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1 修訂背景
《室外給水設計規范》(GB 50013-2006)是帶有強制性條文的國家強制性標準,作為給水排水行業zui重要、zui廣泛的標準之一,被住房和城鄉建設部市政給水排水標準化技術委員會界定為zui核心的國家標準之一。自發布和實施以來,有效提高了工程設計質量,推動了我國供水行業技術進步與發展。為使供水技術在新的機遇和挑戰下繼續得以科學發展,該規范亟待修訂,主要體現在:
(1)國家不斷出臺有關的法律、法規和技術政策,特別是近年來頒布實施一批國家和行業標準規范,例如《消防給水及消火栓系統技術規范》(GB 50974-2014)、《lv氣安全規程》(GB 11984-2008)、《城鎮給水膜處理技術規程》(CJJ/T 251-2017)等相繼完成制定或修訂。
(2)新技術、工藝、設備、材料和設計技術等均有明顯進步,給水設計理念不斷創新,手段更加先進。例如,紫外線消毒技術在上海、天津和濟南等水廠得到應用,超濾膜過濾技術應用于上海、北京、杭州、廣州、烏魯木齊、無錫、東營、泰安和南通等工程,次氯酸鈉和硫酸銨作為管理安全方便的藥劑得以逐步推廣應用,上向流顆?;钚蕴课匠睾头鍨V池等工藝在部分地區也得到了應用,計算機仿真模擬分析手段在大型輸水工程安全與節能設計中得以應用等。
(3)面對近年來日益嚴重的水源突發污染事件,各級政府逐步制訂了一些法規與政策,多地相繼開展了風險預警與應急處理設施、應急與備用水源和應急供水系統的規劃和建設,并進行了部分實踐。
(4)近十年眾多設計項目建成運行后,積累了多年的運行經驗,驗證了相關技術和工藝參數。例如預處理技術、臭氧活性炭工藝和排泥水處理工藝2006年增補時,國內工程實例尚少。隨著水廠升級改造項目的實施,預處理、深度處理工程和排泥水處理工程已遍布全國各地,設計、建設、運行、管理方面均積累了較多的經驗。此外,通過生產實踐,對傳統常規處理工藝方面也有了一些新的認識、實踐和提高,如沉淀池排泥設施、氣水反洗濾池的濾料級配與配水配氣方式等。這些經驗可對完善現有的相關條文提供科學支撐。
為了規范和促進給水行業進步,住房和城鄉建設部以建標[2014]189號文件批復同意對標準進行修訂。編制組經廣泛調查研究,總結實踐經驗,吸收國家重大水專項和科技支撐計劃課題成果,參考有關國外先進標準,并在廣泛征求意見的基礎上,修訂了本標準。修訂過程中,得到了相關各方的大力支持,住房和城鄉建設部的領導及行業專家提出了很多寶貴意見。
2 修訂概況
為滿足室外給水工程安全可靠、技術先進、經濟合理、管理方便的總體要求,統一工程建設標準,提高工程設計質量,對標準進行修訂工作。
經過對編制大綱、標準內容框架進行反復修改后,2015年5月住房和城鄉建設部標準歸口單位組織召開了編制組成立會議,聽取專家意見,討論完善了大綱,進一步明確了分工和工作計劃。本次修訂由上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司作為主編牽頭,會同北京市市政工程設計研究總院有限公司,中國市政工程華北設計研究總院有限公司、中國市政工程東北設計研究總院有限公司、中國市政工程西北設計研究總院有限公司、中國市政工程中南設計研究總院有限公司、中國市政工程西南設計研究總院有限公司,杭州市城市規劃設計研究院以及清華大學、同濟大學、哈爾濱工業大學完成修訂。
歷經調研近十年工程實例、國內水專項成果、國外先進國家標準等,編制組匯總初稿進行討論和多次修改設計水量、檢測與控制等章節后,2017年4月完成了征求意見稿,并在住房和城鄉建設部網站上征求意見,同時發送行業專家廣泛征求意見。先后收到30余位有關專家的建議,并專門與多名專家進行了溝通。
