城市水工程概论

　　onclick="g('Abs');">Abstract: This paper has described the evolution, intension and future of municipal water engineering and has analyzed the shortage of water resource and water pollution which our country faces at present. I will combine practice with the theory in the discipline, give play to my own ability, and make a contribution to the development of municipal water engineering.

　　Key words: municipal water engineering, water industry, water resource, water treatment

　　1. 城市水工程学科的沿革

　　1.1水工程学科

　　1.1.1水的社会循环

　　水是生命之源，与人类生活和社会发展息息相关。人们生活用水、工业用水和农业用水，都对用水的水质和水量有相应的要求。人们为了生活和生产的需要，由天然水体取水，经适当处理候，供人们生活和生产使用，然后排回天然水体，这个人为的循环过程就是水的社会循环。

　　1.1.2什么是水工程

　　改革开放以来，我国已由社会主义计划经济体制向社会主义市场经济体制转变。在社会主义市场经济体制下，水作为一种特殊商品正在进入市场，以采集、生产、加工商品水为主的新型产业“水工业”应运而生。水工业是以水的社会循环为服务对象，为实现水的社会循环提供所需的工程建设、技术装备、运营管理和技术服务。它与服务于水的自然循环及其调控的“水利工程”，构成了水工程的两个方面。

　　1.1.3城市水工程学科

　　“城市水工程”学科是以水的社会循环为研究对象，以水的水质为中心，研究其水质和水量的运动变化规律，以及相关的工程技术问题，在社会主义市场经济条件下，以实现水的良好社会循环和水资源的可持续利用为目标的工程技术学科。

　　1.2 城市水工程学科的沿革

　　“城市水工程”学科是由近50年前成立的“给水排水工程”扩展而来。作为21世纪的朝阳产业，水工业的发展使得水工程的研究对象发生了变化。“水的社会循环”已取代“城市基础设施”而成为城市水工程的主要研究对象，而且学科的主要矛盾也从“水量”转变为“水质”，学科的性质已发生了质的变化。“给水排水工程”学科已不能满足现代水工程的需要。所以，“城市水工程”学科的出现是历史发展的必然。

　　每一种产业都需要有相应学科和专业的支持才能得到发展。“城市水工程” 即为水工业的主于学科，它以水的社会循环为研究对象，在水量和水质两个方面以水质为中心，加强化学和生物学基础，保持工程传统，向水资源、市政水工程、建筑水工程、工业水工程、农业水工程、节水产业等方向全面拓宽，以适应市场经济和满足水工业发展的需求。

　　2. 城市水工程学科的内涵

　　2.1 “城市水工程学科”是水工业的主干学科

　　任何工业都是一个综合体系，都需要多种学科的支持，特别是主干学科的支持。“城市水工程”学科就是支持水工业的主干学科。水工业主要以城市水工程学科的科学理论为指导，城市水工程学科以水工业发展中提出的问题特别是前沿课题为研究对象，以科技进步带动水工业发展和进步。“科技是第一生产力”。所以，城市水工程学科对于水工业的发展将起极其重要的作用。

　　2.2 水资源的利用与保护

　　2.2.1 全球水资源

　　（1）地球水量储存

　　在陆地有限的水体中并不全是淡水。据统计，陆地上的淡水量仅为0.35亿，占陆地水储量的73％。其中的0.24亿（占淡水储量的69.6％）分布于冰川、多年积雪、两极和多年冻土中，在现有的经济技术条件下很难被人类所利用。人类可利用的淡水只是0.1亿，占淡水总量的30.4％，主要分布在600m深度以内的含水层、湖泊、河流、土壤中。

　　（2）全球水资源面临的问题

　　根据地球水储量和分布，人类可利用的淡水资源仅为0.1亿，只是地球上水的很小一部分。此外，有限的水资源也很难再分配，巴西、俄罗斯、中国、加拿大、印度尼西亚、美国、印度等9各国家已经占去了这些水资源的60％。从未来的发展趋势看，由于社会对水的需求不断增加，而自然界所能提供的可利用的水资源又有一定限度，突出的供需矛盾使水资源成为国民经济发展的重要制约。

