――從人居環(huán)境科學的高度重新認識城市給水排水工程規(guī)劃

龍瀛

（清華大學 環(huán)境科學與工程系，北京 100084）

　　摘  要：隨著城市規(guī)模的發(fā)展，城市給水排水工程規(guī)劃也提高到更高的時間和空間尺度，同時規(guī)劃所涉及的內(nèi)容也大大增加，原有的規(guī)劃方法在一定程度上不能夠很好地解決目前出現(xiàn)的流域規(guī)劃觀念欠缺、城市內(nèi)部給水排水有失于綜合考慮、欠缺動態(tài)規(guī)劃的考慮、欠缺與城市規(guī)劃的協(xié)調(diào)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(guī)劃，解決目前存在的問題。筆者從以問題為導向、復雜巨系統(tǒng)求解、數(shù)學方法和系統(tǒng)工程的角度對城市給水排水工程規(guī)劃理念進行重新定義，以對城市給水排水工程規(guī)劃起到方法上的導向作用。

　　關(guān)鍵詞：給水排水；城市工程規(guī)劃；復雜巨系統(tǒng)；系統(tǒng)工程；人居環(huán)境科學

　　1 前言

　　水是人類的生命之源，是城市得以生存和發(fā)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生活方式，即城市的發(fā)展對水有很大的依存性。水資源的合理開發(fā)利用與保護是城市可持續(xù)發(fā)展的有力保證。城市給水排水工程規(guī)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(guī)劃，以達到適用、排水無污染的效果。城市給水排水工程規(guī)劃涉及水資源、土木工程、管道工程、地質(zhì)、氣象、水文等多方面內(nèi)容，規(guī)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(xié)調(diào)城市規(guī)劃的空間尺度變化。

　　隨著城市的發(fā)展，各個城市間的給水排水工程不再是一個孤立的系統(tǒng)，流域把這些子系統(tǒng)連接為一個工程巨系統(tǒng)，原有的工程規(guī)劃手段在一定程度上顯示其狹隘性，這就急需改進工程規(guī)劃思想輔助規(guī)劃。筆者在從事城市給水排水工程規(guī)劃的三年時間里，對人居環(huán)境科學中復雜巨系統(tǒng)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(tǒng)城市給水排水工程規(guī)劃，并提出解決的思路。

　　2 城市給水排水工程規(guī)劃

　　城市給水排水工程規(guī)劃是對城市給水排水工程系統(tǒng)的統(tǒng)一安排，從時序上保證給水排水工程建設與城市發(fā)展相協(xié)調(diào)，促進城市的可持續(xù)發(fā)展。它是城市規(guī)劃中的一項專業(yè)規(guī)劃，也是城市整體開發(fā)建設目標的一個重要組成部分。城市給水排水工程規(guī)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(guī)劃不僅僅是一項工程規(guī)劃，更是保證城市健康、持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性規(guī)劃。城市規(guī)劃是對資源優(yōu)化配置的一種主要手段，給水排水工程規(guī)劃重點是對水資源進行優(yōu)化配置和合理利用，以發(fā)揮最優(yōu)的綜合效益。高水平的城市給水排水工程規(guī)劃是合理利用城市水資源、科學地保護城市水環(huán)境、保障城市發(fā)展的設計、管理、實施建設的指南，而無規(guī)則或低水平的規(guī)劃必然會造成對水資源的浪費和對水環(huán)境的破壞。

　　城市給水排水工程規(guī)劃相應于城市規(guī)劃，劃分為不同的階段，即分為城市給水排水總體規(guī)劃、城市給水排水分區(qū)規(guī)劃、城市給水排水詳細規(guī)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(cè)重，其關(guān)系是相互聯(lián)系、承上啟下、逐漸深化，上一層次規(guī)劃指導下一層次規(guī)劃，下一層次規(guī)劃在落實上一層次規(guī)劃的基礎上，進行深化與量化，并可根據(jù)具體情況對上一層次規(guī)劃作適當調(diào)整。

　　3 傳統(tǒng)規(guī)劃方法的弊端

　　造成目前我國城市水資源和水環(huán)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(guī)劃在觀念、規(guī)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(xiàn)以下幾個方面：

　?、?欠缺流域規(guī)劃觀念：單純追求本城市的水資源保護與可持續(xù)發(fā)展，忽略了本城市在流域、區(qū)域尺度的水資源體系所處的位置，造成了區(qū)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(zhì)。在這種情況下很難劃分水源的衛(wèi)生防護地帶和環(huán)境保護區(qū)。從而再次說明了如果不從流域規(guī)劃著手，僅僅就事論事地編制單個城市的規(guī)劃是解決不了問題的。

