給水和排水工程

給水排水工程以水的社會循環為研究內容。水危機是我國社會經濟發展的主要制約因素。我國的水危機是以水資源短缺和水環境污染為標誌的。給水排水工程擔負著解決我國水危機的重擔，覆蓋以下專業領域：水資源可持續利用和保護、水的社會循環、水的生態功能、節水工作、水質及其相關的高新技術等

基本介紹

• 中文名：給水和排水工程
• 研究內容：水的社會循環
• 覆蓋領域：水的社會循環、水的生態功能等
• 簡稱：給排水工程

工程類型

用於水供給、廢水排放和水質改善的工程，簡稱給排水工程。分為給水工程和排水工程。給水有時也稱供水。最早的給水工程多指城市的公共給水工程。但近代這一術語發展到工業、農業灌溉以及其他用水的給水工程。由於排水工程的原始涵義僅指排除廢水的管渠系統，國際上現已通用廢水工程這個術語。

主要目的

古代的給排水工程只是為了輸送城市的用水和排泄城市內的降水和污水。近代的給排水工程是為控制城市內傷寒、霍亂、痢疾等傳染病的流行和適應工業與城市的發展而發展起來的。現代的給排水工程已成為控制水媒傳染病流行和環境水污染的基本設施，是發展城市及工業的基礎設施之一。

學科特徵

作為學科，給水和排水工程也是土木工程的一個分支，學科特徵主要是：①用水文學和水文地質學的原理解決從水體中取水和排水的有關問題；②用水力學的原理解決水的輸送問題；③用物理、化學的原理進行水質的處理和檢驗；④用微生物學的原理進行水質的處理和檢驗。因此，物理、化學、水力學、水文學、水文地質學和微生物學成為給排水工程的基礎學科。19世紀後期，由於對城市公共衛生重要性的認識，在美國形成了衛生工程這一學科，給排水工程是其主要組成部分。20世紀60年代在美國形成的環境工程學科，又從水環境的高度把給排水工程原有內容的大部分包括在內。這一發展使給排水工程和環境工程、水資源工程，以及各門環境科學及其他環境學科發生了交叉關係。同時，電子計算機和系統工程的套用也進入了給排水工程的規劃設計、施工和運行管理等方面。

工程內容　

在平時和火災等意外情況下，均能按用戶所需的水質和壓力，安全可靠地供給充足的水量。給水工程一般由給水水源和取水構築物、輸水道、給水處理廠和給水管網四個部分組成，分別起取集和輸送原水,改善原水水質和輸送合格用水到用戶的作用。在一般地形條件下，這個系統中還包括必要的貯水（見水的調節構築物） 和抽升（見給水泵站）設施（圖1）。安全可靠地供水是給水工程的首要任務。給水和排水工程根據水源、地形和用水要求的特點，給水工程可以設計為:①重力供水系統。水從取水構築物到用水點,或者從處理廠到用水點，都是靠重力輸送，不必抽升，這是最省能源而又安全的系統。②多水源供水系統。由幾個地面水源或幾個地下水源或者地面水源和地下水源結合起來供水，適用於大城市的供水，或以地下水為水源的供水以及水源缺乏的地區。③分質供水系統。根據用水對象對水質的不同要求可以分成完全處理、部分處理甚至不需處理幾個系統供水。這往往出現於同時向城市和工業供水的系統，或者幾種工業用水水質相差較大的供水系統。④分壓供水系統。根據用水區壓力的不同要求分為高壓區和低壓區供水，地形高程相差很大的地區可以採用這種系統。⑤循環給水系統。將用水點使用過的水經適當處理和補充新鮮水後重複供給用水點，這是一種節約水資源的用水系統，常用的是循環冷卻水系統（經使用過的水立即作為廢水排除的系統稱為直流給水系統）。⑥循序給水系統。將水質要求高的用水單位用過的水供給水質要求較低的單位，這也是一種有效的節約水資源的工業用水系統。

