自来水管网设计及施工
摘要：随着水资源日益紧缺和水资源开发利用率的提高新系统的兴建和老系统的改扩建等所需的工程投入逐渐增大。城市供水管网是城市供水系统中重要的一环，因此，供水管网的规划、设计和运行管理是否科学、经济、实用，直接影响工程的投资、运行管理费用及系统的可靠性。文章分析了直接式管网叠压供水和无负压管网增压稳流给水这两种新型管网供水优化系统，并简要介绍了给水管网系统科技发展方向和任务。
关键词：自来水管网；管网设计；发展方向
1、中小城市自来水管网存在的问题
自来水管网是城市最重要的基础设施之一，在自来水系统中起着举足轻重的作用。但是由于历史的原因，我国中小城市的自来水管网建设大都滞后于水厂建设，存在各种各样的问题，主要表现为：管网建设年代久远，老化严重，管径偏小，管材质量不好，漏损严重，水量不足：管网呈枝状网，一旦某处干管爆管，整个下游管网处于停水状态；管网布局不合理，一般水源离老城区较近，离新城区较远，导致用水量大的新城区管径太小，用水量逐渐下降的老城区管径偏大；管道上附属设施损坏严重，管网严重堵塞，整个自来水管网水压偏低，不能满足居民生产生活的需要。
2、某市自来水管网存在的具体问题
2.1该市管网基本情况
该市被一条江分为两个城区，江水以北为老城区，江水以南为新城区。水厂位于老城区，从水厂引出1条DN600主干管和1条DN800主干管供给老城区用水，另外还有1条DN600主干管供给新城区。但由于江水的阻隔，新老城区管网没有联成有效的环状网，新城区DN600主干管除了和水厂连接以外，只通过1条DN200管道和老城区DN800主干管相互连接。
2.2存在的问题
2.2.1管道年久老化笔者在前期资料收集中就发现，该市给水管道建设年代久远，大部分管道是20世纪70年代末80年代初建设，多采用砼管和灰口铸铁管，老化严重，埋深较浅，漏损严重。例如在水厂出水供给老城区大部分用水的DN800(L=3000m)主干管所在街道上，发现多处漏水从地下冒出，白自流入下水道。同样是在这条街道上，每年都发生多起汽车压坏管道的事故。
2.2.2没有形成有效环状网新老城区之间的连通管管径偏小，主管道漏损严重，没有形成有效的环状网。例如在新老城区的接合部(江水两侧)自来水水压很低，只能在夜间达到1楼，部分地势偏高的地方常年无水。在老城区DN800主干管发生事故时，新老城区都受到大面积停水的影响。
2.2.3管道布局极不合理老城区人口少，但主干管有2条，支管道比较密集；新城区人口多、工业企业多，但主干管只有1条，且没有形成有效的支管道。同时，市民为了方便私自从自家附近支管上接水，导致某些管径很小的支管上用水户非常密集。
2.2.4管道漏损、堵塞严重老城区管道特别是作为主干管的DN800管道漏损、堵塞严重。据当地水厂技术人员反映，管道堵塞主要有两个原因，其一是在管道爆管检修时，常有混凝土“掉入”管道中；其二是大部分阀门年久失修，处于半关闭状态，还有一些管道上的阀门竟然在修路时被埋入混凝土路面以下，导致多年无法检修。在调查中发现整个城区的水压都只能满足1楼自来水的需要，其他楼层都只能从1楼取水。
3、管网设计
3.1管网平差设计
预测用水量，利用LOOP软件进行平差设计，确定每条管道的管径、距离等。这是控制整个改造工程项目成本最关键的一步，设计人员要反复收集资料并做方案比选。这可以参考严煦世、范瑾初等编著的《给水工程(第四版)》，在这里不作为论述重点。
3.2资料收集
该市早期的管道施工图纸丢失，并在以后的几次改造中也没有进行设计。而自来水管道埋设在地面以下，技术人员无法明确管道的位置。因此资料收集显得异常重要。笔者与当地水厂技术人员特别是管道检修人员联合进行实地踏勘，逐条街道了解情况，并在这此过程中了解管道位置、画出草图，以免过后遗忘。
3.3物探地下管线
旧城区街道狭窄，各种管道埋设情况极其复杂。地下埋设有电信通信线路、联通通信线路、军用光缆、电力电缆、排水管道、雨水管道、窖井等；地上有高低压电线杆、各种树木、各种建筑物(特别是违章占用人行道的建筑)等。
如果仅凭借实地踏勘了解到的资料去设计，带有很大的盲目性，极不利于工程项目管理和成本控制。例如在施工中，我们发现在设计的管道位置下面常常埋设有其他管道，导致返工和设计变更频繁发生。
因此，我们就聘请某物探公司，依据平差结果有针对性地对整个城区需要敷设管道的街道进行了物探。
3.4具体管网施工图纸的设计
依据搜集到的资料(城区的平面图和带状地形图)，结合物探图纸进行设计。绘制管道平面图和纵剖面图纸。在设计中尽可能地避免与现有管线“打架”，确保尽量明确工程造价。
4、直接式管网叠压供水技术
