第1篇　供水

第1篇　供水

J.肯纳德（J.KENNARD）

1750—1850年是英国近代供水系统的发展时期。人口从农村向城市的流入，制造业的迅速发展和铁路的引进，都需要连续不断地供应清洁的水，不仅是家用，而且也用于工业。

在1800年之前，研究者还不能可靠地估算人口。在1753年那次人口普查的尝试流产之后，英国1801年进行了第一次人口普查。在接下去的半个世纪当中，英格兰、威尔士和苏格兰的人口增长情况如下表所列：

城市人口在飞速增长。例如，格拉斯哥市的人口在1801—1851年间就增加了4倍。这座城市对水的需要量，1838年为每天650万加仑，经过10年稍微多一点的时间以后，增加到每天1400万加仑。

为了满足这样的需求，在整个英国，私营企业组建了许多股份公司，公司是按照议会的私有法案授予的特殊权利建立的。在19世纪，英国通过了100多项这样的法案。一般说来，这些公司在财务经营上是很成功的。不过，由于议会的鼓励，许多城镇的公司在供水上展开了相互竞争。到19世纪中叶，公司间就出现了合并，地方当局在有些情况下还接管了公司，特别是当政府感觉到公司没有实力或积极性去经营当时被认为必不可少的大型水厂时。爱丁堡的情况却相反，政府1819年以3万英镑的总价将供水工作移交给了一家公司。

1840年，英国下议院的一个特别委员会接受委派，对英格兰和威尔士的大城镇和人口密集区的供水情况进行调查。最终提交的报告谈到了许多缺点与供水不足，以及有时出现的污染情况。在调查的50多个城镇中，供水被认为合格的只有6个。委员会的建议导致了1847年《水厂条款》（Water-works Clauses Act）和1848年《公共卫生条例》（Public Health Act）的通过，它们成为英国现代水法的基础。这些法规规定，供水应“纯净、安全而且不间断”，水压应可将水送达供水区域内最高的房屋。这些法规还进一步对在开发水资源、建造水厂、铺设管道中造成的财产损失和破坏规定了补偿标准，并涉及水费的收取办法，即家庭以财产的纳税值计费，工业用水按耗用的加仑数计费。这样立法的主要目的是，对授权的供水企业的权限尽可能定出标准，以避免在每一项单独的私有法案中对权利与义务作详细的规定。

在工业革命的第一阶段，运河系统的开发以及为其供水的大型水库的建设，都提供了很多有价值的资料与经验，反过来又可用于类似供水厂的建设。然而，人们不久就认识到，正确考虑水库设计的水文情况所必需的主要基本数据，依赖于降雨量、蒸发量、吸收损失以及干旱气候下的江河流量等可靠记录。正在设计曼彻斯特的早期水厂的贝特曼（J.F.Bateman），对于当时使用的经验法则和推测方法感到不满，当时其他工程师也在使用这样的方法，他们说服了企业在拟议中的几个集水区设置雨量计。

不列颠群岛已知的最早的降雨量是由汤利（Richard Townley）在伯恩利附近的汤内利记录的，时间是1677—1703年。到1788年，已有10种此类记录。但是，一般认为这些降雨量记录只不过是科学家和牧师们的一种业余爱好，直到1847年以后，格莱舍（James Glaisher）才开始作认真的记录，1860年往后。又由西蒙斯（G.J.Symons）继续这项工作。西蒙斯积极地招募观察人员，到19世纪末已超过3000人。在1919年，降雨量记录成为由航空部气象局承担的一项全国性工作。

当赫顿（James Hutton）于1795年发表了他的《地球原理》（Theory of the Earth）后，人们认识到地质学对水利工程师的重要性。1815年，史密斯（William Smith）发表了著名的附有第一张地质图的《地层图解》（Delineations of the Strata），三年后他出版了一本地质图集。在此期间，地质学会于1807年成立，并在1835年筹建了大不列颠地质勘测局，这是全球第一个此类机构。几年以后，军用测绘地图问世，比例尺是6英寸代表1英里。

