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跟着水滴去旅行day5:排水管道篇,向德国排水管道整治看齐?

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【摘要】:
我国如何向德国排水管道整治看齐?小编导读:一场大雨,检验出城市的脆弱一面,没有一流的下水道,就没有一流的城市。"重地上、轻地下"基础设施薄弱是城市建设的通病,上海这场暴雨再次为我们敲响警钟:在注重城市华丽外表的同时,更要关注一个城市的内在品质。昨天主图文请点击:德国近10年共投入30亿欧元整治排水管道——德国排水管道设施介绍查看,对比一下,我国的排水管道该如何整治?又存在哪些问题呢?1我国排水管道

我国如何向德国排水管道整治看齐?

小编导读:一场大雨,检验出城市的脆弱一面,没有一流的下水道,就没有一流的城市。"重地上、轻地下"基础设施薄弱是城市建设的通病,上海这场暴雨再次为我们敲响警钟:在注重城市华丽外表的同时,更要关注一个城市的内在品质。昨天主图文请点击:德国近10年共投入30亿欧元整治排水管道——德国排水管道设施介绍查看,对比一下,我国的排水管道该如何整治?又存在哪些问题呢?

1 我国排水管道建设和管理的原则
我国政府高度重视城市排水管网的建设和管理,近年来国务院先后出台了一批涉及排水管网建设和管理的文件,《城镇排水与污水处理条例》也获国务院批准并施行,对我国做好排水管网建设和管理工作提出了具体目标和要求。

从一些城市已建排水管道的检测资料看,我国的排水管道质量是令人堪忧的。除了受管道质量良莠不齐和施工招标的恶性竞争、施工单位包管材、施工不规范等行为和以减少交通影响为借口而赶工期,对排水管道质量产生直接影响外,日常养护不到位,检测、维修和维护等管理工作跟不上,又让排水管道“带病”运行。我国时常发生道路坍塌,不过是一些排水管道“病入膏肓”的直接表现而已。为提高我国排水管道建设质量和管理水平,借鉴德国经验,笔者提出了我国排水管道建设和管理应遵循的原则,具体如下。

1.1排水管网建设应遵循的原则
无论是完善污水收集,还是提高雨水排水和防涝能力,我国排水管道建设仍然任重道远。高质量的排水管道建设的原则可以总结为:“管材质量要牢靠、管道基础要托底、管道接口要严密、沟槽回填要密实”。

1.1.1管材质量要牢靠
管材质量是保证管道有良好质量的前提,与德国不同的是,我国近年来大力推进化学建材管,如各类塑料管、玻璃钢夹砂管的使用,也发布了针对化学建材管的一系列标准。但是在使用中,特别是设计文件往往仅用环刚度作为控制管材质量的指标,加之缺少相应的质量控制措施,使得使用这类管材的排水管道建设质量不高。环刚度这一指标单独是不能够有效对管材质量做出约束的,环刚度是指单位长度管环在外压作用下,在一定径向变形下所能够承受的荷载大小,它表征管环抵抗外荷载的能力。环刚度与壁厚3次方成正比,提高壁厚(如伪劣产品可以增加石英砂层厚度)就能够大幅度提高环刚度,所以环刚度并不能够对材质质量进行约束。而在实际中为了提高抗外压和抗变形能力,需要选择高刚度的管道,而高刚度又失去了化学建材管道是柔性管道的特点。在施工和使用中,化学建材管道免不了会发生变形,而变形后,保证能够使变形予以恢复的前提是,管壁层不会开裂。在一定变形情况下,考量管壁是否开裂的指标是挠曲性(玻璃钢夹砂管),或者环柔性(塑料管)。其目的是确保管壁有弹性,确保不发生永久变形和塌陷。要是管壁开裂了,管材就失去了弹性,就永远不会恢复了。

