给水和排水工程

给排水工程

给水排水工程以水的社会循环为研究内容。水危机是我国社会经济发展的主要制约因素。我国的水危机是以水资源短缺和水环境污染为标志的。给水排水工程担负着解决我国水危机的重担，覆盖以下专业领域：水资源可持续利用和保护、水的社会循环、水的生态功能、节水工作、水质及其相关的高新技术等

工程类型

用于水供给、废水排放和水质改善的工程，简称给排水工程。分为给水工程和排水工程。给水有时也称供水。最早的给水工程多指城市的公共给水工程。但近代这一术语发展到工业、农业灌溉以及其他用水的给水工程。由于排水工程的原始涵义仅指排除废水的管渠系统，国际上现已通用废水工程这个术语。

主要目的

古代的给排水工程只是为了输送城市的用水和排泄城市内的降水和污水。近代的给排水工程是为控制城市内伤寒、霍乱、痢疾等传染病的流行和适应工业与城市的发展而发展起来的。现代的给排水工程已成为控制水媒传染病流行和环境水污染的基本设施，是发展城市及工业的基础设施之一。

学科特征

作为学科，给水和排水工程也是土木工程的一个分支，学科特征主要是：①用水文学和水文地质学的原理解决从水体中取水和排水的有关问题；②用水力学的原理解决水的输送问题；③用物理、化学的原理进行水质的处理和检验；④用微生物学的原理进行水质的处理和检验。因此，物理、化学、水力学、水文学、水文地质学和微生物学成为给排水工程的基础学科。19世纪后期，由于对城市公共卫生重要性的认识，在美国形成了卫生工程这一学科，给排水工程是其主要组成部分。20世纪60年代在美国形成的环境工程学科，又从水环境的高度把给排水工程原有内容的大部分包括在内。这一发展使给排水工程和环境工程、水资源工程，以及各门环境科学及其他环境学科发生了交叉关系。同时，电子计算机和系统工程的应用也进入了给排水工程的规划设计、施工和运行管理等方面。

工程内容　

在平时和火灾等意外情况下，均能按用户所需的水质和压力，安全可靠地供给充足的水量。给水工程一般由给水水源和取水构筑物、输水道、给水处理厂和给水管网四个部分组成，分别起取集和输送原水,改善原水水质和输送合格用水到用户的作用。在一般地形条件下，这个系统中还包括必要的贮水（见水的调节构筑物）和抽升（见给水泵站）设施（图1）。安全可靠地供水是给水工程的首要任务。给水和排水工程根据水源、地形和用水要求的特点，给水工程可以设计为:①重力供水系统。水从取水构筑物到用水点,或者从处理厂到用水点，都是靠重力输送，不必抽升，这是最省能源而又安全的系统。②多水源供水系统。由几个地面水源或几个地下水源或者地面水源和地下水源结合起来供水，适用于大城市的供水，或以地下水为水源的供水以及水源缺乏的地区。③分质供水系统。根据用水对象对水质的不同要求可以分成完全处理、部分处理甚至不需处理几个系统供水。这往往出现于同时向城市和工业供水的系统，或者几种工业用水水质相差较大的供水系统。④分压供水系统。根据用水区压力的不同要求分为高压区和低压区供水，地形高程相差很大的地区可以采用这种系统。⑤循环给水系统。将用水点使用过的水经适当处理和补充新鲜水后重复供给用水点，这是一种节约水资源的用水系统，常用的是循环冷却水系统（经使用过的水立即作为废水排除的系统称为直流给水系统）。⑥循序给水系统。将水质要求高的用水单位用过的水供给水质要求较低的单位，这也是一种有效的节约水资源的工业用水系统。