如果不对伦敦城的供水作简要描述，那么这个时期的供水史将是不完整的。伦敦城第一家供水公司是1581年建立的伦敦桥水厂，通过水车驱动的水泵，在伦敦桥从泰晤士河中将水汲上来（图277）。水厂完全建成时，据说每天能供水近400万加仑。但是，由于水厂的运营引起河水水位有大幅落差，危及通过大桥的船只航行，因此当地在1822年通过了迁移水厂的法令，并将其业务移交给新河公司。1613年，该公司建成了一条名为新河的引水渠，将赫特福德郡的泉水输送到38英里外的伦敦（图278、图279），这一工程由休·米德尔顿爵士（Sir Hugh Myddleton）发起，1738年，公司被允许将利河河水引入这条引水渠。

沙德韦尔公司由1669年前后建立的水厂发展而成，供水区域包括沃平和斯特普尼。西哈姆水厂创办于1743年，坐落在位于堡区的利河支流上，供水区域包括米尔恩德和斯特拉特福。这两家公司后来都并入了伦敦船坞公司。

1692年，伦敦市政府将它在汉普斯特德荒地的公司租给一些承租人经营，从而构成了汉普斯特德供水公司。这家公司随后在黑尔斯河谷和凯恩林地建设水库，供水区域从汉普斯特德的南面直到卡姆登城。1833年，公司在汉普斯特德荒地的最低处凿了一口井，几年以后在肯特镇凿了第二口井。

挖掘浅的水井一般不需要多少技巧，只要用一只铅锤来检查垂直度，设法搬走挖出的物料，准备适当的内衬以支撑井壁，并尽可能防止污染，其他就不需要什么了。砌砖通常用作内衬，但在潮湿地带，则要依靠在砌砖背面加上一些胶黏土。在更近的年代，则开发了用混凝土和铸铁来做内衬的新方法。为了得到更多的水，人们在肯特镇水井井底进行钻凿，但这种努力是白费力气，在1855年钻到1302英尺深之后就放弃了。

从浅水井的井底凿深井孔时，钻凿的主要方法是将地层土捣成碎块，并运走砂或泥等碎屑。所用的钻凿工具根据工程性质而变化，连接在钢制或木制钻杆上，作纵向往复运动，在井底将物料捣碎。钻凿工具也作环形运动，以确保每一冲程不会冲击在同一点上。过一段时间就应将工具取下，将岩屑堆垛冲洗并除掉，还要加长钻杆。

约克大厦供水公司根据议会法令在1691年组建，拥有坐落在斯特拉特福的维利耶大街尽头的水厂，能够从泰晤士河取水。水通过由马匹带动的机器提升到水塔上，并输送到皮卡迪利、肯辛顿花园、怀特霍尔以及其间的街道。这是伦敦第一家利用蒸汽泵水的公司，大约在1712年，萨弗里（Thomas Savery）为它建造了“用火力提水”的机器。为迎接其他公司日益激烈的竞争，这家公司需要承担昂贵的改装费用，从而导致了财务亏损，1818年被新河公司兼并。

切尔西供水公司创建于1723年，它把格林公园内的两个池塘改建成水库。水取自从皮姆利科至切尔西附近河岸的运河，利用水车将水提升上来。最早净化河水的尝试就是在切尔西。但是，由于河水污染加剧，该公司和其他公司一样也受到1852年《大城市水法》（Metropolis Water Act）的影响，不得不将取水口迁移到远离潮汐的地方。这个法案还规定，除了从井中汲取的水以外，所有的水都应过滤，而且在离圣保罗大教堂5英里范围内的所有水库都应加盖。

根据1785年议会法令组建的兰贝斯供水公司专为兰贝斯及其周边地区供水。水厂的工程规模相当大，以满足日益增长的需求。1848年，公司将取水口移到建有过滤砂床（边码501）的瑟比顿，获得了更为纯净的水源。东伦敦供水公司创建于1807年，在随后的一年从伦敦船坞公司取得了沙德韦尔供水公司和西哈姆供水系统的经营权。该公司最初的取水厂和蓄水池建在旧福德，但在1829年将取水口移到利桥，这里成为配水系统的中心，到19世纪末更成为大城市地区的第二大配水站。

