城市管道負(fù)壓系統(tǒng)運(yùn)行理想條件及其發(fā)展應(yīng)用的研究

王 秦

（西安綠環(huán)林業(yè)技術(shù)服務(wù)公司，陜西 西安 710000）

1 UPNPS 運(yùn)行影響因素及其運(yùn)行理想條件的推定

充分考慮影響UPNPS 運(yùn)行的各種因素，推定系統(tǒng)運(yùn)行理想條件，是UPNPS 通過(guò)自我調(diào)整以適應(yīng)各種實(shí)際狀況的理論基礎(chǔ)。

1.1 內(nèi)因

影響UPNPS 運(yùn)行的主要內(nèi)因有管長(zhǎng)、管徑、管道材質(zhì)以及管道構(gòu)件等。

管長(zhǎng)、管徑、管道材質(zhì)等主要造成沿程損失。

管道構(gòu)件主要造成局部損失，其主要包括管道構(gòu)筑物和管件兩個(gè)部分。構(gòu)筑物主要為排污井，管件包括排污閥、活接管（活接頭）、彎管、變徑管、濾水器（濾水網(wǎng)）等。

1.2 外因

外因主要包括城市周邊大氣質(zhì)量、大氣活動(dòng)強(qiáng)度和用水水質(zhì)。

除城市周邊存在工業(yè)區(qū)的情況，城市周邊大氣質(zhì)量普遍較好。不同城市的大氣活動(dòng)強(qiáng)度不同，以西安市為例：李琛等在《氣壓對(duì)西安市城區(qū)空氣質(zhì)量的影響》[1]中提出，在只考慮風(fēng)對(duì)城市空氣質(zhì)量的影響時(shí)，西安市空氣質(zhì)量發(fā)生明顯變化的風(fēng)力等級(jí)為Ⅲ---Ⅴ級(jí)，Ⅲ級(jí)開(kāi)始西安市的空氣質(zhì)量開(kāi)始轉(zhuǎn)良，Ⅴ級(jí)時(shí)可保證在短時(shí)間內(nèi)改善空氣質(zhì)量，即對(duì)于西安市，UPNPS 的工作條件為Ⅴ級(jí)風(fēng)力以下。

城市廢水雜質(zhì)含量高，易阻塞管道，影響UPNPS 運(yùn)行。

1.3 UPNPS 運(yùn)行理想條件的設(shè)定

總結(jié)前文，UPNPS 運(yùn)行理想條件為：

1.城市外部大氣環(huán)境無(wú)人為干擾。

2.利用給排水管材獨(dú)立設(shè)計(jì)、建造UPNPS 管網(wǎng)，管網(wǎng)應(yīng)同時(shí)滿足覆蓋范圍最廣、有效長(zhǎng)度最短的要求，合理布置空氣入口，且不再考慮入戶的情況。

3.系統(tǒng)產(chǎn)生的污水由污水處理廠處理，故管網(wǎng)可依據(jù)污水處理廠責(zé)任片區(qū)劃片。城市范圍過(guò)大時(shí)，在片區(qū)內(nèi)沿道路設(shè)置沿程風(fēng)機(jī)（處理廠、站、點(diǎn)）作為管道增壓的節(jié)點(diǎn)或獨(dú)立處理節(jié)點(diǎn)。

4.管網(wǎng)采用自流管，結(jié)合加藥裝置，設(shè)置噴淋系統(tǒng)處理管道中積累的淤泥和提高大氣排放物吸收效率。

5.盡量減少管道構(gòu)件種類、數(shù)量，確保管道內(nèi)壁盡量光滑。

2 UPNPS 的系統(tǒng)組成

UPNPS 由動(dòng)力系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)兩部分組成（如圖1 所示）。