发展历史

古代埃及、巴比伦、美索不达米亚、波斯及腓尼基人都建过公共的供水工程。埃及的金字塔时代(一般认为在公元前 3000～前2000年)可能已经有过相当规模的渠道供水系统。古代的供水系统都是重力供水，但埃及可能用过一种类似桔槔的设备把水从尼罗河或渠道中抽升数英尺后再进行重力输送。罗马帝国在罗马城和帝国所属的省建造了约 200条用于公共供水的重力输水道,规模之大,居当时世界首位。罗马城的供水工程尤其突出,从公元前约三世纪到公元二世纪的540年间，罗马共建了11条输水道,总长530公里。最先建的是阿皮亚输水道，约建于公元前312年,最后一条是亚历山大输水道，约建于公元226年。输水道中最长的约达99.8公里,最大断面宽1.37～1.68米，高2.44～2.74米。阿皮亚输水道的水源是一泉水群，由一座贮水池收集泉水后，用16.6公里长的地下渠道输送到距罗马城不远处，再经铅管流入城内的20个配水池中。阿皮亚输水道开创了用暗渠输水的办法,并在100年内是罗马的供水来源。其他输水道也大都是以井、泉作水源，先把水输送到许多贮水池，再用铅管分配到配水池、喷泉、浴池、公共建筑和少数个人用户。据估计,对罗马每天的最大供水量约达19万米，按100万人计,每人每日用水量平均高达190升。罗马帝国衰亡后，公共给水工程也随之衰退。17～18世纪,在伦敦和巴黎发展了给水工程,并开始使用水泵和铸铁管。1619年,伦敦一家公司铺了管道并向家庭用户供水，1804年在苏格兰两万人口的佩斯利城首次用经过沉淀池和横向流的卵石滤池及砂滤池处理用水。1829年在伦敦用标准的慢滤池供水。1838年法国化学家F.达尔赛发表了用明矾进行混凝处理浑水的方法，并提出了在水中投加明矾不影响卫生的见解。1885年具有现代观点的与混凝沉淀相结合的快滤池首次在美国新泽西州萨默维尔城用于城市供水。1902年在比利时米德尔凯尔克出现了世界上第一个用连续加氯消毒的水厂。从此，城市供水处理的几个基本环节就齐全了。但关于水处理，特别是出现水消毒的历史原因，则归结为认识到水处理能够控制水媒传染病在城市中的传播。

中国很早就有有关掘井和凿井技术的记载。《吕氏春秋·勿躬篇》记有“伯益作井”（公元前约2200年），为世界上最早较可靠的掘井记载。公元一、二世纪的西汉时代出现深井钻井机械。这些钻井机械在南北宋时代经过一次较大的改进后，一直沿用到明清，并在11世纪左右传入西方。在欧洲中世纪公共给水工程衰落的时期，中国唐朝的城市供水却得到发展。坊州(今陕西黄陵县)、陕州(今陕西陕县)、虢州(今河南卢氏县)、太原府，特别是京城长安，由于城市规模大，人口众多，在城市供水方面,下了极大功夫。唐朝初期，在隋朝的基础上,整修了龙首渠、水安渠、清明渠等渠道，把水从长安城外引入城内。这几条渠道穿过长安城内，形成了一个完整的供水网，东西长18里115步（约10.6公里）,南北长15里175步（约8.9公里），周长67里（约38.6公里），妥善地解决了长安城百万人口的供水问题。中国用明矾降低水中浑浊度的最早正式文字记载为明宋应星在明崇祯十年(公元1637年)刻印的《天工开物》一书。在1744～1746年出版的西班牙教士纳瓦雷特撰写的《中华帝国记游》中，详细记载了当时所看到的，普遍应用的明矾使黄河水变成清水的情况,并说这是自然的秘密,为当时西方所不知。1879年中国用铸铁管从旅顺市的龙引泉引水供水师营驻军用水，这标志着引进西方供水技术的开始。1883年英商建的杨树浦水厂在上海开始供水，净水设备为沉淀池及慢滤池。建成时仅供水2270米/日，不久达到设计能力9090米/日，供应人口为16万人。1902年由中国商人筹设的上海内地自来水公司也开始供水。

水利设备

结构

一般由排水管系、废水处理厂和最终处置设施三个部分组成(图2),通常还包括必要的抽升设施（见排水泵站）。废水的处理是为满足排放标准；有时则是为了再用；或者为了把再用与处置结合起来（见废水再用、水处理）。废水是生活废水、工业废水以及城市地面上流泄的雨水和冰雪融化水（雨水）的统称。“废水”是国际上近年来用以代替“污水”的较好术语，但在某些惯用词中，两者仍在并行使用，如“生活污水”和“污水处理厂”等。给水和排水工程排水管系起收集、输送废水的作用，分成合流制和分流制两种系统（见排水体制）。废水的最终处置，一般是排入水体或排在土地上。为了控制废水对水体或土地的污染，必须对废水进行一定程度的处理，满足规定的水体或土地的排放要求。

简史

古代的排水工程基本上只是限于排除城市雨水的管渠。在伊拉克巴格达郊区的考古挖掘中，发现了约在公元前2500年建的砖砌排水管，并有支管和住房的用水冲洗的厕所连接，这是极少的在古代排水管中流入生活污水的例子。公元前 6世纪为罗马广场排水建造的、称为大阴沟的拱形渠道，高4.2米，宽3.6米，至今仍在使用。