2017年7月,編制組結合征求意見進行了討論和修改,完成了送審稿。2017年8月住房和城鄉建設部市政給水排水標準化技術委員會主持召開了審查會。會后,根據專家審查意見再次修改,于2017年12月形成報批稿。之后,針對住房和城鄉建設部強制性條文協調委員會對強制性條文的函審意見和結論,編制組進行了情況說明和相應修改。
2018年12月,住房和城鄉建設部發布2018第347號公告,國家標準《室外給水設計標準》(GB 50013-2018),自2019年8月1日起實施,第3.0.9、4.0.5、5.3.7等條為強制性條文,必須嚴格執行。
3 修訂原則
基于國內長期成功工程實踐,一方面對原有內容進行修訂,尤其是近十年廣泛實施的預處理、強化常規處理、臭氧生物活性炭深度處理工藝和排泥水處理工藝等。另一方面積極穩妥地將已在范圍內成功得到應用的新技術、新工藝、新設備、新材料等凝練總結并加以規范,如高速澄清池、翻板濾池、上向流顆?;钚蕴课匠?、中空纖維微濾和超濾膜過濾、次氯酸鈉與硫酸銨氯胺消毒、紫外線消毒以及應急供水等,進行章節增補。
(1)標準性。規范新建、擴建或改建的城鎮及工業區給水工程設計的要求,明確原則,提出合理的運行參數和控制指標,在內容上和形式上均體現標準特點。
(2)系統性。本標準內容涵蓋室外給水設計全過程,包括給水系統、設計水量、取水、泵房、輸配水、水廠總體、水處理、排泥水、應急供水、檢測與控制。
(3)適用性。我國地域廣闊,經濟發展水平存在差異,而且給水技術呈現多樣化。因此盡量考慮周全,進行分類規定;同時既在關鍵問題上做出明確規定,又在一些地方進行原則規定,留有余地。
(4)安全性。對于集中式給水工程,飲用水安全關系到人民健康和社會穩定。因此,從應急供水、溴酸鹽控制、生物安全控制等方面,提出相關要求,更加突出飲用水安全的重要性。
4 修訂先進性
本次修訂體現出以下明顯的技術進步,主要包括:
(1)吸收“十一五”至今的國家重大水專項和科技支撐計劃課題成果,對標了美國《凈水廠設計》、英國《Twort's供水》和日本《水道設計指南》等,納入了國內外已有成熟經驗的新技術和新工藝。
(2)根據近十年技術和工程成就,填補了高速澄清池、中空纖維微濾與超濾膜過濾、次氯酸鈉與硫酸銨氯胺消毒、紫外線消毒、除砷以及應急供水等多項空白,為指導全國的給水工程技術進步提供了支撐。
(3)結合行業進步發展規劃,在對全國各地給水項目的調研基礎上,根據近年來的實際應用情況,調整了用水定額,取消了水力循環澄清池、電滲析法除氟等不再適應新時代的工藝。
(4)貫徹國家有關法律、法規和技術政策,特別是十八大以來頒布實施的有關規定,與“水十條”和“十三五規劃綱要”等銜接。
5 主要技術內容
根據國務院2014年11月印發的《關于調整城市規模劃分標準的通知》,新的城市規模劃分標準以城區常住人口為統計口徑,將城市劃分為五類七檔。按此城市規模分類,對《城市供水統計年鑒》(2002~2014年)中666個城市的歷年用水資料進行統計分析,在與現行國家標準《城市給水工程規劃規范》(GB 50282-2016)和《城市居民生活用水量標準》(GB/T 50331-2002)的有關規定協調分析后,將生活用水按“居民生活用水”和“綜合生活用水”分別制定定額。
隨著供水水質的不斷提高而帶來制水成本的提高,水的無為漏失將造成浪費。同時,隨著城市地下空間的大規模開發,地下管道的漏損也會對城市地下設施帶來安全隱患。為了加強城市供水管網漏損控制,按現行的國家行業標準《城市供水管網漏損控制及評定標準》(CJJ 92-2016)的規定,城市供水管網基本漏損率到2020年不應大于10%,同時規定了可按用戶抄表百分比、單位供水量管長及年平均出廠壓力進行修正。