国家《玻璃纤维增强塑料夹砂管》(GB/T 21238—2007)对玻璃钢夹砂管的初始挠曲性做出了明确规定,如环刚度为2 500 N/m2的管道在变形15%时,要求其管内壁无裂纹;在变形25%时,其管壁结构无分层、无纤维断裂及屈曲。《埋地用聚乙烯(PE)结构壁管道系统——第2部分:聚乙烯缠绕结构壁管材》(GB/T 19472.2—2004)对塑料管环柔性的规定是:当试样在垂直方向外径变形量为原外径的30%时立即卸载,试验时管材壁结构的任何部分无开裂。所以,设计文件在对所选化学建材管道环刚度做出规定的同时,也要对挠曲性,或者环柔度指标做出规定,并对所采购的管道进行第三方的质量检测方法做出规定。

化学建材管质量和施工质量不易保证也是德国慎重选择的重要原因。相比较,钢筋混凝土管作为刚性管道,实际上更容易保证质量,所以“钢筋混凝土管过时”的说法有待商榷。

招投标不规范时,导致低价中标和施工单位采购管材的做法就更加不可取。国内已有城市深感管材的重要,出台了当地排水管材一律采用球墨铸铁管的规定,这恐也是无奈之举。

1.1.2管道基础要托底
钢筋混凝土管是要做钢筋混凝土基础的,但是目前一般采用的是“平板基础”。这种基础使得管道承口担在基础上,而无法让管身落在基础上(实际中有时垫砖和加支墩),而且这种基础受不均匀沉降的影响,常常会折断。另外,高刚度的化学建材管道已失去柔性管的特点,是否真的不需要设刚性基础,尚值得探讨。

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如图1所示的“非连续”性基础一则保证管身全部落在基础上;二则槽口起到了限位作用,为确保管道承插接口的“承——插”到位提供了限位保证;三则为适应沉降变形留有了一定的余地。

1.1.3管道接口要严密
排水管道应采用柔性的承插橡胶圈接口,淘汰刚性的平接口混凝土管。确保管道接口严密是排水管道施工的重要环节,只有确保承插到位,且橡胶圈不变形,才能够保证接口不漏水。但是将两节管道的承插口完全“拉到位”是要费些力气的,承插连接需要用手拉葫芦的办法,将两节管道徐徐“拉到位”,详见图2。

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目前为了提高施工速度,往往采用挖掘机“顶”的办法来实现接口到位,这种做法虽然提高了施工速度,却无法保证施工质量。为保证承插接口到位,在施工中采取一些限位措施是非常必要的,如采用图1所示的“非连续”基础就是有效的限位措施,“非连续”的凹槽位置是根据两节管道完全连接到位确定的。在施工中,还应先实施检查井,再敷设管道,也是有效的限位措施,两个检查井的间距是按照若干节管道完全连接到位的长度确定,施工时,先实施基础和检查井,再将管道“安装”进去;若先敷设管道,后做井,就难于保证管道承插到位。在管道插口段划“标记线”,只有将“标记线”拉到承口内才算承插到位,也是一种限位的办法。如果没有这些限位措施,就不能够保证承插到位;排水管道就可能“长”出来。

同时必须禁止施工单位在现场随意裁截管道,也不允许随意变更井位,否则就起不到限位的作用。“排水管道是装配出来,而不是敷设出来的”才是正确的排水管道敷设观念。设计、监理和施工单位都应树立这种观念,观念到位了,才能保证管道接口到位。上海曾有一德国企业工地的排水管道就是按照上述方法做的。

1.1.4沟槽回填要密实
目前沟槽回填材料越来越广泛使用黄沙,理由之一是可以提高施工速度。但是黄沙回填存在如下问题:第一,在高地下水位地区,由于黄沙会随水流动,当管道接口不严密,或者管道有破损,黄沙就会流入管道中,从而掏空了沟槽,引起道路塌陷事故频发,如图3所示;第二,相关规范规定,沟槽回填要分层夯实,但是实际中往往由于沟槽宽度不够、黄沙倾倒不规范等原因,难于实现规范规定的分层夯实要求;第三,实际中又是由于黄沙是靠浇水拉平的,回填材料达不到密实度要求。上述原因导致回填达不到密实度要求,也就实现不了化学建材柔性管道要求的“管土一体”的效应,从而不可避免导致管道变形、漏水和黄沙流失,所以道路塌陷就在所难免。沟槽回填还是要坚持原土回填,并严格考核回填料的含水率和密实度,以求实现沟槽回填的密实度。即便是有良好质量的化学建材管,其工程质量也是要依靠回填来保证的,只有实现“管土一体”,才能够保证已实施的管道受力均匀,不塌陷、不变形。