直接式管网叠压供水技术是对传统二次供水技术的革新，在市政管网压力允许的情况下，管网叠压供水设备可取消贮水池，直接从市政管网中取水增压。直接式管网叠压供水系统主要由水泵、稳压平衡器和变频数控柜组成，取消了贮水池和屋顶水箱。水泵直接从与自来水管网连接的稳压平衡器吸水加压，然后送至各用水点。
直接式管网叠压供水系统的工作原理分以下几种情况：在自来水管网的水压能满足用水要求的情况下，即管网压力大于或等于设定压力时，加压水泵停止工作，自来水可通过旁通管直接到达用水点；当自来水管网水压不能满足用水要求时，电接点压力表向变频数控柜发出信号，变频软起动水泵机组加压供水，直至实际供水压力等于设定压力时，变频数控柜控制水泵机组以恒定转速运；在用水高峰期间，用户管网压力下降，当降到低于设定压力时远传压力表发出信号给变频数控柜，使变频器频率升高，水泵机组转速增加，出水量和压力都随之上升，直至用户实际压力值等于设定压力值；在用水低谷期间，用户管网压力上升，当高于设定压力值时远传压力表发出信号给变频数控柜，变频器频率降低，水泵机组转速降低，使用户管网实际压力值等于设定压力值。
5、无负压管网增压稳流给水设备
无负压管网增压稳流给水设备主要由微机变频控制系统、负压检测及处理系统、水泵机组、稳流补偿器、真空抑制器、各种管件、阀门等组成。
首先根据用户实际情况设定用水点工作压力。设备运行过程中实时检测实际供水压力，并与设定压力进行比较，调节变频器频率，使管网压力始终保持在设定数值上。负压检测装置实时检测稳流补偿器中的用水量变化情况，当检测到实际用水量小于管网的给水流量时，此时管网不产生负压，稳流补偿器进入储能状态；当检测到实际用水量大于管网的给水流量时，设备通过真空抑制器及稳流补偿器中的检测装置采集稳流补偿器内的真空度及水位信号，通过微机控制真空抑制器及稳流补偿器中的特殊装置动作，将稳流补偿器中原来储备的能量进行释放，以补偿此时能量的不足，达到整个系统内压力的自动平衡状态，抑制负压的产生，完成不间断的持续供水。多变量模糊控制与智能管理系统技术，在运行过程中，针对需要控制的对象具有的多样性、随机性、连续性及高度不稳定等特性达到多层次、多目标的综合效果来实现无负压的过程。
6、两种系统的综合分析
这两种系统均是根据水泵工作的压力叠加原理，直接串联的供水方式充分利用了市政给水管网的水压，减小了二次加压水泵的工作能耗，节能效果明显。而且无需修建蓄水池或水箱，避免了自来水在池中滞留，彻底杜绝了水池、水箱内水资源及定期清洗水池等对水资源的浪费。同时还节约建筑面积、节省土建工程投资、简化加压系统设计。并且抽水设备直接与室外市政给水管网串接，实现了从水厂供水到用户的连续流过程。而且无负压管网增压稳流给水设备采用了全密闭的负压抑制系统，自来水不与空气直接接触，彻底杜绝了水质的二次污染。
但由于这两种系统提出的时间比较短，在一些方面仍有不足。现今很多生产厂家只在传统的变频供水设备的基础上，用储水罐加上一个自动进排气阀，声称无负压设备。使用这样的无负压设备，当市政给水管网供水不足时，设备会出现停机保护现象，人为增加了不正常的供水时间，而且机组频繁启动会造成管网压力波动过大等问题。其次，在无负压管网增压稳流给水设备运行时，水泵机组的工作扬程范围变大，对水泵机组的性能提出了更高的要求。而采用直接式管网叠压供水技术，如果将叠压供水设备设置在地下室，不仅可能影响周围用户的水压，还可能导致回流污染或地下水侵入。但如果设置高程过高，则可能出现断水现象。同时，市政管网水压波动范围较大时其应配置特性曲线较陡，范围较大的水泵，这就要求有更多的资金投入。旁通管的止回阀应具有可靠的密闭性能，并应当设置倒流监测装置，在有可能较长时间停用的旁通管应采取一些有效的措施，避免水质恶化产生二次污染。
7、结束语
城市给水管网系统是城市最重要的基础设施之一，其运行可靠与否直接影响着人们的日常生活和工业生产。随着计算机及控制管理科学技术的进步，给水管网设计、运行与管理科技水平有了很大的发展，国内外给水管网研究工作者已做了大量的研究和开发工作，并取得了丰硕的成果，为管网设计与管理提供强有力的支持和推动。经过我国的改革开放和技术引进，已经应用了大量先进的科学技术，提高了科技水平和效率。然而，与发达国家相比，我国还存在着较大差距。我们迫切需要加快步伐和力度，深入开展下列科学研究，形成适合中国国情和特点的高科技产品和市场。
参考文献
[1]叶建良，等．非开挖铺设地十管线施工技术与实践[M]．武汉：中国地质大学出版社，2005
[2]樊建军，魏晓安，王峰管，网叠压供水技术存在的主要问题及解决途径[J]中国给水排水．2006.22