給水和排水工程

發展歷史

古代埃及、巴比倫、美索不達米亞、波斯及腓尼基人都建過公共的供水工程。埃及的金字塔時代(一般認為在公元前 3000～前2000年)可能已經有過相當規模的渠道供水系統。古代的供水系統都是重力供水，但埃及可能用過一種類似桔槔的設備把水從尼羅河或渠道中抽升數英尺後再進行重力輸送。羅馬帝國在羅馬城和帝國所屬的省建造了約 200條用於公共供水的重力輸水道,規模之大,居當時世界首位。羅馬城的供水工程尤其突出,從公元前約三世紀到公元二世紀的540年間，羅馬共建了11條輸水道,總長530公里。最先建的是阿皮亞輸水道，約建於公元前312年,最後一條是亞歷山大輸水道，約建於公元226年。輸水道中最長的約達99.8公里,最大斷面寬1.37～1.68米，高2.44～2.74米。阿皮亞輸水道的水源是一泉水群，由一座貯水池收集泉水後，用16.6公里長的地下渠道輸送到距羅馬城不遠處，再經鉛管流入城內的20個配水池中。阿皮亞輸水道開創了用暗渠輸水的辦法,並在100年內是羅馬的唯一供水來源。其他輸水道也大都是以井、泉作水源，先把水輸送到許多貯水池，再用鉛管分配到配水池、噴泉、浴池、公共建築和少數個人用戶。據估計,對羅馬每天的最大供水量約達19萬米，按100萬人計,每人每日用水量平均高達190升。羅馬帝國衰亡後，公共給水工程也隨之衰退。17～18世紀,在倫敦和巴黎發展了給水工程,並開始使用水泵和鑄鐵管。1619年,倫敦一家公司鋪了管道並向家庭用戶供水，1804年在蘇格蘭兩萬人口的佩斯利城首次用經過沉澱池和橫向流的卵石濾池及砂濾池處理用水。1829年在倫敦用標準的慢濾池供水。1838年法國化學家F.達爾賽發表了用明礬進行混凝處理渾水的方法，並提出了在水中投加明礬不影響衛生的見解。1885年具有現代觀點的與混凝沉澱相結合的快濾池首次在美國新澤西州薩默維爾城用於城市供水。1902年在比利時米德爾凱爾克出現了世界上第一個用連續加氯消毒的水廠。從此，城市供水處理的幾個基本環節就齊全了。但關於水處理，特別是出現水消毒的歷史原因，則歸結為認識到水處理能夠控制水媒傳染病在城市中的傳播。
中國很早就有有關掘井和鑿井技術的記載。《呂氏春秋·勿躬篇》記有“伯益作井”（公元前約2200年），為世界上最早較可靠的掘井記載。公元一、二世紀的西漢時代出現深井鑽井機械。這些鑽井機械在南北宋時代經過一次較大的改進後，一直沿用到明清，並在11世紀左右傳入西方。在歐洲中世紀公共給水工程衰落的時期，中國唐朝的城市供水卻得到發展。坊州(今陝西黃陵縣)、陝州(今陝西陝縣)、虢州(今河南盧氏縣)、太原府，特別是京城長安，由於城市規模大，人口眾多，在城市供水方面,下了極大功夫。唐朝初期，在隋朝的基礎上,整修了龍首渠、水安渠、清明渠等渠道，把水從長安城外引入城內。這幾條渠道穿過長安城內，形成了一個完整的供水網，東西長18里115步（約10.6公里）,南北長15里175步（約8.9公里），周長67里（約38.6公里），妥善地解決了長安城百萬人口的供水問題。中國用明礬降低水中渾濁度的最早正式文字記載為明宋應星在明崇禎十年(公元1637年)刻印的《天工開物》一書。在1744～1746年出版的西班牙教士納瓦雷特撰寫的《中華帝國記游》中，詳細記載了當時所看到的，普遍套用的明礬使黃河水變成清水的情況,並說這是自然的秘密,為當時西方所不知。1879年中國用鑄鐵管從旅順市的龍引泉引水供水師營駐軍用水，這標誌著引進西方供水技術的開始。1883年英商建的楊樹浦水廠在上海開始供水，淨水設備為沉澱池及慢濾池。建成時僅供水2270米/日，不久達到設計能力9090米/日，供應人口為16萬人。1902年由中國商人籌設的上海內地自來水公司也開始供水。

水利設備

結構

一般由排水管系、廢水處理廠和最終處置設施三個部分組成(圖2),通常還包括必要的抽升設施（見排水泵站）。廢水的處理是為滿足排放標準；有時則是為了再用；或者為了把再用與處置結合起來（見廢水再用、水處理）。廢水是生活廢水、工業廢水以及城市地面上流泄的雨水和冰雪融化水（雨水）的統稱。“廢水”是國際上近年來用以代替“污水”的較好術語，但在某些慣用詞中，兩者仍在並行使用，如“生活污水”和“污水處理廠”等。給水和排水工程排水管系起收集、輸送廢水的作用，分成合流制和分流制兩種系統（見排水體制）。廢水的最終處置，一般是排入水體或排在土地上。為了控制廢水對水體或土地的污染，必須對廢水進行一定程度的處理，滿足規定的水體或土地的排放要求。