要站在质量、安全高于一切的立场上,评价对交通的影响,一条质量不合格,又有安全隐患的排水管道,埋在道路下面,才是对交通和人身安全的最大隐患。

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1.2排水管网维护管理应遵循的原则
对已建排水管网实施有效的维护管理的目的是:及早发现缺陷、按需修理或者更换、充分发挥设施功能、避免事故发生和延长使用寿命。排水管网维护管理的原则可以总结为:“清通养护要常态、管道检测要定期、缺陷整治要跟上、GIS系统要动态。”

1.2.1清通养护要常态
污水、雨水在收集和输送过程中,其中的垃圾、杂质、污垢等不可避免会沉淀在管道中。上海每年排水管道疏通工作量约10 000 km,可清出积泥约30万m3。这些积泥不及时清出来,一则会堵塞管道,影响管道功能;二则雨水管道中的污泥不及时清出,雨季会将污泥冲入河道,影响河道水质。我国许多城市河道,下雨就黑,与之有很大的关系。积泥也称为排水管道的功能性缺陷,如图4所示。

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我国现行《城镇排水管道与泵站维护技术规程》(CJJ 68—2007)规定,排水管道应定期进行清通养护,管道允许积泥深度小于管径的1/5。也就是说管道积泥大于管径的1/5时,就应该清通。该规程目前正在修订,增加了清通完成后的考核条款。上海市近年来,积极推行排水管道养护的第三方监管,对各区县排水管道清通养护管道数量、养护质量、养护经费到位、存在问题进行检查,城市排水行业管理部门根据检查情况,综合排名,并用月报的形式通告各区县人民政府,这一做法有力地推进了上海市排水管道清通养护工作的常态化进行。

由于在进行管道维修、接管等工作时,需要对在运管道实施临时封堵,但是维修或者接管结束后,往往封堵材料拆除不干净,留下所谓的残墙(坝根);而且树木根系也会生长进入排水管道中,这些障碍物都会影响过水断面,甚至导致旱天冒溢、雨天积水的现象发生。排水管道清通养护除了及时清除管道积泥外,还要根据排水管道检测结果,及时清除排水管道中的障碍物,恢复原有的过水能力。在排水管道养护时,一是要注重养护工作要有针对性,不能盲目;二是要注重变被动为主动,及时依据管道检测结论,科学地制定养护计划,特别是对过水能力丧失严重的管道应加大养护频率和力度,反之,应减少频率和力度,避免人力和物力的浪费;三是养护的方法要注重科学性,做到高效优质。养护的根本目的是恢复过水断面,如果从这一意义上来讲,养护方法及养护工具的选择就显得尤为重要。

1.2.2管道检测要定期
管道检测的目的就是为了及时发现排水管道存在的问题,为制定管道养护、修理计划和修理方案提供技术依据。但是调查的关键在于方法和手段,只有采用正确的方法和手段,才能够真正将埋在地下“看不见”的管道设施“看清楚、查清楚”。德国从2009年开始,54万km的排水管道中,近85%的排水管道已进行过电视摄像等检查。目前排水管道电视和声纳检测技术已在我国推广使用,为我国的排水管道有效检查提供了技术支撑。排水管道检测设备如图5所示。

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图5 排水管道检测设备照片

2012年12月施行的《城镇排水管道检测与评估技术规程》(CJJ 181—2012)对排水管道(包括检查井、雨水口)的检测方法、结构性缺陷、功能性缺陷的判定和缺陷等级评估做了规定。按照该规程分类,影响管体本身强度、刚度和寿命的结构性缺陷主要包括:破裂、变形、腐蚀、错口、起伏、脱节、接口材料脱落、支管暗接、异物穿入、渗漏等,如图6所示。影响排水管道功能发挥的功能性缺陷主要包括:沉积、结垢、障碍物、残墙、坝根、树根、浮渣等,如图7所示。

