――從人居環境科學的高度重新認識城市給水排水工程規劃

龍瀛

（清華大學 環境科學與工程系，北京 100084）

　　摘  要：隨著城市規模的發展，城市給水排水工程規劃也提高到更高的時間和空間尺度，同時規劃所涉及的內容也大大增加，原有的規劃方法在一定程度上不能夠很好地解決目前出現的流域規劃觀念欠缺、城市內部給水排水有失于綜合考慮、欠缺動態規劃的考慮、欠缺與城市規劃的協調等問題，這就需要有新的方法論來指導城市給水排水工程規劃，解決目前存在的問題。筆者從以問題為導向、復雜巨系統求解、數學方法和系統工程的角度對城市給水排水工程規劃理念進行重新定義，以對城市給水排水工程規劃起到方法上的導向作用。

　　關鍵詞：給水排水；城市工程規劃；復雜巨系統；系統工程；人居環境科學

　　1 前言

　　水是人類的生命之源，是城市得以生存和發展的最重要的支持要素。在某種程度上限定和決定了一個城市的產業結構、生活方式，即城市的發展對水有很大的依存性。水資源的合理開發利用與保護是城市可持續發展的有力保證。城市給水排水工程規劃正是基于這種目的，對城市的給水工程和排水工程進行合理規劃，以達到適用、排水無污染的效果。城市給水排水工程規劃涉及水資源、土木工程、管道工程、地質、氣象、水文等多方面內容，規劃較為復雜，不僅要對給水排水工程時間尺度進行預測，還要協調城市規劃的空間尺度變化。

　　隨著城市的發展，各個城市間的給水排水工程不再是一個孤立的系統，流域把這些子系統連接為一個工程巨系統，原有的工程規劃手段在一定程度上顯示其狹隘性，這就急需改進工程規劃思想輔助規劃。筆者在從事城市給水排水工程規劃的三年時間里，對人居環境科學中復雜巨系統的解決方案進行歸納吸收，用這種思想來考慮存在一定問題的傳統城市給水排水工程規劃，并提出解決的思路。

　　2 城市給水排水工程規劃

　　城市給水排水工程規劃是對城市給水排水工程系統的統一安排，從時序上保證給水排水工程建設與城市發展相協調，促進城市的可持續發展。它是城市規劃中的一項專業規劃，也是城市整體開發建設目標的一個重要組成部分。城市給水排水工程規劃的綜合作用是任何一種方法所不能代替的。

　　城市給水排水工程規劃不僅僅是一項工程規劃，更是保證城市健康、持續發展的戰略性規劃。城市規劃是對資源優化配置的一種主要手段，給水排水工程規劃重點是對水資源進行優化配置和合理利用，以發揮最優的綜合效益。高水平的城市給水排水工程規劃是合理利用城市水資源、科學地保護城市水環境、保障城市發展的設計、管理、實施建設的指南，而無規則或低水平的規劃必然會造成對水資源的浪費和對水環境的破壞。

　　城市給水排水工程規劃相應于城市規劃，劃分為不同的階段，即分為城市給水排水總體規劃、城市給水排水分區規劃、城市給水排水詳細規劃等三個層次。三個層次的劃分難以截然分開，只能在各層次中各有側重，其關系是相互聯系、承上啟下、逐漸深化，上一層次規劃指導下一層次規劃，下一層次規劃在落實上一層次規劃的基礎上，進行深化與量化，并可根據具體情況對上一層次規劃作適當調整。

　　3 傳統規劃方法的弊端

　　造成目前我國城市水資源和水環境不斷惡化的一個很重要的原因就是城市給水排水工程規劃在觀念、規劃方法論等方面存在問題，難以有效指導城市給水排水工程的建設，其弊端主要表現以下幾個方面：

　　① 欠缺流域規劃觀念：單純追求本城市的水資源保護與可持續發展，忽略了本城市在流域、區域尺度的水資源體系所處的位置，造成了區域尺度的水危機，如當幾個城市互為上、下游時，甲城市下游的污水排放口很可能影響乙城市上游取水口的水質。在這種情況下很難劃分水源的衛生防護地帶和環境保護區。從而再次說明了如果不從流域規劃著手，僅僅就事論事地編制單個城市的規劃是解決不了問題的。

圖1  流域給水排水關系圖

　　② 欠缺城市內部給水與排水的綜合考慮：未能夠深入研究城市各類用水的水質要求與給水、排水系統的關系，忽略城市水資源的綜合利用，造成人類對水資源的浪費與破壞，如中水工程與分級供水的規劃意識不強；

　　③ 欠缺時間尺度變化的考慮：缺少進行戰略性的遠景規劃和動態的近期建設規劃，只注重規劃期的終端狀態，難以適應市場經濟和城市不同發展階段的不可預見性要求，規劃的應變性和延續性差，不宜操作實施，如目前開展的南水北調工程勢必將在幾年內影響很多北方城市的給水排水工程規劃，如原有規劃沒有考慮到應變性，勢必難以適應新的水資源格局；