圖1 UPNPS 系統(tǒng)組成

3 UPNPS 運(yùn)行理想公式的推導(dǎo)

本文以單個(gè)片區(qū)作為UPNPS理想公式推導(dǎo)的基本單位。

參照《城市排水系統(tǒng)在大氣污染防治方面應(yīng)用可行性的探討》中對(duì)城市排水系統(tǒng)管道的等級(jí)劃分，因不考慮入戶情況，將管道等級(jí)從四個(gè)調(diào)整為三個(gè)：片區(qū)排水總管為干管（通常沿各干道布設(shè)），一級(jí)支管為城市中各個(gè)街區(qū)的排水總管（通常沿各輔路布設(shè)），二級(jí)支管為小區(qū)的排水總管（通常為小區(qū)總排水管道），上下級(jí)管道之間為串聯(lián)關(guān)系，同級(jí)管道之間為并聯(lián)關(guān)系，并假設(shè)：

管中風(fēng)速為v，空氣與水面的相對(duì)流速為v1，與管壁的相對(duì)流速為v2。將管徑發(fā)生變化或兩個(gè)下級(jí)支管之間的一段稱之為一個(gè)管段；

對(duì)于干管，管道上空氣入口數(shù)n1，彎頭數(shù)c1，活接管（活接頭）數(shù)d1，三通數(shù)e1，管道長(zhǎng)L1，直徑中位數(shù)D1；

對(duì)于一級(jí)支管，壓損最大的一條管道上空氣入口數(shù)n2，彎頭數(shù)c2，活接管（活接頭）數(shù)d2，三通數(shù)e2，管道長(zhǎng)L2，管道直徑中位數(shù)D2；

對(duì)于二級(jí)支管，壓損最大的一條管道上空氣入口數(shù)n3，彎頭數(shù)c3，活接管（活接頭）數(shù)d3，三通數(shù)e3，管道長(zhǎng)L3，管道直徑中位數(shù)D3。

則在不代入常數(shù)的情況下管道中總壓損為：

通過(guò)對(duì)常量進(jìn)行整理，可將公式（1）簡(jiǎn)化為：

式中：

λ---管壁摩擦系數(shù)；

ζ1---彎頭局部阻力系數(shù)；

ζ2---三通局部阻力系數(shù)；

ζ3---活接管（活接頭）局部阻力系數(shù)；

Ln---等效管長(zhǎng)（m）---各級(jí)管道等效長(zhǎng)度中位數(shù)；

Dn---等效管徑（m）---各級(jí)管道空氣流通部分等效管徑中位數(shù)；

C、D、E---各級(jí)管道彎頭、三通、活接管（活接頭）數(shù)量之和；

K---各級(jí)管道長(zhǎng)徑比之和，即L1/D1+L2/D2+L3/D3；

v---管道設(shè)計(jì)風(fēng)速（m/s）；

V ---v1 和v2 的平方和，理想狀態(tài)下v2 與v 值相等；

g---重力加速度；

Y0---標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下零攝氏度空氣比重，數(shù)值為1.2931（kgf/m3）；

P1---當(dāng)?shù)卮髿鈮海╧Pa）；

P2---管道入口氣壓（kPa）；

t---管內(nèi)年平均溫度（℃，系統(tǒng)運(yùn)行后管內(nèi)空氣與外界充分交換，故采用當(dāng)?shù)啬昊蚣径绕骄鶜鉁兀?/p>

整合相同算法的部分，假設(shè)有n 種管道構(gòu)件，其局部阻力系數(shù)分別為ζn，數(shù)量分別為Cn，將公式（2）進(jìn)一步簡(jiǎn)化：

4 UPNPS 的發(fā)展應(yīng)用

UPNPS 的運(yùn)行促進(jìn)了城市空氣循環(huán)，使城市小氣候更易受到城市周邊大氣環(huán)境的影響，根據(jù)這一特點(diǎn)，本文提出城市小氣候穩(wěn)定指數(shù)和UPNPS 在大跨建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

4.1 城市小氣候穩(wěn)定指數(shù)

城市小氣候穩(wěn)定指數(shù)（Stability Index of Urban Microclimate，簡(jiǎn)稱SIUM），是指城市小氣候受城市周邊環(huán)境影響后與城市周邊環(huán)境的一致程度，是調(diào)節(jié)UPNPS運(yùn)行強(qiáng)度的重要參數(shù)。