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图7 排水管道功能性缺陷照片

从我国一些城市排水管道检测数据分析看,我国排水管道结构性缺陷以渗漏缺陷(地下水渗入为主的外部渗入水渗入)为主,要占总缺陷的40%以上。前述德国评价结果是以“接口损坏”和“管体裂缝”为发生频率较高缺陷,这些缺陷不及时维修整治,可能就会发生渗漏,甚至导致坍塌。在我国分流制排水系统中,另外普遍存在的缺陷就是“雨污混接”,甚至可以说我国没有一个纯分流制的排水系统。污水混入雨水管道,造成雨水管道旱天溢流,影响雨水排水设施正常运行,影响水环境质量;雨水混入污水管道,造成污水管道满流运行,造成污水处理厂雨季溢流,且影响水质。功能性缺陷以污泥沉积为主,这就是排水管道养护不到位的具体表现。

排水管道检测就如同人体健康体检,只有把问题查清楚了,才能够对症下药。不依靠现代检测手段,就无法准确知道缺陷的存在,更无法判定缺陷的严重程度。

1.2.3缺陷整治要跟上
检测的目的是发现缺陷,而维修整治就是根据检测结果,有针对性地采取清通、修理、修缮和更新等措施,消除缺陷,恢复功能,延长使用寿命。当检测发现缺陷后,应根据缺陷的类别,及时采取相应措施进行维修整治。

解决功能性缺陷问题主要依靠排水管道养护来解决,及时清除淤泥、拆除坝头和树根等障碍物,打通管道,恢复过水断面。

对于结构性缺陷,则应根据缺陷的严重程度,制定近、中、远期维修整治计划,“有病抓紧治”是排水管道维修整治的根本原则。德国称有17%的排水管道需要在近、中期内进行整治就是根据检测结果确定的。结构性缺陷的整治,一般除地面塌陷或严重错口等情形,必须要开挖外更新外,一般宜应尽量选择非开挖的方式,以减少对城市交通等的影响。《城镇排水管道非开挖修复更新技术规程》(CJJ/T 210—2014),为管道结构性修复提供了技术依据。非开挖修理根据修理部位,分为局部修理和整体修理。局部修理主要技术措施包括:嵌补法、注浆法、套环法和局部涂层法,主要适用于接口修理和管体局部修理,如图8所示。整体修理主要技术措施包括:涂层法、翻转法(CIPP)、螺旋管法、短管内衬法等。

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这些非开挖修理技术都具备在完全不开挖或少量开挖地面的情况下实施,具有施工时扰民少、对交通和周边影响小、施工过程中完全不会产生次生灾害的优点。上述技术在我国都有使用,也非常成熟。特别是目前套环法、翻转法和短管内衬法使用在我国较为普遍。

德国对采用内衬的修缮方法,修复后管道的使用寿命,平均可以延长使用寿命47 a的评价足以证明这类非开挖技术的推广使用前景的广阔。但由于这些工法所使用的设备和材料基本来自欧美等发达国家,故而修复成本偏高,给使用推广带来一定难度。最近,检测设备、修复材料及修复技术装备产业化推广技术已被列入国家“十二五”水专项的研究课题,相信在不远的将来,排水管道非开挖修理一定会得到推广。

1.2.4GIS系统要动态
在地理信息系统(GIS)上叠加排水要素,形成的城镇排水GIS系统为排水管理提供了有效的基础。排水系统的规划设计、日常维护、运行调度、模型动态分析、防涝预警、应急调度等工作均离不开排水GIS系统。国务院办公厅2014年6月3日发布了《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》(国办发[2014]27号),要求在2015年底前完成地下管线的普查,建立综合管理信息系统。这为城市排水地理信息系统建立提供了政策依据,有关部门也将出台相关技术标准,指导和规范该项工作。


建好和管好城市排水GIS,要注重借鉴4则经验:一是家底清楚是基础,这是彻底解决排水系统数据缺失、不完整、不准确等问题的前提;二是仅有属性数据还不够,排水GIS中排水管道的管径、标高、材质、厂站规模、设备配置等是必须包括的基本属性数据,但是仅有这些属性数据,排水GIS少了点“活”性,应该将排水设施养护、检测、维修整治等维护管理信息加到数据库里去,这样GIS就能够“活”起来了;三是GIS要动态,城市排水GIS的核心是数据库,及时根据属性数据的变化和管理数据的变化来更新数据库,这是GIS管理的重中之重,没有动态的数据库,就没有合乎实情的指令;四是城市排水管网的数据库只能确定由一家负责管理,数据库共享,不能出现多头管理的现象,只有这样,才能保证GIS及各种目的子系统有效运行。