　　2.2.2 中国水资源状况

　　我国地域辽阔，人口众多，是一个发展中的大国。虽然我国的水资源总量达2788，仅次于巴西、俄罗斯、加拿大、美国、印度尼西亚。从表面上看，我国淡水资源比较丰富，但由于我国人口基数很大，人均占有水资源量仅为2300，仅相当于世界人均占有量的1/4，排在世界的121位。

　　我国水资源面临的主要问题有如下几个方面：

　　●水资源开发过度，生态破坏严重

　　●城市供水集中，供需矛盾尖锐

　　●地下水过量开采，环境地质问题突出

　　●水资源污染严重，水环境日益恶化

　　●水资源开发利用缺乏统筹规划和有效管理

　　我国已处于严重的缺水边缘，随着我国经济的发展、人口的增加和人民生活水平的提高，用水量会越来越大，水资源短缺问题会越来越严重。

　　2.2.4 水资源的开发利用

　　人类对水资源的开发利用的认识经历了一个漫长的历史时期。在古代社会努力适应水环境变化，力图达到趋利避害、增利减害的目的；在近代社会为了兴利除害，追求对水资源进行多目标开发；在现代社会，对水资源的利用进入了密切协调社会与自然关系的阶段，更加注意社会、经济效益和生态平衡，以期获得最大的综合效益。

　　我国年用水总量高居世界第二，而人均用水量不足世界人均用水量的1/3。与世界先进国家相比，工业和城市生活用水所占的比例较低，农业用水占的比例过大。随着工业化、城市化的发展及用水结构的调整，工业和城市生活用水的比例将会进一步提高。

　　当前我国在水资源的开发利用过程中，一方面是由于水资源紧缺且又受到严重污染，另一方面又缺乏科学的管理，导致在水资源的开发利用中出现水资源短缺、生态环境恶化、水资源污染严重、“水质型”缺水严重、水资源浪费巨大等严重问题。

　　2.2.3 水资源的保护

　　针对水资源开发利用过程中存在的问题，必须采取有效措施，加强对水资源的保护，实现水资源的良性循环和可持续利用。

　　水资源保护，应该通过行政的、法律的、经济的手段，合理开发、管理和利用水资源，保护水资源的质、量供应，防止水污染、水源枯竭、水流阻塞和水土流失，以满足社会实现经济可持续发展对水资源的需求。在水量方面，尤其要全面规划、统筹兼顾、综合利用、讲求效益、发挥水资源的多种功能。同时，也要顾及环境保护要求和改善生态环境的需要。在水质方面，必须减少和消除有害物资进入水环境，防治污染和其他公害，维持水质良好状态，实现水资源的合理利用。

　　2.2 城市给水系统

　　2.2.1 城市给水现状

　　随着经济建设的大规模开展，我国城市给水工程建设也得到了飞速发展。在我国现有的669个城市中，建设系统内已有水厂2032个(全社会为4000个)，综合供水能力为10617×104/d(全社会供水能力为19994.46×104 /d)，供水普及率达到94.99％，人均用水量为208.02 L/d。但是我国的城市缺水现象还是很严重的。2000年的资料指出，在全国669个城市中，400个城市常年供水不足，其中有110个城市严重缺水，日缺水量达1600万。在我国经济比较发达、人口比较集中的地区，特别是水资源短缺地区（如海河及黄河下游平原、山东半岛、辽河平原及辽东半岛、淮北平原等）的城市水的供需矛盾尤为突出。例如，北京市每年缺水11.4亿，天津市缺水26.2亿。由于供水不足，城市工业每年的经济损失达2300亿元。同时给城市居民生活造成许多困难和不便，成为城市社会中的一种隐忧。

　　

