我国最新的《室外给水设计规范》 (GB50013-2006, 以下简称“规范”) 于2006年1月18日发布, 并于2006年6月1日正式实施^[1], 而现行《生活饮用水卫生标准》 (GB5749-2006) 是于2007年7月1日实施^[2], 饮用水标准的实施滞后于设计规范, 给实际工程设计带来了一定的矛盾性, 尤其体现在2015年后国家要求各省 (区、市) 和省会城市对饮用水106项指标实行全覆盖, 对给水工艺的设计就提出了更加严格的要求^[3]。2017年住房城乡建设部标准定额司发布征求国家标准《室外给水设计规范 (征求意见稿) 》改编意见函^[4], 要求对规范进行合理科学的修订。本文参考美国现行给水设计规范《给水工程设计标准》 (Recommended standard for water works, 以下简称“标准”) ^[5], 通过对美国“标准”中水源开发、处理过程、药剂应用、泵设施、出水储存、配水系统管道、附属物以及废弃物等内容的研究, 与我国现行的“规范”进行对比, 提出我国“规范”中技术参数上存在的不足及差异, 为我国“规范”的修订提供参考依据。

　　 我国基础性的水事法典为《中华人民共和国水法》, 规定了各项基本水事法律原则和基本水事法律制度^[6], 我国给水工程相关规范主要包括《城镇给水排水技术规范》 (GB 50788-2012) 、《室外给水设计规范》 (GB 50013-2006) 、《给水排水工程管道结构设计规范》 (GB 50332-2002) 和《城市给水工程规划规范》 (GB 50282-2016) ^[7~9]等, 其中《城镇给水排水技术规范》 (GB 50788-2012) 为全文强制性国家标准^[10]。供水厂工程主要设计依据《室外给水设计规范》 (GB 50013-2006) , 该规范于1986年制定, 并于1997年进行了局部修订, 主要对生活用水量的确定方法和定额标准作了较大变更, 而对规范的内容和基本结构未作大的改动。2003年5月, 住房城乡建设部批复同意对该规范进行全面修订, 2006年1月18日建设部以公告第410号批准新规范颁布^[11], 自2006年6月1日起正式实施, 原《室外给水设计规范》 (GBJ13-86) 同时废止。《室外给水设计规范》 (GB 50013-2006) 作为工程建设技术规范, 内容重点是工程项目建设的规模、布局、功能、性能要求, 以及实现功能、性能要求的相应技术措施, 包括必要的控制性指标。

　　 美国根据水资源利用和管理的需要制定相应的法律法规, 与水相关的法规主要包括《清洁水法》和《安全饮用水法》^[12,13], 均由美国环境保护署 (Environmental Protection Agency, EPA) 颁布。在给水设计方面, 美国各州自行制定给水设计规范^[14], “Ten State Standards”是一套由密西西比河上游理事会 (the Great Lakes-Upper Mississippi River Board, GLUMRB) 制定的规范, 主要包括了供水设施、污水处理设施、下水道系统以及游泳池设计等规定与标准。《给水工程设计标准》是“Ten State Standards”标准中关于供水设施的设计规范。1953年, 《给水工程设计标准》由供水委员会 (Water Supply Committee) 以报告的形式首次发布, 随后于1962年到2012年进行了10次修订和公布, 以此规范为设计依据的州主要包括安大略州、伊利诺伊州、印第安纳州、爱荷华州、密歇根州、明尼苏达州、密苏里州、纽约州、俄亥俄州、宾夕法尼亚州和威斯康辛州。

　　 我国“规范”结构中共有11章, 主要包括总则、术语介绍、给水系统、设计水量、取水、泵房、输配水、水厂总体设计、水处理、净水厂排泥水处理以及检测与控制。美国“标准”共有9章, 内容涵盖了规划递交、一般设计规定、水源开发、处理过程、药剂应用、泵设施、出水储存、配水系统管道与附属物和废弃物。

　　 从结构上看, 美国“标准”未设总则, 而是用“Policy Statement” (政策说明) 来代替总则内容。“标准”中单列了“规划递交”和“药剂应用”章节, 其中“规划递交”限定了设计流程和审查要求, “药剂应用”主要是对饮用水处理过程中使用的药剂在应用与存储等方面进行规定, 还包括常规药剂、特殊药剂的使用以及操作人员安全的规定;我国“规范”中对药剂投加量和存储也进行相关规定, 但内容未涉及操作人员使用药剂的安全性等方面。