備用水源主要是應對極端氣候條件或因常用水源相對單一、安全性偏低所引起的取水不足問題,具有影響時間較長的特點。因此,備用水源水質標準應不低于常用水源,可取水量應滿足備用供水期間的水量需求,并可結合當地地下、地表水源或行政區劃外的鄰近區域水源條件以及與城市給水系統的聯通條件等作綜合比較后確定。
應急水源主要是應對水源突發污染或水源設施事故的狀況,具有影響時間短的特點。因此,在采取應急處理后可滿足要求的條件下,應急水源水質標準可適度低于常用水源,可取水量應滿足應急供水期間的水量需求,并可結合當地非常用水源或行政區劃外的鄰近區域水源條件以及與城市給水系統的聯通條件作綜合比較后確定。
復合井的結構應根據具體的水文地質條件確定,增加復合井的過濾器直徑可加大管井部分的出水量,但管井部分的水量增加則對大口井井底進水量的干擾程度也將增加,故為了減少干擾,管井的井徑不宜大于300 mm。
復合井中管井與大口井在取水的過程中是相互干擾的,在此情況下過濾器下端過濾強度較大。為減少干擾,復合井內管井的過濾器比單獨設置管井的過濾器要稍長一些(一般增長20%),同時靠大口井底下5 m范圍內的過濾器不宜考慮進水。
為了控制河流上的人工構筑物或障礙物對取水的影響,取水構筑物布置需滿足以下要求:取水構筑物宜設在橋前0.5~1.0 km或橋后1.0 km以外的地方;取水構筑物如與丁壩同岸時,則應設在丁壩上游,與壩前淺灘起點相距距離(岸邊式取水構筑物不小于150~200 m,河床式取水構筑物可以小些)。取水構筑物也可設在丁壩的對岸,但不宜設在丁壩同一岸側的下游;取水構筑物應離開碼頭距離,如必須設在碼頭附近時,zui好伸入江心取水,此外還應考慮航行安全,與碼頭的距離應征求航運部門的意見;攔河壩由于水流流速減緩,泥沙容易淤積,故取水構筑物宜設在其影響范圍以外。
避咸蓄淡水庫的容積不僅決定了工程投資,還關系到供水保證率和水庫富營養化問題。容積過小影響供水安全,過大則不僅增加工程投資,而且會引起水庫富營養化而導致新的水質問題。因此,以國家《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)對氯化物的限值為基準進行連續不可取水天數的分析,將使水庫容積確定的科學性更高。
水泵按固定不變特性曲線運行,但在水泵特性曲范圍內能確保高效、安全和穩定運行的范圍有限。當外部水量水壓需求發生變化時,在無任何干預的情況下,將偏離特性曲線的允許運行范圍,出現低效、氣蝕甚至機組振動現象。氣蝕不僅使水泵效率嚴重下降,且會對水泵葉輪結構造成損傷甚至破環。因此,在相同條件下,首先應考慮選擇高效區寬、氣蝕余量變化緩的水泵,其次,經過技術經濟比較,可采用大小規格搭配、機組調速、更換葉輪、調節葉片角度等措施,保障水泵的高效、安全和穩定運行。
選擇設計揚程相近的水泵進行并聯運行是保障水泵穩定運行的基本條件,而并聯水泵的臺數的確定,應在泵房各種設計工況條件下,通過水泵并聯運行特性曲線(包括已采取了改變水泵特性措施后的特性,如調速等)與輸水管道系統水力特性曲線的交合分析,以及每個水泵特性在并聯條件下的適應性分析,綜合分析后確定。
非自灌充水離心泵進水管道單獨設置是為避免公用吸水管漏氣而影響所有水泵的安全運行。自灌充水離心泵公用吸水管應充分考慮相互干擾帶來的流量不均和不利流態的影響。根據國際上的一些經驗,采用總管流速為分管流速的50%,可較好地改善上述不利影響。對大型水泵,有條件宜作計算機流場、流速模擬分析優化。吸水總管的布置和隔離閥門的設置應滿足局部設施事故或維修時設備和管道切換之用。