中国在河南省淮阳挖掘出在龙山文化时期（公元前2800～前2300年）的古城下所埋的陶质排水管；还有在河北易县燕下都出土的，属于战国（公元前475～前221年）后期的圆形陶制排水管；陕西西安（汉朝长安）出土的五角形陶制排水管。历代帝王的京都大多建造了较完整的雨水排除系统。据记载，汉朝长安的安门内大街，长达5.5公里，街宽50米，中央是皇帝专用的驰道,宽20米,两侧有排水沟。唐朝长安城的规模尤其宏大,有南北并列的14条大街(最宽的街达150米)和东西平行的 11条小街，将全城分成103个矩形的里坊,每个里坊面积25～40公顷。大街的两侧有宽、深各两米多的排水沟。明清的京都北京城，皇城建有完整的雨水道系统,由长2公里多的内金水河和总长 8公里多的大小明渠、暗沟组成。清光绪十一年（1885年）开始疏浚过一次，共费时三年，耗银20多万两，可见规模之大。北京城内的大小街道下面都有砖沟。

用管道输送生活污水是19世纪中期以后的事。由于对城市卫生的重视和慑于霍乱病的流行，法国巴黎、英国伦敦才开始把粪便污水排入原来的雨水道，因而出现了合流制的下水道系统。单为输送生活污水的下水道也从此出现。但这是对霍乱以及其他一些传染病，是通过粪便污水传播的事实，具有明确认识后才出现的。这一认识不仅知道必须修建污水管道，而且也知道必须进行水处理（包括给水和废水），才能有效地控制霍乱等传染病在城市中流行。

从1848年到1854年，伦敦共流行霍乱五次，死亡人数约为26000人。在这期间,J.斯诺医生研究了伦敦宽街霍乱流行的原因，首次提出了水源因受污水污染而传播霍乱的见解。R.科赫在19世纪90年代进行了类似的研究。当时德国汉堡（人口64万）和阿尔托纳城（人口15万）都同时以易北河为水源。阿尔托纳紧挨汉堡下游，汉堡由市区上游取水，阿尔托纳则从排入80万人口的污水后的下游处取水。1892年霍乱流行，汉堡的死亡率为每10万人中有1342人,而阿尔托纳的死亡率每10万人中仅234人。科赫正确地指出，这是由于阿尔托纳的自来水是经过慢滤池过滤的。这不仅又一次证明霍乱是通过受污染的水源而传播，而且是第一次证明慢滤池起了消除霍乱流行的作用，为水处理的必要性第一次提出了有力的证据。科赫还于1881年证明用次氯酸盐可杀死细菌的纯培养物。1883年分离出霍乱病菌。第一次大规模用氯进行污水消毒出现在1893年的德国汉堡城，比城市给水的消毒约早10年。

用污水灌溉是废水生物处理的古老方式。19世纪末，由于对微生物学知识的理解，人工强化了的废水生物处理法才发展起来。1893年首次在英国索尔福德城用滴滤池处理城市废水。1914年首次在英国曼彻斯特城用活性污泥法处理城市废水。中国最早的活性污泥法污水厂，是1921年建的上海北区污水厂；最早用于城市污水的生物滤池处理厂，是1953年建的上海彭浦污水厂。

1949年前，只有72个城市有自来水厂，日供水量为240万米，供水管道长6589公里，供水人口962万人。仅上海和南京两个城市设有4座废水处理厂,处理能力为每日3万米。到1983年底,中国共有253个城市有给水系统，水厂660座，每日供水量为3539万米,供水管道长56852公里,供水人口8370万人。另外，各单位自备水源供水能力为每日5673万米。中国修建了排水系统的城市有252个，城市排水管道总长为26448公里，服务人口9273万人。全国每日排放废水总量为8475万米,其中工业废水量占6452万米。经过处理的工业废水量为1348万米/日。城市废水处理厂共39座，处理水量为90万米/日。1984年中国最大的城市二级处理污水厂──天津纪庄子污水处理厂建成投产，处理能力为26万米/日。

参考书目

同济大学主编：《给水工程》，中国建筑工业出版社，北京，1980。

重庆建筑工程学院主编：《排水工程》上册，中国建筑工业出版社，北京，1981。

哈尔滨建筑工程学院主编：《排水工程》下册，中国建筑工业出版社，北京，1981。

M.J.Hammer，John Wiley & Sons，New York，1975.

D.Barnes et al，Pitman，London，1981.

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