　　2.2.2 城市给水系统的任务和组成

　　给水系统是保证城市居民生活用水、工业生产用水和市政消防用水的设施，是由一系列构筑物和输配水管网组成的。给水系统的任务是从水源取水，按照用户对水质得要求进行处理，然后将水送到供水区，并向用户配水。

　　给水系统通常包括下列工程设施：

　　●取水构筑物

　　●输水管道

　　●泵站

　　●水处理构筑物

　　●调节构筑物

　　●配水管网

　　●附属构筑物

　　 图1－1表示以地表水为水源的给水工程系统。

　　2.2.3 onclick="g('给水管');">给水管道系统

　　 （1）onclick="g('给水管');">给水管道系统的规划和布置

　　onclick="g('给水管');">给水管道系统是给水系统的一部分，它承担的任务就是水的提升、水的输送和分配及水量调节，起到保障用户用水的作用。

　　根据城市总体规划、水源状况、城市地形、供水范围及用户对水质、水量和水压的要求不同，onclick="g('给水管');">给水管道系统总体布局也有所不同，概括地分为统一供水系统、分质供水系统、分区供水系统和区域供水系统四种。

　　作为onclick="g('给水管');">给水管道系统的主要部分，配水管网的基本布置形式有两种，树状网和环状网。布置配水管网要求管线遍布整个用水区，供水安全可*，力求以最短距离向用户供水（特别时大用户），按城市规划要求保留管网发展余地，管道一般按规划道路敷设，但尽量避免敷设在高级路面下。

　　输水管就是从水源道水厂及从水厂二级泵站道配水管网的管线。输水管渠选线及布置要求如下：

　　●应能保证不间断供水；

　　●尽量使输水管线最短，以降低造价和输水费用；

　　●输水管线尽量避免穿越河谷、铁路等障碍物以及沼泽、滑坡扽地质不良地区，并尽量不占或少占良田。有条件时，最好沿现有道路或规划道路敷设管道；

　　●充分利用地形，优先考虑重力流或部分重力流输水。

　　由于城市附近的水源水量不足或水源受到污染，有的城市往往通过长距离输水工程引水以满足城市用水要求。到目前为止，我国已建成“引滦入京”，“青岛引黄”和上海“黄浦江上游引水”等长距离输水工程。现在，我国的“南水北调”工程正在建设当中。工程对缓解北方地区水资源严重短缺局面，促进经济、社会和生态的协调发展具有重要意义。

　　 （2）onclick="g('给水管');">给水管道系统设计与运行管理

　　 onclick="g('给水管');">给水管道系统设计主要内容有以下六部分：管道系统布置和定线；设计流量计算；求出管道直径；计算管道中水头损失；求出二级泵站扬程及水塔高度（当设置水塔时）；水量调节构筑物（清水池、水塔或水库）容积计算。

　　 onclick="g('给水管');">给水管道系统运行管理的要求是：水量足够；水压平均；水质保证；供水安全；运行经济。要达到这样的要求，必须加强管道系统的日常技术管理并进行优化调度，主要内容有：捡漏；管道腐蚀和结垢的防治与清除；管网水质的改善；管网水压和流量测定；管网调度。

　　2.3 城市排水系统

　　2.3.1 城市排水系统的任务和组成

　　

　　城市排水系统一般由废水收集设施，排水管网，水量调节池，泵站，污水处理厂，废水输水管和排放口等构成人们在生活和生产过程中使用大量的水。水在使用过程中受到污染成为污水或废水，需进行处理和排放。城市内大气降水（包括雨水和冰雪融水）也需及时排除。排水系统就是将城市污水、废水和降水按要求进行收集、处理和排放的工程。