肯特供水公司创建于1809年，水源来自雷文斯本河，专门向德特福德、利、格林尼治、刘易舍姆和里瑟海锡地区供水。1856年在德特福德开挖了一口深井后，公司就不再利用河水，整个地区完全是供应井水。1811年，大汇合供水公司组建起来，从1820年开始在切尔西的泰晤士河上汲水，但随后取水口就移至基尤桥。1845年，南沃克公司和沃克斯霍尔公司合并组建了南沃克和沃克斯霍尔公司，它的主要工厂包括巴特西的一座取水厂，后来取水厂移到了汉普顿。

下表列出了1848年至1849年间的9家大城市供水公司的供水量（图281）。

到19世纪中叶，在伦敦除最穷的住户以外，几乎每栋房子都装有在规定时间充水的水箱。图280展示了19世纪初皮卡迪利地区对住宅供水的方法。

在沙砾地区，由于地质条件优越，开挖浅井非常普遍，井水可供给各个住户和工厂，也可依靠从透水的岩层与不透水的黏土层接合处流出的泉水。但是，污染的扩散，导致许多这种水源被放弃，最后通过钻井开发了更为纯净、更深的水源。

因为英国很多地区的河流下游很快遭到污染，而对水的需求却又在增加，超过了开挖普通井和钻井的供水量，人们就将注意力投向了较纯净的上游水源。这一般需要筑坝来形成蓄水库或拦水库，以便在干旱季节能增加自然的水流量。

许多19世纪授权地方企业建造水库和从河流取水的法令中，并没有对取水率的限制，但另有一些法令保护那些沿河企业主，例如磨坊主、工厂主的利益。补偿水的措施也不断完善，当水车普遍用来驱动磨机时，必须排放到河流中的补偿水被确定在一个很高的流量。用水企业没有履行其责任时，将会受到严厉惩罚。近年来，由于江河的利用情况有了改变，议会也批准了比以前低的补偿水量。

一个早期水厂堤坝的著名例子是位于奔宁山脉的贝尔蒙特水坝，约1827年由大小博尔顿供水公司建造。该公司曾获得授权，从流入贝尔蒙特河的清泉取水，可是为了给伊格莱河下游的磨坊提供补偿水，就必须建造水库。堤坝用黏土建造，高出河床65英尺，在1843年又筑高了16英尺。虽然堤坝在1925—1926年曾进行过大范围修补，却至今仍在使用。这座水库的成功以及由于河水流量稳定而使磨坊获得的效益，促使其他磨坊主为了自己的利益建筑了特顿和恩特威斯特水库，位置也在博尔顿附近。该堤坝计划高128英尺，但是只完成了108英尺。这些实例为在这样一些地区计算水库容量提供了可靠信息，所获得的数据被用于更大工程的设计，例如曼彻斯特的朗登代尔工程。

1848年，曼彻斯特公司获得议会授权，可以利用距城东约10英里的朗登代尔河谷。为建成水库，公司共修建了5座堤坝，低水位的两座堤坝只用来储存补偿水。工程于1848年开工，1851年就将水送到了城市中。这些工程的产水量为每天1900万加仑，但仅到1879年便已觉得水量不够了。曼彻斯特公司决定着手建设瑟尔米尔湖工程，从湖区通过一条96英里长的水渠取水。(https://www.daowen.com)

朗登代尔工程被认为是英国以蓄水为基础供水的第一个重大项目。考虑到当时可供使用的数据与经验很有限，这些工程至今仍令人满意地运转，本身就反映了两位工程师贝特曼和希尔（G.H.Hill）的高超技术。他们两人还负责过格拉斯哥的卡特琳湖工程。

当时通常的建造堤坝的方法是，筑成一个中心不透水的胶黏土堤芯，在各侧加上适当的填充材料，对着水的那一面用砌石护坡，外表面则覆盖泥土并种上草。为防止水通过堤下的透水地层渗流，首先挖一个壕沟，深达不透水的地层，例如页岩层或坚固的岩石层，然后再填以胶黏土。这种土堤的建造方法仍在英国使用，但地下层则用混凝土代替了黏土。在建造过程中及建成之后，滑坡时有发生，然而，通过增加更多的物料，堤坝一般可以建得比较令人满意。

一个造成严重后果的失败例子是发生在1864年的一场灾难，当时为设菲尔德供水的戴尔戴克水库正在第一次灌水。在几小时内，堤坝发生了沉降，库水溢过坝顶，约有1/4的堤坝被冲垮，泄出的洪水造成244人死亡和相当大的财产损失。供水公司被要求支付37.3万英镑的赔偿金，议会还通过了一项专门法令，以使供水公司能够筹集钱款。

