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摘要：分析了目前城市供水管网设计运行中存在的问题，指出传统设计理论的局限和缺陷，提出供水管网系统区块化设计理念，分析了供水管网区块化布置的优点，探讨了国内供水管网区块化技术难点。
关键词 ：供水管网设计理念区块化阶层化
中图分类号：TV674文献标识码： A 文章编号：
一、问题的提出
随着社会经济水平的发展，城市供水面临新的要求：1、用户对水质要求越来越高，要求好的口感，要求降低余氯带来的味道，要求取消屋顶水箱由市政直接供水等等。2、漏失率的控制要求提高。3、城市道路开挖越来越困难。新建道路基本不允许开挖，即使允许，也会给予正常开挖五倍的惩罚性收费，大大增加管道敷设的成本。4、抢修难度越来越大，成本越来越高。体现在一旦发生爆漏，停水超过24小时即要送水；管道抢修要让位于交通通畅，抢修工作往往在夜晚交通不繁忙时进行；一旦对交通有较大的影响，交管部门便会要求暂停抢修，采取措施临时恢复交通，增大了抢修成本等等。
而目前国内以环状为基本格局的城市供水管网（尤其是大型供水管网）普遍存在的主要问题是：管网布局分区层次不合理，管线连接复杂重复，水质下降，管网漏失严重，事故抢修时停水影响范围大且时间长，管网水力模型与实测数据有不小的出入，管网运行调度困难等。而且，随着城市规模的扩大，上述问题会越来越严重。我们认为，造成前述管网问题的因素是多方面的，其中一个重要因素就是源于作为指导供水管网建设的传统理论已明显落后于形势的发展，亟待更新改进。
总的来说，传统供水管网布置和计算理论在指导城市供水管网建设时容易产生如下弊端：
1、由于过分地强调环状管网的安全和灵活运行特点，而使供水管网连通过度，同时又没有配合布置足够多的控制阀门（传统理论关于各级管段的阀门设置要求比较模糊，而且由于阀门质量不过关，或保养不到位，实际上过多的阀门本身也会成为管网运行调度的障碍），当某一管段故障时，停水范围较大，往往造成爆漏管径越大，停水范围越大的现象。所以，过度的连接没有起到提高供水保证率的作用。
2、传统理论中的主干管、干管、次干管、支管、分配管分级概念不是很明显，尤其在水厂的下游区域，不容易区分管段的性质，给供水管网布置方式带来困惑。
3、主干管过多的开叉连通，导致干管压力下降过快，不能保障末端压力，或者出厂水压过高。
4、由于水流在环状管网中四通八达，自来水停留时间过长，水质容易下降。
5、连通过多，主动探漏、提前控制漏失困难。
6、按经济流速概念计算的管网管径过于强调设计状态的最经济，却忽视了城市给水系统的增长因素，难以适应城市用水量的增长，而且没有考虑管网水压均衡分布的意义。
二、供水管网系统区块化设计理念
面对城市供水管网规模越来越大、管网故障对城市影响越来越大、水资源越来宝贵、控制管网爆管漏损越来越急迫等现实局面，供水管网设计理念也应该与时俱进，适应新的形势发展。赵洪宾教授2001年率先提出配水系统的区块化理念，这里的“区块化”不同于一般概念上的管网并联或串联分区，而是综合考虑水源性质、数量、位置，城市地形与行政区域，现有管网的规模，将现有的管网系统改造为若干个区域，实现分区供水，实施区域管理。并且各区块内的支管向用户供水，实现供水干管与支管的功能分离。另外，通过在各区块内设置管网监测设备，可以对各区块的水量、水压、水质进行监测，从而实现配水系统的水量、水压、水质的有效管理，为保证供水安全性，在临近的区块间（大区和大区之间、中区和中区之间、小区和小区之间）设置应急联络管。
在此基础上，2002年提出在管网微观动态模型的基础上进行了供水管网分区，然后用模型指导管网分区的运行操作；2003年详细阐述了管网分区方法，包括建立管网微观模型、设定分区阶层、确定区域规模、设置区域边界和进水点、区域规整以及分区方案评估等；2007年提出了供水管网实用优化分区的概念，在分区的基础上再通过水力模拟计算进一步确定其合理性并完善方案；2008年赵明系统总结了管网区块化的概念和实施方案，提出了管网阶层化理论。
提出将供水主干管或干管与供水支管相互分离，并根据地形，行政区域等特性将复杂的管网系统分成若干个相对独立的区域（子系统），实现阶层化区块化供水。配水系统阶层化后的区块化具有以下优点：
1、城市干管只与数量有限的分区干管连接，分枝少，结构简单，因而故障率相对较低即使干管发生局部故障，也只会影响本条干管的压力和供水总量，由于每一个分区还有备用引水管，就不会导致用户停水，改变了以往爆漏管径越大，停水范围越大这一现象，提高了管网的安全性能。