　　 我国“规范”在取水方面主要针对水源选择、地下水取水构筑物和地表水取水构筑物的种类和参数进行限定和说明;美国“标准”中“水源开发”内容相当于我国“规范”中的“给水系统”、“设计水量”以及“取水”这3章内容的综合, 均规定了以地表水和地下水做为水源地时, 对水量与水质的要求, 同时包括取水构筑物的设计要求。中美设计规范在水源选择上存在的差异主要是美国“标准”对取水流程要求更严格, 水源选择必须进行水质评估, 取样并评估水中微生物特性、物理特性 (包括溶氧量) 、化学特性和放射特性, 审查机关审查分析结果合格后, 才可作为供水系统的水源。

　　 我国“规范”中泵房部分主要对吸水井、吸水条件、进出水管道设计流速、起重设备、水泵机组布置以及泵房布置等方面进行规定;美国“标准”中第六章“泵设施”主要包括吸水高度、增压泵、自动和远程控制以及附属物。中美设计规范均对水泵吸水条件有设计要求, 两者区别主要体现在我国“规范”更侧重泵房设计, 美国“标准”更多限定了水泵本身的设计要求, 不包括泵房内构筑物的设计, “标准”中将水泵的阀门、管道以及仪表作为附属物, 进行单独阐述, 我国“规范”中没有对其进行设计规定。

　　 我国“规范”在输配水方面主要对水力计算、管道布置和敷设、管渠材料和附属设施、调蓄构筑物等方面进行规定;美国“标准”第八章“配水系统管道与附属物”中阐述了管道材料、系统设计、阀门、消防龙头、自来水管道安装、与污染源分离距离和水服务等方面的设计要求。美国“标准”未提及输配水的水力计算, 同时中美在管道材料的选择上也存在差异。我国“规范”要求管道材料应符合现行国家标准《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》 (GB/T17219-1998) 的规定^[15], 美国“标准”规定输配水管道材料选择应符合美国国家标准学会 (American National Standards Institute:ANSI) 颁布的有关标准^[16], 如ANSI/ASTM F1155 2010“Practice for Selection and Application of Piping System Materials” (管道系统材料的选择和应用实施规程) , 安装的管道应按照相应的AWWA标准进行压力试验和渗漏试验, 新建管网的用水管道按照“AWWA标准C651”进行消毒, 所有水管应充分冲洗、消毒并进行微生物含量测试后方可使用^[13]。

　　 我国“规范”中水厂设计部分主要包括厂址选择、生产和附属构筑物布置要求;美国“标准”的第二章“一般设计规定”中对厂区布置、构筑物布置、电气控制、备用电源、实验室设施以及安全措施进行规定。中美对构筑物布置的要求主要包括厂区功能分区和未来厂区扩建规划, 美国“标准”同时对实验室设施和安全性进行了更加具体的要求。

　　 中美设计规范均重点阐述了水处理工艺的设计要求。我国“规范”在水处理工艺设计方面主要包括预处理、混凝剂和助凝剂的投配、混凝、沉淀、澄清、过滤、地下水除铁和除锰、除氟、消毒和水质稳定处理;美国“标准”第四章“处理过程”主要包括微筛分、澄清、过滤、消毒、软化、阳离子交换、曝气、铁锰控制、稳定和除臭。中美对各工艺段设计和工艺参数的要求有一定差异, 以下以絮凝、沉淀、过滤、消毒、深度处理为例进行对比。

　　 美国“标准”中絮凝池种类单一, 采用渐缩 (即速度递减) 絮凝, 我国“规范”中有4种絮凝池, 分别是隔板、机械、折板和网格絮凝池, 表1所示为美国和我国不同絮凝工艺停留时间和流速参数的对比。以隔板絮凝池为例, 我国“规范”提供的絮凝停留时间为20~30min, 而美国“标准”要求的时间更长, 需至少30min, 絮凝时间延长更有利于絮体与污染物的接触。在流速方面, 我国“规范”中分别限定了2种速度, 即起段流速和末端流速, 美国“标准”仅对末端流速进行限定, 且范围宽于我国“规范”中的要求。

　　 表2所示为沉淀工艺停留时间和溢流速度的对比。以平流沉淀池为例, 美国“标准”要求的沉淀时间较长 (≥4h) , 溢流速度较小 (1.2m/h) 。沉淀停留时间长、流速低可以节约药剂, 提高沉淀后水质, 并有足够的调节时间, 较强的抗冲击负荷能力。停留时间短可以节省基建投资, 减少占地面积^[17]。设计沉淀工艺的停留时间和流速, 需要根据场地面积、投资成本、沉后水水质要求等多方面进行综合经济技术分析而确定。