2 我国排水管道外部渗入水影响分析
外部渗入水量的大小是直接反映排水管道的实际质量状况和管理水平的重要表征指标,在缺少相应检测资料的情况下,污水处理厂的进水水量和浓度就是最有效的证明。

2.1我国污水管道外部渗入水情况调查
上海早在2002年就开始了外部渗入水主要部分——地下水渗入情况的调查研究,苏州河以南11个排水系统调查显示,地下水渗入量占旱季污水量(“纯”污水量与外部渗入水量之和)的比值平均为31%,苏州河以北为23%;部分住宅小区的外部渗入(地下)水占旱季污水量的比值为10%~35%。上海崇明某镇污水处理厂设计规模为2.5万m3/d,服务范围的自来水供水量日均2.2万m3/d,但是污水处理厂的进水量却超过3万m3/d。合肥市某小区和所在排水系统实测外部渗入(地下)水量占旱季污水量的34%左右。

前述德国DWA资料介绍,德国外部渗入水量与旱季污水量的比值为28.8%。虽然上海等地的外部渗入水调查数据与德国调查数接近,但研究认为这并不意味着我们的排水管道质量也与德国水平相当。而是在相同区域面积和管道长度条件下,我们的人口密度和污水产生总量比德国要大很多,而且我国的外部渗入水量仅考虑了地下水,所以显示出我们的渗入量与旱季污水量之比与德国相近。

污水处理厂进水浓度偏低,也是外部渗入水大量渗入的有力佐证。上海某分流制(以生活污水为主)污水处理厂,处理规模为2.2万m3/d,其进水COD浓度为330 mg/L,而德国北部以分流制为主的污水处理厂年均COD进水浓度为800~1 000 mg/L,可见上海污水管道的外部渗入水和雨季雨水的混接是影响水质的重要因素。

上海某小区实测外部渗入水量为26%~36%,管网COD浓度为249 mg/L;而另一小区外部渗入水量为10%~20%,其COD浓度为346 mg/L,上述合肥小区测得COD浓度为140~270 mg/L。上海崇明某镇小区实测COD浓度为322 mg/L,对应的城镇收集管网为147 mg/L,污水处理厂进水总管中COD浓度125 mg/L,污水处理厂集水井内COD浓度118 mg/L,从上游到下游浓度一级比一级淡,污水处理厂进水COD浓度仅为小区平均COD浓度的36.6%。可见外部渗入水缺陷是十分严重的。

我国以生活污水为主,或者工业污染源影响较小,城镇污水处理厂进水COD浓度应为400 mg/L,以此推算,上海外部渗入水量占旱季污水量的比例为30%以上的调查是合理的;我国很多城镇污水处理厂进水COD浓度不足200 mg/L,外部渗入水的比例一定在50%以上,甚至超过100%。

2.2外部渗入水影响分析
外部水的大量渗入会造成4方面的问题,一是增加了污水处理厂的进水量,降低了污水处理厂进水水质,导致污水处理厂运行效率和污染物减排效率降低,甚至溢流;二是外部渗入水占据了管道的容量,降低了管道的输送效率,也有可能导致在管道和输送泵站处溢流;三是由于管道沟槽回填近年来多是黄沙,地下水的渗入会将黄沙带入管道中,从而掏空沟槽,造成道路塌陷;四是浪费了地下水等珍贵的水资源。

近期有多个媒体报道称:“我国多地污水处理厂超负荷运转,部分生活污水直排湖河,致水体二次污染高发”。造成我国污水处理厂溢流的原因,可以归纳为4种情况:一是污水处理厂进水水量,超过实际处理能力而溢流;二是管网运行调度不合理,造成日夜间进水量负荷波动变化较大,高峰时产生溢流;三是合流制排水系统的污水处理厂按照分流制设计,雨季进水量是污水量的若干倍(取决于截流倍数),造成溢流;四是由于收集管网设计和污水处理厂设计一般仅考虑了污水量10%的外部渗入(地下)水渗入量,而实际中远高于污水量10%的外部渗入水进入污水管道,导致进水量超过处理能力而造成溢流。