2、由于每个分区干管与城市干管的连接点很少，因此分区内管段发生故障只要关闭有限几个阀门，抢修时关闭阀门方案简单，减少决策、关阀时间。
3、由于供水主干管敷设方向与城市发展方向相吻合，以最短的距离将水送到，因此减少了水流在管网中的停留时间，也为管网中点加氯提供了条件，保证了水质；同时由于开叉少，干管压力下降慢，可以适当降低出厂压力，节能。
4、为在高水压区域采用降压措施、在低水压区域局部加压提供了条件。可以保证管网整体上在均衡低压（当然在保证正常供水）状态下运行，减少管网漏损和爆管频率。
5、管网改造有的放矢，避免盲目性。由于管网递次分级分明，管网流向明确，当管网中某管段水头损失上升时，即表示该管段管径无法满足流量增长的要求，需要进行改建或扩建。
6、水力计算更加准确，为优化调度提供基础条件。由于每个分区干管前设置了流量、水质监测装置，因此在进行管网水力计算时，城市干管的流量是准确的，使得对管网运行的现况把握更准确。
7、使主动探漏、漏损控制成为可能。
三、国内供水管网系统区块化技术难点探讨
国内城市供水管网系统实施区块化的难点包括：
1、管网规划设计问题：传统的管网工程设计标准没有区块化的理念，出于供水安全性考虑，管网尽量多的成环。
2、工作量和成本问题：要想实现区块化独立管理，必须安装大量阀门来切断不同区块边界第二、第三阶层管道的连接，安装边界流量计，工作量大，成本高。
3、水量、水压、水质问题：对于本来运行良好的管网系统，出于分区计量而强行切断不同区域边界管道连接，可能导致部分用户水量、水压不满足，部分区块边界处水质变差。边界管道堵头处容易出现死水，水龄变长。
这些限制可以通过调整区块的规模、在间歇供水区域临时恢复供水、用管网模型或压力数据采集装置评估用户用水压力以及教育和培训来克服，水质问题可以通过定期的冲洗计划或重新设计区块边界来克服。
四、结语
随着城市规模的日益增长，城市用水量的日益增加，城市管理要求的日益提高，供水管网的正常运行和对未来的适应性越来越重要。城市供水管网的基本设计理念需要有比较大的突破发展，应该更着重于安全、质量、可控、节能、节水、适应性等要求，避免市政管网频繁的事故維修和改建扩建。
供水管网布局上采用区块化布置方法，管网管径计算上采用大管径的策略，可以解决目前供水管网普遍存在的问题。当然，改进方法与传统方法比较，要适当增加管网初建的投资，但从供水管网在城市运行的重要地位角度看，是有必要的。
关键词 ：供水管网设计理念区块化阶层化
中图分类号：TV674文献标识码： A 文章编号：
一、问题的提出
随着社会经济水平的发展，城市供水面临新的要求：1、用户对水质要求越来越高，要求好的口感，要求降低余氯带来的味道，要求取消屋顶水箱由市政直接供水等等。2、漏失率的控制要求提高。3、城市道路开挖越来越困难。新建道路基本不允许开挖，即使允许，也会给予正常开挖五倍的惩罚性收费，大大增加管道敷设的成本。4、抢修难度越来越大，成本越来越高。体现在一旦发生爆漏，停水超过24小时即要送水；管道抢修要让位于交通通畅，抢修工作往往在夜晚交通不繁忙时进行；一旦对交通有较大的影响，交管部门便会要求暂停抢修，采取措施临时恢复交通，增大了抢修成本等等。
而目前国内以环状为基本格局的城市供水管网（尤其是大型供水管网）普遍存在的主要问题是：管网布局分区层次不合理，管线连接复杂重复，水质下降，管网漏失严重，事故抢修时停水影响范围大且时间长，管网水力模型与实测数据有不小的出入，管网运行调度困难等。而且，随着城市规模的扩大，上述问题会越来越严重。我们认为，造成前述管网问题的因素是多方面的，其中一个重要因素就是源于作为指导供水管网建设的传统理论已明显落后于形势的发展，亟待更新改进。
总的来说，传统供水管网布置和计算理论在指导城市供水管网建设时容易产生如下弊端：
1、由于过分地强调环状管网的安全和灵活运行特点，而使供水管网连通过度，同时又没有配合布置足够多的控制阀门（传统理论关于各级管段的阀门设置要求比较模糊，而且由于阀门质量不过关，或保养不到位，实际上过多的阀门本身也会成为管网运行调度的障碍），当某一管段故障时，停水范围较大，往往造成爆漏管径越大，停水范围越大的现象。所以，过度的连接没有起到提高供水保证率的作用。
2、传统理论中的主干管、干管、次干管、支管、分配管分级概念不是很明显，尤其在水厂的下游区域，不容易区分管段的性质，给供水管网布置方式带来困惑。
3、主干管过多的开叉连通，导致干管压力下降过快，不能保障末端压力，或者出厂水压过高。
4、由于水流在环状管网中四通八达，自来水停留时间过长，水质容易下降。