　　城市排水系统一般由废水收集设施，排水管网，水量调节池，泵站，污水处理厂，废水输水管和排放口等构成。

　　对城市污水、废水和雨水的汇集排除方式，称为排水体制。排水体制分合流制和分流制，图1－2所示即为分流制排水系统。

　　2.3.2 排水管道系统

　　 排水管道系统分布于排水区域内，其功能是将收集到的污水、废水、和雨水等输送到处理地点或排放口，以便集中处理或排放。

　　排水管道系统在平面上的布置均呈树状网形式。管道系统布置和定线的原则是：尽可能在管线短、管道埋设深度浅的情况下，使最大区域的污水或雨水能自流排除。为此，应对城市地形、竖向规划、地质条件、河流情况及污水厂位置等进行综合分析，而后根据排水体制提出管道系统布置方案。排水管道系统的布置是多种多样的，进行管道系统布置时，提出几个方案进行比较，以决定经济、合理的布置方案。

　　城市排水系统采用分流制时，污水管道系统仅担负着城市污水的收集和输送任务。污水管道系统的设计内容主要是：管道系统的平面布置；计算设计流量；管道直径和坡度计算；管道埋深设计；附属构筑物设计。雨水管道系统及时地汇集并排除暴雨形成的地面径流，防止城市居住区与工业企业受淹，以保障城市人民的生命安全和生活生产的正常秩序。

　　2.3 水工艺与工程

　　2.3.1 水质、水质指标和水质标准

　　（1）水质

　　水质，就是水及其所含杂质共同表现出来的物理的、化学的和生物学的综合特性。某一水质特性，可通过水质指标来表达。

　　（2）水质指标

　　常用的水质指标有以下几种：

　　悬浮物（SS）：沙砾、悬浮固体、漂浮物。

　　生化需氧量（BOD）：在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量（mg/L）,是一种间接表示水被有机污染物污染程度的指标。

　　化学耗氧量（onclick="g('COD');">COD）：用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所消耗的耗氧量，主要作为工业废水的污染指标。

　　pH值：反映水的酸碱强弱的指标。

　　细菌总数：一般指大肠杆菌群数。

　　有毒物质：指达到一定浓度后，对人体健康、水生生物的生长造成危害的物质。

　　（3）水质标准

　　生活饮用水的四项基本水质标准：

　　浊度：浑浊的天然水在一般情况下对人体没有多大影响，自来水浊度越低，水中污染物含量也越低，水质就越好。国家《生活饮用水卫生标准》规定浊度不得大于3NTU。

　　 onclick="g('余氯');">余氯：饮用水经过加氯消毒，在一定时间后仍有适量的onclick="g('余氯');">余氯存在于水中，以控制细菌继续繁殖，保证持续的杀菌能力。国家《生活饮用水卫生标准》规定在与水接触30min后应不低于0.3mg/L,集中式给水除出厂水应符合上述要求外，管网末端水不应低于0.05毫克/升。

　　 细菌总数：细菌总数是微生物指标，消毒后水中的细菌总数，在一定程度上可反映微生物污染程度。水中大多数细菌并不致病，当然自来水中细菌总数越少越好。国家《生活饮用水卫生标准》规定每毫升水样细菌总数不得大于100个。

　　 总大肠菌群：总大肠菌群是饮用水的微生物安全性指标，如果饮用水中总大肠菌群没有检出，说明饮用水无肠道致病菌存在。国家《生活饮用水卫生标准》规定每升水中总大肠菌群小于3个。

　　工业用水的水质标准主要有悬浮物（mg/L）、总硬度（me/L）、总碱度（me/L）、pH值、溶解氧（mg/L）等。

　　2.4.2 水处理工艺

　　水处理工艺是水工艺与工程学的技术主题，是以水质为中心的水处理技术的总称。随着水工业基础学科如水力学、化学和微生物学等理论的逐步深入完善、社会经济发展对给水水质和污水处理要求的提高，水处理工艺在原有给水处理和污水处理技术基础上，得到迅速发展和提高，加强了水科学和工程学科体系的技术支柱。

