系統(tǒng)上的附屬構筑物組成。

　　市政排水管道系統(tǒng)的體制有合流制和分流制兩種基本形式。前者又分為完全合流制和部分合流制。新建的城區(qū)只能采用分流制，在舊城改造過程中，對改造難度大的可以將原來的合流制改造為部分合流制。排水管道系統(tǒng)設計的內容包括污（廢）水和雨水流量計算、流速設計、最小管徑計算、最小坡度設計及覆土厚度計算。

　　2.2.3建筑給水排水系統(tǒng)工程

　　建筑給水排水系統(tǒng)工程是城市水工程學科的重要內容。從組成上將，它是給水系統(tǒng)工程的末端和排水系統(tǒng)工程的起端；從水質控制上將，建筑給水排水系統(tǒng)工程是關鍵性工程措施之一。為保證人們在節(jié)約用水的前提下，能用到安全優(yōu)質的水和排放不致污染過分的水，建筑給水排水系統(tǒng)工程的設備和裝置起重要的作用，因為它們是人們直接的用水點和排水點。

　　2.2.3.1建筑給水系統(tǒng)工程

　　建筑給水系統(tǒng)工程要保證供水安全可靠、管理修理方便的同時，要力求工程投資量最??；而滿足用戶對水的水量、水質和水壓要求是建筑給水系統(tǒng)工程的核心要求。

　　建筑給水系統(tǒng)工程一般由引入管、干管、主管、支管和用水設備組成。按用途不同可分為生活給水系統(tǒng)、生產(chǎn)給水系統(tǒng)和消防給水系統(tǒng)三類。給水方式有直接給水方式，設有水箱的供水方式，設水泵的給水方法，設水泵、畜水池、高位水箱聯(lián)合供水方式和設氣壓給水裝置的供水方式。供水方式的選擇原則是：保證供水安全可靠，管理維修方便，在滿足用戶用水要求的前提下，力求給水系統(tǒng)簡單，造價最??；充分利用市政管網(wǎng)直接供水。

　　建筑消防系統(tǒng)工程作為建筑給水的重要組成部分，應根據(jù)消防用水的要求供水。特別是現(xiàn)代建筑中的高層建筑和高層建筑群的消防系統(tǒng)，正在成為人們研究的重點。

　　2.2.3.2建筑排水系統(tǒng)工程

　　建筑排水系統(tǒng)工程按排除污、廢水的類別分為生活污水排水系統(tǒng)、工業(yè)廢水排水系統(tǒng)和建筑雨水排水系統(tǒng)。三類排水系統(tǒng)可按需要獨立設置或合并設置，分別稱為建筑合流排水系統(tǒng)或建筑分流排水系統(tǒng)。獨立設置或分流設置主要考慮的因素是：污、廢水的性質、污染程度、城市排水系統(tǒng)的體制以及綜合利用是可能性與處理要求等。同時，排水系統(tǒng)應該有通氣管，將排水管道中的有害氣體及時排至建筑物外。

　　2.3水工藝設備及水工藝過程檢測與控制

　　2.3.1水工藝設備

　　2.3.1.1水工藝設備概述

　　水工藝設備，是以水質為核心的水工藝和工程的重要組成部分。它是保證水質、提高水處理效率、降低制水成本的關鍵?，F(xiàn)代化的水工藝與工程，應在精密、高效、節(jié)約動力和原材料、運行穩(wěn)定的設備方面體現(xiàn)出來。

　　水工藝設備分通用設備、專用設備和一體化設備三大類。通用設備主要有各類閥門、泵和風機。

　　2.3.1.2水工藝專用設備

　　水工藝專用設備可分為物化處理設備和生化處理設備。

　　在水處理工藝中，通過物理、化學、或物理化學作用去除水中某些特定物質或承當整個水處理工藝中某一特定任務的設備，稱物化處理設備。

　　水工藝中常用的物化處理設備有：攔污機械設備，排泥、排沙設備，撇油、撇沙設備，污泥濃縮脫水設備，攪拌設備，氣浮設備，投藥設備，消毒設備，過濾設備，離子交換設備，膜處理設備等。

　　生化處理設備主要有曝氣設備和生物轉盤。

　　水工藝一體化設備分小型一體化凈水設備和小型一體化污水處理設備。

　　小型一體化凈水設備是以地面水為水源，將混凝、沉淀、過濾三個凈水單元合理地組合與同一設備內，再配以加藥、消毒即可成為一個完整的小型凈水設備。它適用于水量較小，遠離城市供水系統(tǒng)以外的區(qū)域。一體化凈水設備混凝、沉淀、過濾三個凈水單元可根據(jù)不同原水水質及處理水量采用不同型式，但原則是：體積小，效率高。