5、连通过多，主动探漏、提前控制漏失困难。
6、按经济流速概念计算的管网管径过于强调设计状态的最经济，却忽视了城市给水系统的增长因素，难以适应城市用水量的增长，而且没有考虑管网水压均衡分布的意义。
二、供水管网系统区块化设计理念
面对城市供水管网规模越来越大、管网故障对城市影响越来越大、水资源越来宝贵、控制管网爆管漏损越来越急迫等现实局面，供水管网设计理念也应该与时俱进，适应新的形势发展。赵洪宾教授2001年率先提出配水系统的区块化理念，这里的“区块化”不同于一般概念上的管网并联或串联分区，而是综合考虑水源性质、数量、位置，城市地形与行政区域，现有管网的规模，将现有的管网系统改造为若干个区域，实现分区供水，实施区域管理。并且各区块内的支管向用户供水，实现供水干管与支管的功能分离。另外，通过在各区块内设置管网监测设备，可以对各区块的水量、水压、水质进行监测，从而实现配水系统的水量、水压、水质的有效管理，为保证供水安全性，在临近的区块间（大区和大区之间、中区和中区之间、小区和小区之间）设置应急联络管。
在此基础上，2002年提出在管网微观动态模型的基础上进行了供水管网分区，然后用模型指导管网分区的运行操作；2003年详细阐述了管网分区方法，包括建立管网微观模型、设定分区阶层、确定区域规模、设置区域边界和进水点、区域规整以及分区方案评估等；2007年提出了供水管网实用优化分区的概念，在分区的基础上再通过水力模拟计算进一步确定其合理性并完善方案；2008年赵明系统总结了管网区块化的概念和实施方案，提出了管网阶层化理论。
提出将供水主干管或干管与供水支管相互分离，并根据地形，行政区域等特性将复杂的管网系统分成若干个相对独立的区域（子系统），实现阶层化区块化供水。配水系统阶层化后的区块化具有以下优点：
1、城市干管只与数量有限的分区干管连接，分枝少，结构简单，因而故障率相对较低即使干管发生局部故障，也只会影响本条干管的压力和供水总量，由于每一个分区还有备用引水管，就不会导致用户停水，改变了以往爆漏管径越大，停水范围越大这一现象，提高了管网的安全性能。
2、由于每个分区干管与城市干管的连接点很少，因此分区内管段发生故障只要关闭有限几个阀门，抢修时关闭阀门方案简单，减少决策、关阀时间。
3、由于供水主干管敷设方向与城市发展方向相吻合，以最短的距离将水送到，因此减少了水流在管网中的停留时间，也为管网中点加氯提供了条件，保证了水质；同时由于开叉少，干管压力下降慢，可以适当降低出厂压力，节能。
4、为在高水压区域采用降压措施、在低水压区域局部加压提供了条件。可以保证管网整体上在均衡低压（当然在保证正常供水）状态下运行，减少管网漏损和爆管频率。
5、管网改造有的放矢，避免盲目性。由于管网递次分级分明，管网流向明确，当管网中某管段水头损失上升时，即表示该管段管径无法满足流量增长的要求，需要进行改建或扩建。
6、水力计算更加准确，为优化调度提供基础条件。由于每个分区干管前设置了流量、水质监测装置，因此在进行管网水力计算时，城市干管的流量是准确的，使得对管网运行的现况把握更准确。
7、使主动探漏、漏损控制成为可能。
三、国内供水管网系统区块化技术难点探讨
国内城市供水管网系统实施区块化的难点包括：
1、管网规划设计问题：传统的管网工程设计标准没有区块化的理念，出于供水安全性考虑，管网尽量多的成环。
2、工作量和成本问题：要想实现区块化独立管理，必须安装大量阀门来切断不同区块边界第二、第三阶层管道的连接，安装边界流量计，工作量大，成本高。
3、水量、水压、水质问题：对于本来运行良好的管网系统，出于分区计量而强行切断不同区域边界管道连接，可能导致部分用户水量、水压不满足，部分区块边界处水质变差。边界管道堵头处容易出现死水，水龄变长。
这些限制可以通过调整区块的规模、在间歇供水区域临时恢复供水、用管网模型或压力数据采集装置评估用户用水压力以及教育和培训来克服，水质问题可以通过定期的冲洗计划或重新设计区块边界来克服。
四、结语
随着城市规模的日益增长，城市用水量的日益增加，城市管理要求的日益提高，供水管网的正常运行和对未来的适应性越来越重要。城市供水管网的基本设计理念需要有比较大的突破发展，应该更着重于安全、质量、可控、节能、节水、适应性等要求，避免市政管网频繁的事故維修和改建扩建。
供水管网布局上采用区块化布置方法，管网管径计算上采用大管径的策略，可以解决目前供水管网普遍存在的问题。当然，改进方法与传统方法比较，要适当增加管网初建的投资，但从供水管网在城市运行的重要地位角度看，是有必要的。