通常液壓驅動系統采用一對一的配置方式,但也有一對多的配置方式,壓縮空氣驅動則采用一對多的配置方式,因此,應對一對多的配置方式的動力配置能力要進行泵房各種運行工況下閥門啟閉要求的適應性分析。
水泵機組高程對泵房的結構深度和土建整體造價影響很大。在相同的進水水位條件下,采用自灌或非自灌充水布置方式是水泵高程布置的決定因素。通常采用自灌充水布置方便生產運行,但泵房深度和建設投資大,采用非自灌充水布置則反之,故應作綜合比較確定。此外,還應對各種運行工況下的水泵可用氣蝕余量(依據水泵葉輪基線與zui低水位的距離計算所得)能否大于水泵運行時的必須氣蝕余量(隨水泵運行流量增大而增大)進行多工況分析核算。
長距離輸水管道系統瞬態水力過渡過程分析計算非常重要,包括管道系統充水啟動、加壓調流、停泵關閥等由一種水流的穩定狀態過渡到另一種穩定狀態過程中所發生的一切水錘現象。一般可采用計算機動態數學模擬。
長距離輸水管道工程中水錘危害很大,是造成管道爆管事故的主要因素,因此應進行水錘綜合防護技術設計。水錘防護技術的機理可歸納為控制或減少水流速度的變值;采用水錘波速低的管材;縮短水錘波傳播距離,盡快的形成水錘波的反射和干涉;在管道的特征點布置泄流降壓設施;采用空氣墊降低水錘沖擊能量等。
進行水錘防護技術設計后,設有水錘綜合防護裝置的管道系統不應出現水柱拉斷和發生斷流彌合水錘,應將負壓控制在2 m以內甚至消除,并限制管道系統中瞬時高壓力不應超過工作壓力的1.3~1.5倍。瞬時zui高水錘壓力是一項重要參數,是管材、設備等管道系統zui高允許運行壓力。這些規定與現行國家標準《泵站設計規范》(GB 50265-2010)的規定相一致。
設置管道事故調蓄構筑物的目的是彌補輸水管道系統薄弱環節的安全措施,其容積的確定應有別于避咸、避沙調蓄構筑物容積的確定,在考慮安全儲備的同時,也應考慮調蓄帶來的水質維持和水質安全風險問題。此外,考慮到管道快速搶修的施工技術已有很大提高,結合對所調蓄水的水質條件考慮,提出事故調蓄水池的規定。
目前,水廠清水池內完成消毒工序在我國是一個較普遍的做法,但按現行國家標準《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)規定的自由氯消毒接觸時間≥30 min或氯胺消毒接觸時間≥120 min的要求,僅消毒就需占水廠規模的2%或8%,將大為減少水廠的清水調蓄容積。此外,水位處于經常變化的清水池作為消毒接觸池,消毒效果和穩定性也不如專用消毒接觸池。因此,需要綜合保障消毒安全和滿足水廠調蓄可靠的要求,設置清水池有效容積。
按要求正確投加混凝劑量并保持加注量的穩定是混凝處理的關鍵。目前大多采用柱塞計量泵或隔膜計量泵投加,其優點是運行可靠,并可通過改變計量泵行程或變頻調節混凝劑投量,既可人工控制也可自動控制。近年來也有采用總管統一加壓支管調流的做法。設計中可根據具體條件選用。
有條件的水廠,設計中應采用混凝劑(包括助凝劑)投加量自動控制系統,其方法目前有特性參數法、數學模型法、現場模擬試驗法等。無論采用何種自動控制方法,其目的是為達到zui佳投加量且能即時調節、準確投加。此外,規定宜采用一對一加注設備的配置,或一臺加注設備同時服務幾個加注點時,加注點的設計加注量應一致,加注管道宜同程布置,同時服務的加注點不宜超過2個,也是基于精確穩定控制加注量的考慮。