圖1  流域給水排水關(guān)系圖

　?、?欠缺城市內(nèi)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(zhì)要求與給水、排水系統(tǒng)的關(guān)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(guī)劃意識不強；

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

　?、?欠缺與城市規(guī)劃的協(xié)調(diào)：城市給水排水工程規(guī)劃作為城市工程的一部分，在實際操作中往往與城市規(guī)劃脫節(jié)，造成管道工程與給水排水構(gòu)筑物等規(guī)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(guān)，而且與坡度有關(guān)。在城市詳細規(guī)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(huán)系統(tǒng)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(shù)財富，解決共同關(guān)心的問題的同時，積累學術(shù)，發(fā)展學術(shù)，發(fā)展共同的知識系統(tǒng)，即提出問題－努力求解。從生活本身提出的問題出發(fā)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(xiàn)實中卻很容易被忽略。目前的城市給水排水工程規(guī)劃，由于規(guī)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(wǎng)安全性預測、環(huán)境影響預測等，在規(guī)劃中往往對這類問題一帶而過或者過分簡單化低調(diào)處理。在規(guī)劃中應以出現(xiàn)的問題為導向，進行技術(shù)攻關(guān)，以促進設計技術(shù)及規(guī)劃方法的成熟。

　　4.2 巨系統(tǒng)求解

　　隨著城市規(guī)模的增大和區(qū)域規(guī)劃的發(fā)展，城市給水排水工程規(guī)劃更趨向于巨系統(tǒng)的發(fā)展模式。對于這樣的開放的復雜巨系統(tǒng)，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(fā)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(tǒng)成員本身也會有其變化，因此開放的復雜巨系統(tǒng)只能夠作出較短時期的預測計算，過一時期要根據(jù)宏觀觀察，對方法作新的調(diào)整。也就是說任何一套城市給水排水工程規(guī)劃技術(shù)，不可能一直適用于這種巨系統(tǒng)求解，隨著時間維和空間維的變化，規(guī)劃人員和管理人員要及時對規(guī)劃方法和規(guī)劃理念進行調(diào)整，以有效地實現(xiàn)規(guī)劃方案的輔助建設功能。

　　當前的城市給水排水工程規(guī)劃所研究的對象是復雜的系統(tǒng)，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(guī)劃，由于規(guī)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(guī)劃，目前的規(guī)劃理念必須進一步發(fā)展才能處理復雜系統(tǒng)。

　　4.3 數(shù)學方法

　　數(shù)學方法是指以數(shù)學為工具進行科學研究的方法，即用數(shù)學語言表達事物的狀態(tài)、關(guān)系和過程，經(jīng)推導、演算和分析，以形成解釋、判斷和預言的方法。數(shù)學方法具有高度的抽象性、精確性和應用的普遍性。采用數(shù)學方法輔助城市給水排水工程規(guī)劃，借助于各種專業(yè)模型，如各種給排水構(gòu)筑物費用函數(shù)、管網(wǎng)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(guī)劃的準確性和精度。同時，應用數(shù)學模型和數(shù)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(guī)劃方案在不同的情景下進行預測?，F(xiàn)有的城市給水排水工程規(guī)劃實質(zhì)上更多涉及的是定性的規(guī)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(guī)劃急需注意之處。

　　4.4 系統(tǒng)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(tǒng)來處理復雜性問題，這將成為科學思維一個根本改造?！?/P>

　　系統(tǒng)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(tǒng)的各個要素及其外部條件進行全面的、互相聯(lián)系的和發(fā)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(lián)系，協(xié)調(diào)各元素之間的關(guān)系，以達到系統(tǒng)總目標最優(yōu)的目的。系統(tǒng)分析的過程應遵循整體性原理、最優(yōu)性原理、階層性原理、動態(tài)性原理和環(huán)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(yōu)化。

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

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

　　5 結(jié)論

　　本論文對城市給水排水工程規(guī)劃的內(nèi)容進行介紹，提出目前該專項工程規(guī)劃方法上的局限性。在參考人居環(huán)境科學對復雜巨系統(tǒng)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(guī)劃的方法論，一定程度上可以改善區(qū)域的水資源可持續(xù)開發(fā)與保護。這種新型方法論對城市給水排水工程規(guī)劃具有較好的指導價值，對于解決其它城市專項工程規(guī)劃問題也將有較為廣泛的參考價值。

　　參考文獻（略）