　　小型一體化污水處理設備多用于生活污水的處理。由于生活污水可生化性強，采用生物處理比較經(jīng)濟有效，故基本都采用生物處理工藝。根據(jù)處理工藝流程的不同小型一體化污水處理設備可分為壓力式污水生物處理設備、間歇式污水生物處理設備和地埋式污水生物處理設備。

　　2.3.2水工藝過程檢測與控制

　　水工藝過程檢測分水質檢測、水工藝參數(shù)檢測和水工藝設備運行參數(shù)檢測。

　　水質檢測的目的是為了水處理工藝過程的控制提供依據(jù)，并保證處理后的水質達到預期的要求和規(guī)定的水質標準，掌握水處理設備運行是狀況。水質檢測包含物理性檢測、化學性檢測和生物性檢測。

　　水工藝參數(shù)檢測的目的主要是為了保證水工藝過程運行正常，為生產(chǎn)操作、運行控制以及管理提供依據(jù)。水工藝參數(shù)檢測主要包括：水力特征參數(shù)的檢測；氣體特性參數(shù)檢測；以及其他工藝參數(shù)檢測。

　　3.城市水工程學科的未來

　　在水及污、廢水處理技術方面，水處理的新方法和新工藝正隨著高新技術的發(fā)展，隨著對水質是要求的不段提高，隨著對水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性、安全性的要求不斷提高，而不斷發(fā)展和不斷更新。

　　研制多功能高效、廉價的新的水處理藥劑，是當前的一個熱點。在混凝劑、絮凝劑方面，過去主要用與除濁，但現(xiàn)在因水質污染、水中有機物增多，所以要求研制出即能高效除濁，又能高效去除有機物的新型混凝劑和絮凝劑。目前，研制新型無機高分子混凝劑、新型有機高分子絮凝劑以及各種復合混凝劑，是該領域的發(fā)展動向。氯消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物讀人體健康構成危害，研制安全有效的新型消毒劑以取代氯，是消毒技術發(fā)展的一個方向。

　　在氧化劑方面，目前正在開發(fā)的高級氧化技術，如催化氧化技術、二氧化鈦催化氧化技術等，能提高氧化劑是氧化能力，特別是能產(chǎn)生比上述氧化劑強的中間產(chǎn)物—自由基。

　　膜技術近年發(fā)展非常迅速。膜幾乎可以去除水中的一切雜質，研制低價的微濾膜和超濾膜，用微濾和超濾取代城市水廠常規(guī)水處理工藝，可以不向水中投藥或少投藥，減少投藥對水質帶來的影響，處理水質可以得到進一步，并便于實現(xiàn)水廠自動化，這是水處理技術今后發(fā)展的一個方向。

　　生物技術是當代發(fā)展最迅速的一個領域。利用生物技術對微生物進行分離、純化，得到處理所需的微生物群落和利用基因工程處理微生物，得到處理某些污水的高效菌種這兩個方面，都將大大推動生物法處理水技術的進步。

　　水及污、廢水處理設備與工藝方面，主要是改進專用設備的安全性和提高設備的使用效率和成套及一體化設備的研究。如由于廢水資源化和水回用的要求，要開發(fā)廢水深度處理設備（如膜法、臭氧法、活性碳法及微過濾技術）和新型消毒裝備。安全飲用水技術設備：包括水源水微污染處理技術和設備；鄉(xiāng)鎮(zhèn)和中西部地區(qū)飲水凈化設備；節(jié)水技術設備等。用于輕工、食品、飲料、醫(yī)藥、發(fā)酵、屠宰加工領域的中、高濃度有機廢水處理設備。根據(jù)市場需求，要重點發(fā)展升流式厭氧污泥床反應器（UASB）、厭氧復合濾地、好氧生物流化床及折流式厭氧生物處理反應器等技術設備。近幾年來，我國合資的啤酒廠和可口可樂廠，大多引進了國外的升流式厭氧污泥床反應器組件和沼氣燃燒系統(tǒng)，而國內的水處理環(huán)保企業(yè)，還很少有能力提供此類定型組件和沼氣系統(tǒng)設備。開發(fā)造紙廢液有效的處理設備。為了控制水污染急劇發(fā)展，國家不得不下令關閉大批小造紙廠，以改變一個紙廠污染一條河道的局面。但大中型的造紙廠，特別是草漿廢水的治理，應著力研制可行的技術裝備。還有表面處理廢水、廢液及有色金屬等礦冶煉廢水處理設備；含油廢水處理設備；油田水凈化設備；煤礦地下水及高濁度含鹽廢水處理凈化設備等，都需要在優(yōu)化現(xiàn)有處理設備基礎上，開發(fā)定型設備。開發(fā)多功能組合式水處理設備等。

　　城市水工程施工與經(jīng)濟是城市水工程學科是最重要的外延。城市水工程學科的各個方面都具有很強的使用性，水的開發(fā)、凈化、供給、保護、利用和再生都與經(jīng)濟直接相連。在水工程項目方案評價、決策及項目建設、管理方面將有長足發(fā)展。