前两种情况,对策措施相对是比较简单的,通过污水处理厂扩容和优化运行调度方案就可以解决。第三种情况则需要增建雨季溢流水处理设施,让雨季超负荷进水得到一定处理后再溢流;这种做法,污水处理厂的污染物减排效果一定好于污水处理厂的单纯提标改造。外部渗入水是我国普遍存在的问题,也是媒体所称称溢流的主要原因;其仅依靠污水处理厂扩容是不能够解决问题的,扩容也是一种盲目和低效的手段,而是应该从管网整治入手,从根本上解决问题,否则外部渗入水缺陷愈加严重,导致溢流也会愈加严重。

2.3解决外部渗入水问题的途径
根据德国的经验,外部渗入水量50%以上排水管道系统必须进行整治修复,25%~50%应予以重视,25%以下时可视为正常。

在加强新建排水管道质量的基础上,对于已有管道首先要大力推进排水管道检测,特别是采用电视摄像、声纳等手段,进行内部检测。并按《城镇排水管道检测与评估技术规程》进行病害等级评价,依据病害等级,分轻重缓急进行整治修复。

传统的管道整治修复方法是开挖,在城市交通日益繁忙的当下,管道开挖更换、修理和修复措施不断受到限制,所以逐步推行非开挖措施是必要的。

总而言之,采取有效措施,把污水管网外部水的渗入量降下来,就能够提高我国排水管道质量和解决污水处理厂超负荷运转问题。

3 建议
3.1有必要定期开展排水管道状况调查
德国坚持了三十多年的排水管道状况调查制度,让德国实实在在掌握了排水管道实际状况,明白还该做什么。建议我国城市也应建立相应的排水管道调查制度,周期性调查,并不是隔几年进行一次普查,这样会因为工作量巨大,而无法实施。应该是重点借助于现代化检测手段,每天都做一点排水管网的检测,5~10年一个轮回,几个轮回下来,一定能够把“埋在地下,看不见”的排水管网状况弄清楚,把整治需求和工作量弄清楚。除此之外,也才能够把一个城市的排水管网与国家对排水防涝新要求的差距是多少弄清楚,把污水真正的全收集和全处理要求差距是多少弄清楚。

3.2有必要抓紧修订相关排水管渠技术规范
我国现行《室外排水设计规范》(GB 50014—2014)和《给水排水管道施工及验收规范》(GB 50268—2008)对排水管道的设计、施工及验收进行技术规定,但是前者尚需进一步细化外部渗入水量确定、管材的选取、基础的设置、回填材料等方面的要求;后者则需要对拟用管材的检验、施工次序、回填材料和方式、管道施工质量的保障措施等方面还需要进一步细化和强化,为建设好排水管道提供技术保障。

3.3有必要强化排水管道维护管理
排水管道维护管理包括日常巡查、定期养护、定期检测和维修更新等,在编《城镇排水管渠及泵站运行、维护及安全技术规程》对这些内容的周期、具体内容和要求做出了规定,为今后做好排水管道维护管理提供了重要的依据。只有认真按照技术标准要求做好排水管道的维护管理,才能够及时把积泥清干净,让河道少一分污染;才能够及时把障碍清除掉,让管道更通畅;才能够及早发现病害缺陷,让管理者掌握管道的真实状况;才能够及时修复缺陷,让管道保持健康。这项工作首先要落实好维护管理队伍;其次是要编制相应的维护管理定额,为经费申请提供依据;三是要建立相应的第三方检查、政府监管的维护管理机制。当然前提是排水行业主管部门和当地政府要从排水管道维护涉及城市排水防涝保障、城市水环境改善和城市公共安全的高度认识排水管道维护管理的重要性,认识到位,排水管道的维护工作就有了保障。

本篇文章节选自《给水排水》杂志2015年第5期。


来源:唐建国 给水排水

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