高速澄清池的絮凝效果明顯強于傳統澄清池,所形成的絮粒沉速較高,因此分離區的上升流速可達到普通斜管澄清池的2~5倍,但用于高濁度水處理時,應視原水水質條件和出水要求確定分離區的上升流速,當原水含砂量大、出水水質要求較高時應適當降低上升流速。根據現有運行情況調查,一般設計污泥回流量按3%~5%已可滿足運行需要,實際生產中往往可通過變頻協調運行。
在相同水溫和上升流速的條件下,活性炭的粒度越小膨脹度越高,通常上向流炭吸附池采用粒度較小的30目×60目規格,因此,設計時除水溫和上升流速外,還應結合活性炭的粒度選擇綜合考慮。
上向流炭吸附池因處于浮動床的運行狀態,不存在濾床堵塞問題,沖洗主要是洗掉炭粒表面老化的生物膜,保持活性炭持續的生物作用,故沖洗周期相對下向流可更長。采用氣水沖洗則有利于提高沖洗效果,節約沖洗水量。因水流經過上向流炭吸附池后的濁度幾乎很少變化,故也可采用進水作為沖洗水源。
在同樣水沖洗強度條件下,因低水溫會導致活性炭過度膨脹造成活性炭流失,故水沖宜采用具有調節水量能力的水泵沖洗方式。具體方法可采用變頻水泵或增加水泵臺數以及在水沖洗總管設計量設備等措施。
在飲用水處理領域,壓力式或浸沒式中空纖維微濾、超濾膜過濾是目前國內外普遍采用和得到廣泛認同的過濾方式。由于中空纖維膜產品、成膜材料和工藝的差異較大,即使在相同水質條件下,不同膜材料或產品的水處理性能往往有較大差異。而相同膜材料或產品在水質和水溫變化的條件下其水處理性能同樣會有較大變化,膜處理系統的主要工藝設計參數較難標準化。因此,主要設計參數應經過試驗或者參照相似條件下的工程經驗確定,本標準在行業標準《城鎮給水膜處理技術規程》(CJJ/T 251-2017)基礎上,提出了一些基本要求和參數。
國內很多城市為多水源供水,水源切換過程中,無機離子濃度變化特別是氯離子、硫酸根離子、堿度、硬度等,會對裸露的金屬管道內壁和管壁腐蝕產物產生影響,發生管道內鐵穩定性破壞,管道受到腐蝕,用戶龍頭水出現濁度、色度以及鐵超標的現象,即“黃水”問題。
水源切換時管網水質化學穩定性還與管壁腐蝕產物的性質相關,而管壁腐蝕產物的性質與原管網水水質相關。國內有研究機構提出了水質腐蝕性判斷指數WQCR(Water Quality Corrosion Index),并結合LR,評判水源切換時不同地區管網發生“黃水”的風險性,制定合理的水質穩定處理方案。依據國家“十一五”科技重大專項“水體污染控制與治理”等研究成果而提出鐵的穩定處理要求。
對于設計濁度取值,一些工程按多年平均濁度的4倍取值,還有一些工程按多年平均濁度的2倍取值,還有一些工程根本就沒有原水濁度資料,隨意確定,取值比較混亂,急需解決這一問題。按多年平均濁度的4倍取值,是日本所采用的經驗數據。其全量完全處理保證率達到95%及以上,也就是說多年日數的95%及以上可以達到全量完全處理。日本的保證率規定為95%,但我國由于國情不同,西南地區一些河流平均濁度達到幾百度,若達到保證率95%,按多年平均濁度的4倍作為設計濁度的取值,設計處理干泥量很大,不堪重負。因此本標準規定全量完全處理保證率為95%~75%,提出設計濁度取值確定的經驗計算公式,并分別按幾種典型的保證率95%、90%、85%、80%、75%列出多年平均濁度的取值倍數,以方便計算。
理論上設計濁度的取值應保證率根據數理統計方法求出,但這需要10年以上原水濁度資料,一般工程上很難做到,而且水文計算所采用的數理統計分析也比較繁瑣。依據皮爾遜Ⅲ型曲線在Cs=2Cv條件下,整理出了Kp值,由此計算更方便,結果更偏于安全。