簡史

古代的排水工程基本上只是限於排除城市雨水的管渠。在伊拉克巴格達郊區的考古挖掘中，發現了約在公元前2500年建的磚砌排水管，並有支管和住房的用水沖洗的廁所連線，這是極少的在古代排水管中流入生活污水的例子。公元前 6世紀為羅馬廣場排水建造的、稱為大陰溝的拱形渠道，高4.2米，寬3.6米，至今仍在使用。
中國在河南省淮陽挖掘出在龍山文化時期（公元前2800～前2300年）的古城下所埋的陶質排水管；還有在河北易縣燕下都出土的，屬於戰國（公元前475～前221年）後期的圓形陶製排水管；陝西西安（漢朝長安）出土的五角形陶製排水管。歷代帝王的京都大多建造了較完整的雨水排除系統。據記載，漢朝長安的安門內大街，長達5.5公里，街寬50米，中央是皇帝專用的馳道,寬20米,兩側有排水溝。唐朝長安城的規模尤其宏大,有南北並列的14條大街(最寬的街達150米)和東西平行的 11條小街，將全城分成103個矩形的里坊,每個裡坊面積25～40公頃。大街的兩側有寬、深各兩米多的排水溝。明清的京都北京城，皇城建有完整的雨水道系統,由長2公里多的內金水河和總長 8公里多的大小明渠、暗溝組成。清光緒十一年（1885年）開始疏浚過一次，共費時三年，耗銀20多萬兩，可見規模之大。北京城內的大小街道下面都有磚溝。
用管道輸送生活污水是19世紀中期以後的事。由於對城市衛生的重視和懾於霍亂病的流行，法國巴黎、英國倫敦才開始把糞便污水排入原來的雨水道，因而出現了合流制的下水道系統。單為輸送生活污水的下水道也從此出現。但這是對霍亂以及其他一些傳染病，是通過糞便污水傳播的事實，具有明確認識後才出現的。這一認識不僅知道必須修建污水管道，而且也知道必須進行水處理（包括給水和廢水），才能有效地控制霍亂等傳染病在城市中流行。
從1848年到1854年，倫敦共流行霍亂五次，死亡人數約為26000人。在這期間,J.斯諾醫生研究了倫敦寬街霍亂流行的原因，首次提出了水源因受污水污染而傳播霍亂的見解。R.科赫在19世紀90年代進行了類似的研究。當時德國漢堡（人口64萬）和阿爾托納城（人口15萬）都同時以易北河為水源。阿爾托納緊挨漢堡下游，漢堡由市區上游取水，阿爾托納則從排入80萬人口的污水後的下游處取水。1892年霍亂流行，漢堡的死亡率為每10萬人中有1342人,而阿爾托納的死亡率每10萬人中僅234人。科赫正確地指出，這是由於阿爾托納的自來水是經過慢濾池過濾的。這不僅又一次證明霍亂是通過受污染的水源而傳播，而且是第一次證明慢濾池起了消除霍亂流行的作用，為水處理的必要性第一次提出了有力的證據。科赫還於1881年證明用次氯酸鹽可殺死細菌的純培養物。1883年分離出霍亂病菌。第一次大規模用氯進行污水消毒出現在1893年的德國漢堡城，比城市給水的消毒約早10年。
用污水灌溉是廢水生物處理的古老方式。19世紀末，由於對微生物學知識的理解，人工強化了的廢水生物處理法才發展起來。1893年首次在英國索爾福德城用滴濾池處理城市廢水。1914年首次在英國曼徹斯特城用活性污泥法處理城市廢水。中國最早的活性污泥法污水廠，是1921年建的上海北區污水廠；最早用於城市污水的生物濾池處理廠，是1953年建的上海彭浦污水廠。
1949年前，只有72個城市有自來水廠，日供水量為240萬米，供水管道長6589公里，供水人口962萬人。僅上海和南京兩個城市設有4座廢水處理廠,處理能力為每日3萬米。到1983年底,中國共有253個城市有給水系統，水廠660座，每日供水量為3539萬米,供水管道長56852公里,供水人口8370萬人。另外，各單位自備水源供水能力為每日5673萬米。中國修建了排水系統的城市有252個，城市排水管道總長為26448公里，服務人口9273萬人。全國每日排放廢水總量為8475萬米,其中工業廢水量占6452萬米。經過處理的工業廢水量為1348萬米/日。城市廢水處理廠共39座，處理水量為90萬米/日。1984年中國最大的城市二級處理污水廠──天津紀莊子污水處理廠建成投產，處理能力為26萬米/日。
參考書目
同濟大學主編：《給水工程》，中國建築工業出版社，北京，1980。
重慶建築工程學院主編：《排水工程》上冊，中國建築工業出版社，北京，1981。
哈爾濱建築工程學院主編：《排水工程》下冊，中國建築工業出版社，北京，1981。
M.J.Hammer，John Wiley & Sons，New York，1975.
D.Barnes et al，Pitman，London，1981.

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