　　水处理工艺体系包括一下几个技术内容：

　　（1）物理水处理技术：以物理方法为主的水处理技术，主要有吹脱、onclick="g('气浮');">气浮、蒸发、蒸馏、物理场（电磁、超声、微波）处理等。

　　（2）化学水处理技术：以化学和物理化学方法为主的水处理技术，主要有：沉淀、絮凝、过滤、催化氧化、光化学氧化、中和、吸附、离子交换、水质稳定和膜处理技术等。

　　（3）生物水处理技术：以生物方法为主的水处理技术，主要有：各种天然的和人工的好氧处理、onclick="g('厌氧');">厌氧处理技术以及水生生物处理技术等。

　　2.4.3 水工程技术

　　水工程技术是水工艺与工程学的重要组成部分，它是研究运用工程技术和有关学科的原理、工艺方法，在水的开采、加工、输送、利用、回收和再生回用以及排放的过程中保持良性社会循环，使其满足人和社会持续发展需求的工程学科。

　　水工程技术的主要内容包括：给水工程技术、污水工程技术、污水再生回用工程技术和建筑给排水工程技术。

　　给水工程技术是以满足城市和工业用水为目的，研究水的开采、处理和输配的工程技术；污水工程技术是研究城市和工业污水的汇集、处理和处置以及排放的工程技术；污水再生回用工程技术是使生活污水和生产废水经过必要的处理，恢复其使用价值，回用于工业、市政绿化、冲洗洗涤、地下水回灌和补充地面水等方面的工程技术，它几集水的回收、处理、利用于一体，是水的社会循环中的一个子循环。建筑给水排水工程技术则是研究工业与民用建筑的生活、生产和消防用水供应和污水的汇集、处置，以创造卫生、安全、舒适的生活、生产环境的工程学科。

　　3. 城市水工程学科的未来

　　水是生命之源，与人类生活和社会发展息息相关，是地球上一切生物生存的物质基础，也是人类社会不断进步和发展的基础。

　　我国的水危机形势严峻，人均水资源量只有世界平均量的l/4，加上时空分布不均，使水资源短缺造成的损害不亚于洪涝灾害。我国目前水环境污染也很严重，河段有47％，湖泊有75％，城市水源有90％受到污染，每年造成的损失占GDP的1.5％－3％。水资源短缺和水环境污染已成为我国社会经济发展的重要制约因素。

　　水危机推动着水工业的形成和发展，水工业正迎来大发展的时代。而且，我国正在进人高新技术时代，生物技术、信息技术、材料科学、物理化学等方面的高新技术，正在不断被引人水工业，高新技术也正推动水工业向着现代化方向发展。

　　以水资源短缺和水环境污染为代表的水危机，不仅限于我国，而且也是一个世界性问题。世界上许多权威性国际组织近年来不断发出警告，如国际人口研究组织1997年发表研究报告认为“在未来50年里，全世界至少有1/4的人日将面临水资源短缺”，联合国水资源大会指出，“水不久将成为一场深刻的社会危机”。国际国内水危机的加深必将促进水工业的发展，可以预计，水工业作为21世纪的朝阳工业，前途是远大的。

　　城市水工程学科，作为水工业的主干学科，必须要发展以适应日益严峻的水资源形势，以便更有效地解决水工业中出现的问题，如水资源短缺、水污染等。毋庸置疑，随着城市化进程的快速推进，城市水工程学科的发展空间是巨大的，必将带来一场新的水资源变革。

　　参考资料：

　　1. 李圭白等.城市水工程概论.北京：中国建筑工业出版社，2002

　　2. 李广贺.水资源利用与保护.北京：中国建筑工业出版社，2002

　　3. 严煦世等.给水排水管网系统.北京：中国建筑工业出版社，2002

　　4. 刘晓松.中国水工业发展的现状与对策.中国给水排水，1995

　　5. 钟淳昌等.中国城市给水工程的发展趋势.给水排水，1994

　　6. 崔玉川.我国城市水资源短缺的形势与对策.中国水网

　　7. 张基尧.南水北调工程几大看点.中国南水北调网