影響城市小氣候的主要因子有：氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)速、降水、日照等[2]。因?yàn)橥粎^(qū)域的日照強(qiáng)度基本一致，且城市范圍相對(duì)較小，故忽略該因子的影響。

須要注意的是，部分因子變化范圍較大，采用指數(shù)函數(shù)的形式縮小指數(shù)值變化范圍；在計(jì)算過(guò)程中需要體現(xiàn)各因子在城市內(nèi)外數(shù)值上的對(duì)比；各因子之間共同作用于城市，但作為指數(shù)函數(shù)中的冪，須防止個(gè)別數(shù)值為零導(dǎo)致的零次冪，故有：

式中：

a、b---非1 和0 的常數(shù)；

Ti---開(kāi)爾文溫度（K）；

RHi---相對(duì)濕度（g/kg）；

Pi---氣壓（kPa）；

Vi---風(fēng)速（m/s）；

pi---降水量（mm）；

下標(biāo)1 和0 分別代表城市內(nèi)、外的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

為方便判讀計(jì)算結(jié)果，可將公式（4）中a、b 兩個(gè)常數(shù)均設(shè)定為10，相同因素內(nèi)部的變化用△X 的絕對(duì)值表示，則有：

當(dāng)SIUM 值為1 時(shí)，城市內(nèi)外氣象條件一致，達(dá)到UPNPS 運(yùn)行理想目標(biāo)。

4.2 UPNPS 在大跨建筑結(jié)構(gòu)中大氣調(diào)節(jié)方面的應(yīng)用

近現(xiàn)代以來(lái)，建筑材料、結(jié)構(gòu)體系以及計(jì)算理論水平的巨大進(jìn)步和新工藝、新技術(shù)的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)的跨越能力達(dá)到了一個(gè)新的飛躍，大跨結(jié)構(gòu)的跨度開(kāi)始向千米量級(jí)進(jìn)軍，發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)對(duì)千米級(jí)超大跨度穹頂方案開(kāi)展了相關(guān)研究[3]，如圖2 所示。

圖2 千米級(jí)超大跨城市穹頂方案

這些方案中最大設(shè)計(jì)跨度達(dá)到了3200m，本文所指的大跨建筑結(jié)構(gòu)均特指該類大型球殼結(jié)構(gòu)。

大跨建筑結(jié)構(gòu)為城市提供了相對(duì)獨(dú)立和穩(wěn)定的大氣環(huán)境，但也阻礙了結(jié)構(gòu)內(nèi)外大氣之間的自然交換，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)部大氣排放物濃度提升速率高于自然狀況，在發(fā)生火災(zāi)和有害物質(zhì)泄漏的情況下，有害物質(zhì)的影響也更大，且溫度、濕度的積累對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的影響也須要注意。

故要求大跨建筑結(jié)構(gòu)具有一定的大氣環(huán)境調(diào)節(jié)能力，而UPNPS 在應(yīng)對(duì)這種狀況時(shí)有著相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)：

1.節(jié)約空間：管網(wǎng)分布于城市地下，且新增設(shè)施設(shè)備依托已有基建（道路綠化帶、污水處理廠等）設(shè)置。

2.適應(yīng)性強(qiáng)：可根據(jù)需求調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行強(qiáng)度，也可通過(guò)調(diào)整藥劑種類、濃度或同時(shí)使用多種藥劑，達(dá)到吸收有毒大氣排放物、調(diào)節(jié)空氣微生物含量的效果。

3.拓展性強(qiáng)：可以增設(shè)氣體噴嘴以調(diào)節(jié)空氣成分，也可以在沿程或終端處理廠、站、點(diǎn)增設(shè)溫度、濕度調(diào)節(jié)裝置。

大跨建筑結(jié)構(gòu)中UPNPS 運(yùn)行環(huán)境基本不變，主要變化為系統(tǒng)作用空間從開(kāi)放式變?yōu)榉忾]式，且通過(guò)合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)增設(shè)的各設(shè)施、設(shè)備，并不會(huì)改變管網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)管網(wǎng)造成的影響很小。