平衡池的入流來自于濃縮池排泥,出流對象則是脫水設備,其入流和出流的時機、持續時間和流量變化較大。通常情況下,濃縮池排泥排泥和脫水設備工作時機與持續時間是以日為周期來設計。因此,應按濃縮池排泥和脫水設備設計運行工況,進行24 h為周期的各時段入流和出流的流量平衡計算分析,并考慮余量后確定。根據目前國內外已建凈水廠排泥水處理設施的情況,若采用重力濃縮池進行濃縮,調節容積相對較大,應付原水濁度及水量變化的能力較強,平衡池的容積可小一些;若采用調節容積較小的斜板濃縮或離心濃縮,則平衡池容積宜大一些。
水廠排泥水水質與原水水質密切相關。一些排泥水只是懸浮物含量高,可直接回流至混合設備前,與原水及藥劑充分混合后進入沉淀、過濾等水處理環節,去除懸浮物。但也有一些排泥水除懸浮物含量高外,一些有害指標也超標,如果不經處理直接回用,會造成鐵、錳、藻類、兩蟲的循環往復而富集,并堵塞濾池,影響凈水廠出水水質。排泥水經過處理后,根據處理的程度,可進入混凝沉淀(澄清)、濾池、顆?;钚蕴课匠?,或經消毒后直接進入清水池。例如,北京市第九水廠濾池反沖洗廢水和濃縮池上清液經膜處理后,送入顆?;钚蕴课匠?。
排泥水是否回用,特別是排泥水水質較差,需要經過處理后才能回用,要經過技術經濟比較后確定。如果當地水源充足,經過處理后再回用,經濟上不合算,也可棄掉。
回流水量在時空上均勻分布是指在時間上盡可能24 h連續均勻回流,在空間上均勻分布是要求回流水量不能集中回流到某一期或某一點,即要求全部回流水量與全部原水水量均勻混合,應避免集中時段回流對水廠穩定運行帶來的不利影響。
由于微濾或超濾膜對水中有機物、氨氮和藻源性有機物幾乎無去除能力,為防止回用過程中的有害物的富集,在原水有機物、氨氮和藻含量較高時不主張采用膜法用于水廠濾池反沖洗廢水的回用處理,可采用其他工藝處理這種濾池反沖洗廢水。
應急凈水設施、應急水源與常用水源的工程切換設施具備快速切換功能,是實現盡快啟動應急供水和消除事件影響的必要條件。城鎮配水管網具備域外調水能力,可有力保障應急供水期間居民基本生活用水需求,維持社會穩定。
對城市供水具有重要作用的集中式水源工程和主要水廠具備應急凈化處理能力,可有效保證應急供水水量和水質的需要。充分發揮從水源到水廠現有設施的應急凈水,不僅可節約應急凈水設施的建設與維護成本,還可實現快速啟動應急凈水設施的目標。
在確定應急水源規模時,一方面要考慮到供水風險的持續時間,另一方面要考慮到風險期的日需水量。對于水資源豐富的城市,風險期日需水量可按平時的日需水量考慮。對于水資源貧乏的城市,應急水源的建設可只考慮基本的生活和生產用水需要,風險期日需水量可根據城市的實際情況和用水特征,可按平時日需水量比例進行壓縮。
應急供水時,應按先生活、后生產、再生態的順序,降低供應?!冻鞘薪o水工程規劃規范》(GB 50282-2016)根據分析《城市居民生活用水量標準》(GB/T 50331-2002)的居民家庭生活人均日用水量調查統計表,規定了居民基本生活用水指標不宜低于80 L/(人·d),包括飲用、廚用、沖廁和淋浴。
應急凈水措施可包括新建設施和對現有從水源到水廠的輸配水、調蓄以及水廠凈水設施的充分利用或適度改造利用。不同的污染物需要采取針對性的應急處理技術,各種應急處理技術的適用范圍和工藝及其參數的選用等,除可按規定的要求執行外,也可參照《城市供水系統應急凈水技術指導手冊》建議的有關方法實施。
6 結語
面臨我國新時代的社會經濟和給水技術現狀與發展趨勢,《室外給水設計標準》基于廣泛調研,對標了國內外相關標準,借鑒了重大水專項和863等課題成果,結合原規范實施以來城鎮給水工程的技術發展和工程應用修訂而成,為城鎮給水工程的設計標準化提供了依據。由于緊密結合我國實際情況,也考慮到給水技術新的發展方向和需求,提供的參數合理,實用性和可操作性強,有助于提高我國給水工程設計質量,促進給水行業新時代進步。