――從人居環(huán)境科學(xué)的高度重新認(rèn)識(shí)城市給水排水工程規(guī)劃

龍瀛

（清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)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(shí)間和空間尺度，同時(shí)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(dòng)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(dǎo)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(dǎo)向、復(fù)雜巨系統(tǒng)求解、數(shù)學(xué)方法和系統(tǒng)工程的角度對(duì)城市給水排水工程規(guī)劃理念進(jìn)行重新定義，以對(duì)城市給水排水工程規(guī)劃起到方法上的導(dǎo)向作用。

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

　　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(gè)城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生活方式，即城市的發(fā)展對(duì)水有很大的依存性。水資源的合理開發(fā)利用與保護(hù)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(duì)城市的給水工程和排水工程進(jìn)行合理規(guī)劃，以達(dá)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(fù)雜，不僅要對(duì)給水排水工程時(shí)間尺度進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(gè)城市間的給水排水工程不再是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，流域把這些子系統(tǒng)連接為一個(gè)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(jìn)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(shí)間里，對(duì)人居環(huán)境科學(xué)中復(fù)雜巨系統(tǒng)的解決方案進(jìn)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(duì)城市給水排水工程系統(tǒng)的統(tǒng)一安排，從時(shí)序上保證給水排水工程建設(shè)與城市發(fā)展相協(xié)調(diào)，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。它是城市規(guī)劃中的一項(xiàng)專業(yè)規(guī)劃，也是城市整體開發(fā)建設(shè)目標(biāo)的一個(gè)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(xiàng)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(duì)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(diǎn)是對(duì)水資源進(jìn)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(xué)地保護(hù)城市水環(huán)境、保障城市發(fā)展的設(shè)計(jì)、管理、實(shí)施建設(shè)的指南，而無規(guī)則或低水平的規(guī)劃必然會(huì)造成對(duì)水資源的浪費(fèi)和對(duì)水環(huán)境的破壞。

　　城市給水排水工程規(guī)劃相應(yīng)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(xì)規(guī)劃等三個(gè)層次。三個(gè)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(dǎo)下一層次規(guī)劃，下一層次規(guī)劃在落實(shí)上一層次規(guī)劃的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深化與量化，并可根據(jù)具體情況對(duì)上一層次規(guī)劃作適當(dāng)調(diào)整。

　　3 傳統(tǒng)規(guī)劃方法的弊端

　　造成目前我國(guó)城市水資源和水環(huán)境不斷惡化的一個(gè)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(dǎo)城市給水排水工程的建設(shè)，其弊端主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

　?、?欠缺流域規(guī)劃觀念：?jiǎn)渭冏非蟊境鞘械乃Y源保護(hù)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(jī)，如當(dāng)幾個(gè)城市互為上、下游時(shí)，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(hù)地帶和環(huán)境保護(hù)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(gè)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(duì)水資源的浪費(fèi)與破壞，如中水工程與分級(jí)供水的規(guī)劃意識(shí)不強(qiáng)；

　?、?欠缺時(shí)間尺度變化的考慮：缺少進(jìn)行戰(zhàn)略性的遠(yuǎn)景規(guī)劃和動(dòng)態(tài)的近期建設(shè)規(guī)劃，只注重規(guī)劃期的終端狀態(tài)，難以適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和城市不同發(fā)展階段的不可預(yù)見性要求，規(guī)劃的應(yīng)變性和延續(xù)性差，不宜操作實(shí)施，如目前開展的南水北調(diào)工程勢(shì)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(yīng)變性，勢(shì)必難以適應(yīng)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(shí)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(shè)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(xì)規(guī)劃確定的道路控制點(diǎn)標(biāo)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(xué)的方法論