早期的土坝主要建在奔宁山脉，那里接近地表处缺少坚固的岩层，一般不可能建筑其他类型的堤坝。尽管在1810年多布斯（Edgar Dobbs）便已发明了人造的罗马水泥，阿斯普丁（Joseph Aspdin）又在1824年获得了波特兰水泥的专利（边码448）。第一座大型的砖石结构堤坝，是位于北威尔士的韦尔努伊坝，它是1881—1892年为利物浦供水而建造的，坝长1172英尺，高161英尺。

欧洲大陆供水系统的发展仿效了类似英格兰经历过的模式，在某些实例中还引用了英国的实际做法并利用了英国的资金。在比利时，直到18世纪，当地政府才有兴趣积极建立公共水井来供水，直到19世纪才开发出地下水集水处、地面水坝和配水系统。丹麦人由于能够利用地下水资源，所以直到1853年才在欧登塞港建立起第一座装备有泵和铁管的中央供水系统，其他城市几年后也仿效了这套方法。在芬兰，第一座水厂于1876年在赫尔辛基建立起来。

19世纪初，巴黎的供水有部分来自泉水，但主要来自塞纳河，当时巴黎人口已略超过50万。自1786年起，巴黎的用水由挑水夫沿街叫卖，他们从被称为“泉商”（fontaines marchandes）的公共水池取水，但从1819年起，政府禁止从这些喷泉处把水灌入运水车。1821年，人们进行过滤水试验。1834—1841年间，人们在格勒内勒的布勒特伊宫的中部开凿了一口深547米的自流井。随后在1856年，贝尔格朗（Eugène Belgrand，1810—1878）开创了目前仍在使用的双重供水系统，其中公用事业用水取自塞纳河和乌尔克运河，家庭用水则取自远处的泉水。

德国在1770年已拥有大约140座能提供间歇供水的中央供水系统，但到1867年已有140多座大城镇在使用新式的供水系统，这些供水系统多半为市政府所有。

在荷兰，饮用水供应发展得比较晚，直到19世纪初才开始从一个深渊处取水。阿姆斯特丹水厂成立于1853年，由荷兰人创办，但得到了英国专家和资金的帮助。大约是同一时期，瑞士在一些城镇中建立了中央供水系统。

17世纪、18世纪和19世纪在伊斯坦布尔的贝尔格莱德森林附近建造的堤坝，以及由锡南（Sinan，1489？—1587）建造的高架桥，显示了土耳其人的非凡远见。值得记载的是这些先驱者用来测定饮用水质量的天才方法，他们将絮棉块称重，用不同的水样把它们浸湿，并在太阳下晒干，使棉块剩余的重量几乎不变的水被认为是最好的水。

早期欧洲重要的堤坝包括1843年法国建造的佐拉运河坝，这是一座砖石结构的拱形坝，有118英尺高。西班牙于16世纪和18世纪为一些灌溉水库建造了砖石结构堤坝，其中一个例子是老蓬特斯坝，建于1785—1791年间，横跨瓜达伦廷河。这座坝在1802年坍塌，原因是基础有问题。

从17世纪起，开凿深井从以前的地下水源取水的方法开始得到采用，人们经常发现其水面可以升高到地表并溢流出来。这种井被称为阿图瓦井（artesian well，自流井），之所以如此称呼是由于这种现象早在1126年便在阿图瓦（Artois）被首次发现。

在伦敦地区，水井被挖掘到伦敦黏土地层下面饱含水分的砂层。但是随着水井数目的增多，这种水源不久就枯竭了。后来的井被挖掘到了白垩层，此处的水源是承压的，抽出大量的水会造成地下水位显著降低。一个例子是1845年在特拉法尔加广场开凿的一口井，深度达到396英尺，以给喷水池供水，当时水位是在地表以下112英尺。到了1875年，水位为地表下141英尺。当1911年水位降至地表下236英尺时，这口井就废弃了。但这里的水位仍在下降，到1937年已下降到地表下283英尺。