　　④ 欠缺與城市規劃的協調：城市給水排水工程規劃作為城市工程的一部分，在實際操作中往往與城市規劃脫節，造成管道工程與給水排水構筑物等規劃的不合理性。如排水管一般是埋設在道路下的自流管，其管徑不但與流量有關，而且與坡度有關。在城市詳細規劃確定的道路控制點標高未知的情況下，很難合理地確定管道坡度。

圖2  給水排水工程在水資源循環系統中的位置

　　4 科學的方法論

　　4.1 問題為導向

　　任何層面上的真正的研究，都是在利用一切知識與學術財富，解決共同關心的問題的同時，積累學術，發展學術，發展共同的知識系統，即提出問題－努力求解。從生活本身提出的問題出發進行研究是處于社會責任感。這就是所謂的“以問題為導向”的方法，這種方法是最為適用的科學方法，但是在現實中卻很容易被忽略。目前的城市給水排水工程規劃，由于規劃方法和設計方法的限制，對一些問題不能很好地解決，比如管網安全性預測、環境影響預測等，在規劃中往往對這類問題一帶而過或者過分簡單化低調處理。在規劃中應以出現的問題為導向，進行技術攻關，以促進設計技術及規劃方法的成熟。

　　4.2 巨系統求解

　　隨著城市規模的增大和區域規劃的發展，城市給水排水工程規劃更趨向于巨系統的發展模式。對于這樣的開放的復雜巨系統，由于其特有的開放性和復雜性，我們必須用宏觀觀察，只求解決一定時期發展變化的方法，所以任何一次解答都不可能是一勞永逸的，它只能適用一定的時期，過一段宏觀背景變了，巨系統成員本身也會有其變化，因此開放的復雜巨系統只能夠作出較短時期的預測計算，過一時期要根據宏觀觀察，對方法作新的調整。也就是說任何一套城市給水排水工程規劃技術，不可能一直適用于這種巨系統求解，隨著時間維和空間維的變化，規劃人員和管理人員要及時對規劃方法和規劃理念進行調整，以有效地實現規劃方案的輔助建設功能。

　　當前的城市給水排水工程規劃所研究的對象是復雜的系統，具有無限多的自由度。過去我們考慮的城市給水排水工程規劃，由于規劃目標沒有目前多，研究的往往是分散的簡單對象，過去的研究方法很可能是不適用目前無限多自由度的城市給水排水工程規劃，目前的規劃理念必須進一步發展才能處理復雜系統。

　　4.3 數學方法

　　數學方法是指以數學為工具進行科學研究的方法，即用數學語言表達事物的狀態、關系和過程，經推導、演算和分析，以形成解釋、判斷和預言的方法。數學方法具有高度的抽象性、精確性和應用的普遍性。采用數學方法輔助城市給水排水工程規劃，借助于各種專業模型，如各種給排水構筑物費用函數、管網安全性模型、暴雨模擬與預測模型等，更有利于對方案進行定量化，提高規劃的準確性和精度。同時，應用數學模型和數學方法，可以進行多因素和各個條件下的模擬和仿真，可以對各種規劃方案在不同的情景下進行預測。現有的城市給水排水工程規劃實質上更多涉及的是定性的規劃，考慮的是合適與不合適，而對哪種方案更合適考查的很少，這也是未來的城市給水排水工程規劃急需注意之處。

　　4.4 系統分析方法

　　“我們將被迫在知識的一切領域運用整體或者系統來處理復雜性問題，這將成為科學思維一個根本改造。”

　　系統分析就是上面這句話涉及的一種方法，它是針對所研究的問題的整體，對組成系統的各個要素及其外部條件進行全面的、互相聯系的和發展的過程，它除了要研究和解釋各元素的具體問題外，還著重研究和揭示各個元素之間的聯系，協調各元素之間的關系，以達到系統總目標最優的目的。系統分析的過程應遵循整體性原理、最優性原理、階層性原理、動態性原理和環境適應性原理。它的基本方法是分解和綜合，也就是模型化和最優化。

　　對于較為復雜的問題，應用系統分析方法可以取得多方面的成效。系統分析方法強調對事物進行全面的、互相聯系的和發展的研究問題，因此系統分析的結果在空間上和時間上都力求最優。在這樣一個結果中，各個元素的狀態都服從于最優這個目的。在一個多要素的系統中，每一個要素的最優的集合并不一定等于系統總目標的最優，反之亦然。

　　城市給水排水工程規劃是對城市給水排水工程這個大系統進行規劃，在規劃的過程中涉及到對給水排水工程系統的各個子系統進行協調，以達到整個系統的最優。同時以發展的眼光來看待工程規劃，不要把目光停留在相對靜態的城市發展模式。

　　5 結論

　　本論文對城市給水排水工程規劃的內容進行介紹，提出目前該專項工程規劃方法上的局限性。在參考人居環境科學對復雜巨系統求解等方法論的基礎上，提出了用于改善城市給水排水工程規劃的方法論，一定程度上可以改善區域的水資源可持續開發與保護。這種新型方法論對城市給水排水工程規劃具有較好的指導價值，對于解決其它城市專項工程規劃問題也將有較為廣泛的參考價值。

　　參考文獻（略）