　　 表3所示为过滤工艺中滤料种类和滤速的参数对比。我国“规范”中滤池种类有普通快滤池、V形滤池、虹吸滤池以及重力式无阀滤池;美国“标准”中过滤池种类较多, 有重力过滤池、压滤池、硅藻泥过滤池、慢砂过滤池、直接过滤池、深床重力过滤池以及生物滤床。从过滤种类上来看, “标准”中硅藻泥过滤池、直接过滤池和生物滤床过滤形式较为先进, 但采用硅藻泥过滤池、直接过滤池和生物滤床, 需先进行中试研究, 确定工艺参数, 并符合设计规范要求, 审查机关批准后, 方可投入使用。美国“标准”中对滤速的要求比较宽泛, 在综合分析原水水质、预处理程度、过滤介质、水质控制参数、操作人员能力和审查机关要求的因素后确定滤池滤速。滤速在4.88~9.76m/h。

　　 表4所示为滤池滤速及滤料种类, 可知我国滤速主要与滤料厚度有关。

　　 在消毒方面, 我国“规范”主要对氯、氯胺、二氧化氯和臭氧消毒进行设计要求;美国“标准”不仅对氯、臭氧消毒中涉及的设备和工艺参数进行要求, 同时对紫外线消毒也进行了重点阐述, 美国在紫外线消毒技术的应用上已经有较成熟的经验^[18,19], 而我国在该方面尚缺乏相关的技术参数要求。美国“标准”对消毒接触时间的确定提出了更加严格的要求, 需综合考虑投加消毒剂对水中的pH、氨、臭味产生物质、温度、细菌总数、消毒副产物等相关因素的影响;我国“规范”中限定了氯消毒有效接触时间不应小于30min, 氯胺消毒有效接触时间不应小于2h。

　　 我国“规范”和美国“标准”对深度处理工艺的设计要求主要包括臭氧和活性炭, “标准”在臭氧设计方面较为成熟, 不仅设计臭氧发生器以及接触器, 还对尾气分解处理进行要求^[20,21], 规定尾气分解最大允许臭氧浓度为0.1ppm。美国“标准”中在膜处理工艺设计中对膜材料和膜清洁有设计要求。根据水质的好坏选取膜处理材料, 通常采用醋酸纤维素和聚酰胺复合材料, 为防止膜污染, 需增设预处理措施, 延长膜使用寿命;对膜材料的操作条件和寿命进行限定, 主要影响因素是膜的类型、原水水质和工艺操作方法;对膜的清洁方法和使用的化学品都有严格的要求。

　　 我国“规范”中主要对净水厂排泥水的工艺流程、调节、浓缩、脱水以及泥饼处置与利用进行设计规定;美国“标准”中第九章“废弃物”对生活废物、浓盐废水、沉淀软化污泥、铝盐污泥以及过滤池冲洗水进行设计规定。我国“规范”只规定净水厂排泥水处理应包括沉淀池 (澄清池) 排泥水、气浮池浮渣和滤池反冲洗废水, 不包括对生活废物的处理要求。

　　 我国“规范”对水厂的检测与控制的设计要求包括在线检测、控制以及计算机控制管理系统;美国“标准”中则包括自动化水厂报警与应急系统、计算机安全以及人员操作常见问题等。“标准”中对自动化控制水平要求较高, 通过计算机技术、设备控制、监控和数据采集 (SCADA) 系统可远程操控水处理厂, 并要求定期对系统进行评估与维护, 配备设备故障和通信或电力损坏的应急操作。

　　 根据中美室外给水设计规范的对比分析, 提出以下几点针对我国《室外给水设计规范》修订的建议:

　　 (1) 加快我国《室外给水设计规范》更新频率, 定期完善相关技术参数和设计要求, 保障规范的动态性和周期性。我国“规范”实施近11年, 更新与修订的周期较长^[22], 部分设计参数与工艺已不符合现行《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 的要求, 根据国家技术发展和经济建设需求对规范进行实时更新, 以确保我国“规范”内容与相关政策法规的统一和协调性。

　　 (2) 优化我国《室外给水设计规范》标准体系, 保证规范条文的法律性和灵活性。我国“规范”中包括强制性条文22条和其余推荐性条文, 可将与室外给水工程相关的现行法规标准中强制性条文进行汇总和更新, 形成一套具有法律效力的全文强制性规范, 用于政府监管, 并将推荐性条文灵活地用于行业标准、地方标准、企业标准, 使技术更加高效, 市场更加开放。

　　 (3) 增加先进水处理技术的规范要求, 补充国内现有成熟经验的新技术和新工艺, 借鉴国外相关技术规范内容, 增加相关“智慧水务”建设技术规范要求, 发挥信息化手段满足现代水务发展需求^[23], 准确掌握供水系统的运行状况, 实现资源共享, 提高水资源综合管理能力。