在很大程度上，水的开发当然要受到与所要抽取的水源的所有权有关的法规影响。就英国而言，关于地下水所有权问题的法规，通过1859年的著名的蔡斯莫（Chasemore）对理查兹（Richards）的诉讼案件，已明确地解决了。为了向克罗伊登供水，被告方在离旺德尔河约1/4英里的地方开凿了一口井。在这种情况下所汲取的水，以前是经地面流进河流的，因而减少了流经原告的磨坊的水流量。人们认为，除了在众所周知的或确定的水道中流动的水，例如在矿井坑道入口流动的水之外，土地所有人有无限的权利通过挖井汲水，而对其上游或下游的人造成的任何损害不负法律责任。在法令的管制下，这条通用的法规沿用至今。

在我们讨论的这一时期，驱动泵机的动力是蒸汽，在1800年前后，许多蒸汽泵已在使用（边码181），几乎都是由瓦特（James Watt）设计的。1800年瓦特的专利到期，促使了蒸汽机的进一步开发。1812年，特里维西克（Trevithick）制造出第一台高压冷凝式水泵蒸汽机，被称为康沃尔蒸汽机（边码188）。这些蒸汽机主要用于为康沃尔和其他矿区排出积水，但也有一些用在水厂。较高的泵压和各种压力的泵水需求，导致开发出复合旋转式杠杆蒸汽机（边码191），并在1848年建造了许多台。

液压扬汲机（第Ⅴ卷，第22章）在1797年由法国人蒙戈尔费埃（J.M.Montgolfier）发明并取得专利权，但直到1840年才普遍投入使用。1868年，阿克灵顿的布莱克（John Blake）取得了改进型扬汲机的专利权，这种机器每天能够提水10万加仑。

在17世纪和18世纪，为了配送水，人们普遍使用直径达10英寸的木制水管。这种管道一般是用榆木钻孔制成（图282），直到1817年通过了《城市铺路法》（Metropolis Paving Act）后，在伦敦才被禁止使用。在斯堪的纳维亚和中欧的一些森林地区，木制水管至今仍在使用。尽管铸铁水管早已在一些地方少量使用，例如切尔西供水公司在1746年、爱丁堡市在1755年都已使用过铸铁管，但这一时期大致标志着铸铁加压水管开始大规模使用。早在17世纪后半叶，铸铁已被用于制造凡尔赛的马尔利水厂设备的管道（图93、图94），它们包括超过15英里的管道，每段管道只有约1米长，使用法兰接头连接，管道直径为1.75—20英寸。大约在1785年，托马斯·辛普森（Thomas Simpson）发明了管道的套筒接合。砂岩管曾在许多城镇试用过，包括曼彻斯特（约1812年），但是它一般不能承受大于30—40英尺水头的压力，于是就没有继续使用下去。西米德尔塞克斯供水公司在19世纪初曾用砂石管做试验，结果漏水严重，最终还是用铁管代替了砂石管。直到1850年前后，所有铁管都是水平浇铸的，但是在1846年，斯图尔特（D.Y.Stewart）取得了垂直铸铁管的制造专利，从那时起，水平浇铸法就逐渐被废弃。铸铁的经久耐用是大家所熟知的，一根1790年铺设以替换木管的直径7—9英寸的铸铁总管，至今在爱丁堡在使用。1825年，对头焊接的熟铁管开始用于配送水的管道之中。

中早期的管道节流阀一般都很粗糙而且效率低下，若要在较高压力下使用，显然就需要用更好的阀门。球阀在1748年已有记载，在此之前水箱的供水必须通过旋塞调控。1839年，内史密斯（James Nasmyth，1808—1890）应东伦敦供水公司的要求，制造出一种双面楔形闸阀，它构成了目前使用的阀门的基础。甚至在更早的1824年，一种老式的设计独特的箱阀，就安装在控制贝尔蒙特水库流量的15英寸管道的出口端（图283）。在100年之后需要修补水库时，才发现这一箱阀。