　　4.1 問題為導(dǎo)向

　　任何層面上的真正的研究，都是在利用一切知識(shí)與學(xué)術(shù)財(cái)富，解決共同關(guān)心的問題的同時(shí)，積累學(xué)術(shù)，發(fā)展學(xué)術(shù)，發(fā)展共同的知識(shí)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(jìn)行研究是處于社會(huì)責(zé)任感。這就是所謂的“以問題為導(dǎo)向”的方法，這種方法是最為適用的科學(xué)方法，但是在現(xiàn)實(shí)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(shè)計(jì)方法的限制，對(duì)一些問題不能很好地解決，比如管網(wǎng)安全性預(yù)測(cè)、環(huán)境影響預(yù)測(cè)等，在規(guī)劃中往往對(duì)這類問題一帶而過或者過分簡(jiǎn)單化低調(diào)處理。在規(guī)劃中應(yīng)以出現(xiàn)的問題為導(dǎo)向，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，以促進(jìn)設(shè)計(jì)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(duì)于這樣的開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，由于其特有的開放性和復(fù)雜性，我們必須用宏觀觀察，只求解決一定時(shí)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(shí)期，過一段宏觀背景變了，巨系統(tǒng)成員本身也會(huì)有其變化，因此開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)只能夠作出較短時(shí)期的預(yù)測(cè)計(jì)算，過一時(shí)期要根據(jù)宏觀觀察，對(duì)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(shí)間維和空間維的變化，規(guī)劃人員和管理人員要及時(shí)對(duì)規(guī)劃方法和規(guī)劃理念進(jìn)行調(diào)整，以有效地實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案的輔助建設(shè)功能。

　　當(dāng)前的城市給水排水工程規(guī)劃所研究的對(duì)象是復(fù)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(biāo)沒有目前多，研究的往往是分散的簡(jiǎn)單對(duì)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(jìn)一步發(fā)展才能處理復(fù)雜系統(tǒng)。

　　4.3 數(shù)學(xué)方法

　　數(shù)學(xué)方法是指以數(shù)學(xué)為工具進(jìn)行科學(xué)研究的方法，即用數(shù)學(xué)語言表達(dá)事物的狀態(tài)、關(guān)系和過程，經(jīng)推導(dǎo)、演算和分析，以形成解釋、判斷和預(yù)言的方法。數(shù)學(xué)方法具有高度的抽象性、精確性和應(yīng)用的普遍性。采用數(shù)學(xué)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(fèi)用函數(shù)、管網(wǎng)安全性模型、暴雨模擬與預(yù)測(cè)模型等，更有利于對(duì)方案進(jìn)行定量化，提高規(guī)劃的準(zhǔn)確性和精度。同時(shí)，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方法，可以進(jìn)行多因素和各個(gè)條件下的模擬和仿真，可以對(duì)各種規(guī)劃方案在不同的情景下進(jìn)行預(yù)測(cè)?，F(xiàn)有的城市給水排水工程規(guī)劃實(shí)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(duì)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(shí)的一切領(lǐng)域運(yùn)用整體或者系統(tǒng)來處理復(fù)雜性問題，這將成為科學(xué)思維一個(gè)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(duì)所研究的問題的整體，對(duì)組成系統(tǒng)的各個(gè)要素及其外部條件進(jìn)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(gè)元素之間的聯(lián)系，協(xié)調(diào)各元素之間的關(guān)系，以達(dá)到系統(tǒng)總目標(biāo)最優(yōu)的目的。系統(tǒng)分析的過程應(yīng)遵循整體性原理、最優(yōu)性原理、階層性原理、動(dòng)態(tài)性原理和環(huán)境適應(yīng)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(duì)于較為復(fù)雜的問題，應(yīng)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(qiáng)調(diào)對(duì)事物進(jìn)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(shí)間上都力求最優(yōu)。在這樣一個(gè)結(jié)果中，各個(gè)元素的狀態(tài)都服從于最優(yōu)這個(gè)目的。在一個(gè)多要素的系統(tǒng)中，每一個(gè)要素的最優(yōu)的集合并不一定等于系統(tǒng)總目標(biāo)的最優(yōu)，反之亦然。

　　城市給水排水工程規(guī)劃是對(duì)城市給水排水工程這個(gè)大系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，在規(guī)劃的過程中涉及到對(duì)給水排水工程系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)。同時(shí)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(duì)靜態(tài)的城市發(fā)展模式。

　　5 結(jié)論

　　本論文對(duì)城市給水排水工程規(guī)劃的內(nèi)容進(jìn)行介紹，提出目前該專項(xiàng)工程規(guī)劃方法上的局限性。在參考人居環(huán)境科學(xué)對(duì)復(fù)雜巨系統(tǒng)求解等方法論的基礎(chǔ)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(hù)。這種新型方法論對(duì)城市給水排水工程規(guī)劃具有較好的指導(dǎo)價(jià)值，對(duì)于解決其它城市專項(xiàng)工程規(guī)劃問題也將有較為廣泛的參考價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)（略）