1797年，文丘里（Giovanni Venturi，1746—1822）提出了现在称为“文丘里定律”的基本原理，流经口径逐渐缩小的管道时，受到压力的液体会增大流速并减小压头，而在口径扩大的管道中的情况则相反。1800年以前，敞开水道中的水是可以测定流量的，但是没有办法测量封闭管路中水的流量。有此用途的第一只仪表在1852年由肯尼迪（Thomas Kennedy）获得专利，并立即被许多水厂广泛采用（图284）。迪肯（G.F.Deacon）在1873年发明了一种简易的竖盘式水表，可在卷筒记录纸上按小时显示出水的真实流量。这种水表被设计用来记录水的正常和非正常使用情况，至今仍在使用。1887年，美国工程师赫歇尔（Clemens Herschel）根据文丘里定律，设计出一种准确测量液体流量的简易仪表。直到今天，文丘里定律仍非常广泛地应用于管道、隧道和渠道中的流量测定。

在印染和漂白行业中，对清洁的纯净水的需求促使兰开夏郡的一些生产企业通过砂床来过滤他们的水。1791年，皮科克（James Peacock，1738—1814）取得了一项将水向上流过分级砂床的专利。1804年在佩斯利成功建造了处理公共用水的慢砂滤池，1827年在格里诺克和切尔西也都建成了这类装置。后来，这种过滤装置在英国许多地区、欧洲的其他地方以及美国都相继建造起来。在这种滤池采用之前，要净化河水只能让杂质在沉淀水池中沉积下来，但后来发现这种做法是不够的。从高地水库和泉水水源来的水一般被认为是天然合格的，在1905年采用加氯消毒处理之前往往不作任何处理就供应用户。关于过滤的早期工作集中在将混浊的水澄清，长期以来，清洁水的生产是对效率的唯一检测。直到细菌科学发展起来以后，慢砂滤池的作用才被人们认识到。它不只是提供能够清除水中细菌的一个微观屏障，而且还是一种有效的生物学设备。

詹姆斯·辛普森（James Simpson）为切尔西供水公司设计的慢砂滤池是在伦敦最早建成的，从那时以来，其形式就没有本质上的变化。在地面上用疏松的砖砌成隧道，盖以瓦片，然后在上面放置2英尺厚的洗净的粗砾石层，然后盖上一层洗净的细砂。大部分沉积物会被挡在顶部3英寸厚的砂层中，这些砂过一段时间就要取出来清洗、更换。这种砂床一直使用到1856年，直到该公司的取水口搬迁至瑟比顿为止。第一部关于过滤的法规见于1834年的《兰贝斯公司法》（Lambeth Company's Act）。

在1849年与1853—1854年间，伦敦数度爆发严重的亚洲霍乱，该病经医生查明是由于饮水水源被排泄物污染所致，来自泰晤士河的水，同时变得越来越恶臭难闻，这些事件激起民众强烈的反感。1849年的传染病导致了1852年《大城市水法》的通过，它强制规定水必须经过过滤，并禁止在泰晤士河潮汐区域汲水，新的水源未经贸易部检验员批准不得取用。

水的软化技术首先在英国被开发出来。虽然在19世纪之前先导性的工作已经完成，但克拉克（Thomas Clark，1801—1867）直到1841年才获得了“使某些水减少杂质与硬度的新方法”的专利。水对肥皂的不同效应，长期以来都被归结为水的硬度或软度导致的。1856年，克拉克制订了著名的硬度标准，即在1加仑水中有1格令石灰或其他使肥皂失效的成分（或1/70000），即相当于硬度的1度。1854年，人们在普拉姆斯特德安装了伦敦的第一座城市软化水装置，不过软化的想法当时还未受到普遍认可。1862年，现在的东萨里供水公司的前辈们在修建水厂时，水的强制性软化才第一次进入私有法案。

对于水的消毒，实际上直到20世纪初人们才有所了解。但是，在1897年爆发伤寒之后，伍德黑德博士（Dr Sims Woodhead）才开始利用次氯酸钙对梅德斯通的输水主管道进行消毒。

参考书目

Dickinson，H.W.‘Water Supply of Greater London.’Newcomen Sociery，London.1954.

Hobbs，A.T.（Ed.）.‘Manual of British Water Supply Practice’（2nd ed.）.Heffer，Cambridge，for The Institution of Water Engineers，London.1954.

Robins，F.W.‘The Story of Water Supply.’Oxford University Press，London.1946.

Walters，R.C.S.‘The Nation’s Water Supply.’Nicholson & Watson，London.1936.