城市管道負壓系統運行理想條件及其發展應用的研究

王 秦

（西安綠環林業技術服務公司，陜西 西安 710000）

1 UPNPS 運行影響因素及其運行理想條件的推定

充分考慮影響UPNPS 運行的各種因素，推定系統運行理想條件，是UPNPS 通過自我調整以適應各種實際狀況的理論基礎。

1.1 內因

影響UPNPS 運行的主要內因有管長、管徑、管道材質以及管道構件等。

管長、管徑、管道材質等主要造成沿程損失。

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

1.2 外因

外因主要包括城市周邊大氣質量、大氣活動強度和用水水質。

除城市周邊存在工業區的情況，城市周邊大氣質量普遍較好。不同城市的大氣活動強度不同，以西安市為例：李琛等在《氣壓對西安市城區空氣質量的影響》[1]中提出，在只考慮風對城市空氣質量的影響時，西安市空氣質量發生明顯變化的風力等級為Ⅲ---Ⅴ級，Ⅲ級開始西安市的空氣質量開始轉良，Ⅴ級時可保證在短時間內改善空氣質量，即對于西安市，UPNPS 的工作條件為Ⅴ級風力以下。

城市廢水雜質含量高，易阻塞管道，影響UPNPS 運行。

1.3 UPNPS 運行理想條件的設定

總結前文，UPNPS 運行理想條件為：

1.城市外部大氣環境無人為干擾。

2.利用給排水管材獨立設計、建造UPNPS 管網，管網應同時滿足覆蓋范圍最廣、有效長度最短的要求，合理布置空氣入口，且不再考慮入戶的情況。

3.系統產生的污水由污水處理廠處理，故管網可依據污水處理廠責任片區劃片。城市范圍過大時，在片區內沿道路設置沿程風機（處理廠、站、點）作為管道增壓的節點或獨立處理節點。

4.管網采用自流管，結合加藥裝置，設置噴淋系統處理管道中積累的淤泥和提高大氣排放物吸收效率。

5.盡量減少管道構件種類、數量，確保管道內壁盡量光滑。

2 UPNPS 的系統組成

UPNPS 由動力系統和管網系統兩部分組成（如圖1 所示）。

圖1 UPNPS 系統組成

3 UPNPS 運行理想公式的推導

本文以單個片區作為UPNPS理想公式推導的基本單位。

參照《城市排水系統在大氣污染防治方面應用可行性的探討》中對城市排水系統管道的等級劃分，因不考慮入戶情況，將管道等級從四個調整為三個：片區排水總管為干管（通常沿各干道布設），一級支管為城市中各個街區的排水總管（通常沿各輔路布設），二級支管為小區的排水總管（通常為小區總排水管道），上下級管道之間為串聯關系，同級管道之間為并聯關系，并假設：

管中風速為v，空氣與水面的相對流速為v1，與管壁的相對流速為v2。將管徑發生變化或兩個下級支管之間的一段稱之為一個管段；

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

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

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

則在不代入常數的情況下管道中總壓損為：

通過對常量進行整理，可將公式（1）簡化為：

式中：

λ---管壁摩擦系數；

ζ1---彎頭局部阻力系數；

ζ2---三通局部阻力系數；

ζ3---活接管（活接頭）局部阻力系數；

Ln---等效管長（m）---各級管道等效長度中位數；

Dn---等效管徑（m）---各級管道空氣流通部分等效管徑中位數；

C、D、E---各級管道彎頭、三通、活接管（活接頭）數量之和；

K---各級管道長徑比之和，即L1/D1+L2/D2+L3/D3；

v---管道設計風速（m/s）；

V ---v1 和v2 的平方和，理想狀態下v2 與v 值相等；

g---重力加速度；

Y0---標準大氣壓下零攝氏度空氣比重，數值為1.2931（kgf/m3）；

P1---當地大氣壓（kPa）；

P2---管道入口氣壓（kPa）；

t---管內年平均溫度（℃，系統運行后管內空氣與外界充分交換，故采用當地年或季度平均氣溫）。

整合相同算法的部分，假設有n 種管道構件，其局部阻力系數分別為ζn，數量分別為Cn，將公式（2）進一步簡化：

4 UPNPS 的發展應用

UPNPS 的運行促進了城市空氣循環，使城市小氣候更易受到城市周邊大氣環境的影響，根據這一特點，本文提出城市小氣候穩定指數和UPNPS 在大跨建筑結構中的應用。

4.1 城市小氣候穩定指數

城市小氣候穩定指數（Stability Index of Urban Microclimate，簡稱SIUM），是指城市小氣候受城市周邊環境影響后與城市周邊環境的一致程度，是調節UPNPS運行強度的重要參數。

影響城市小氣候的主要因子有：氣壓、氣溫、濕度、風速、降水、日照等[2]。因為同一區域的日照強度基本一致，且城市范圍相對較小，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，采用指數函數的形式縮小指數值變化范圍；在計算過程中需要體現各因子在城市內外數值上的對比；各因子之間共同作用于城市，但作為指數函數中的冪，須防止個別數值為零導致的零次冪，故有：

式中：

a、b---非1 和0 的常數；

Ti---開爾文溫度（K）；

RHi---相對濕度（g/kg）；

Pi---氣壓（kPa）；

Vi---風速（m/s）；

pi---降水量（mm）；

下標1 和0 分別代表城市內、外的監測數據。

為方便判讀計算結果，可將公式（4）中a、b 兩個常數均設定為10，相同因素內部的變化用△X 的絕對值表示，則有：

當SIUM 值為1 時，城市內外氣象條件一致，達到UPNPS 運行理想目標。

4.2 UPNPS 在大跨建筑結構中大氣調節方面的應用

近現代以來，建筑材料、結構體系以及計算理論水平的巨大進步和新工藝、新技術的發展，空間結構的跨越能力達到了一個新的飛躍，大跨結構的跨度開始向千米量級進軍，發達國家和地區已經對千米級超大跨度穹頂方案開展了相關研究[3]，如圖2 所示。

圖2 千米級超大跨城市穹頂方案

這些方案中最大設計跨度達到了3200m，本文所指的大跨建筑結構均特指該類大型球殼結構。

大跨建筑結構為城市提供了相對獨立和穩定的大氣環境，但也阻礙了結構內外大氣之間的自然交換，因此結構內部大氣排放物濃度提升速率高于自然狀況，在發生火災和有害物質泄漏的情況下，有害物質的影響也更大，且溫度、濕度的積累對城市生態系統的影響也須要注意。

故要求大跨建筑結構具有一定的大氣環境調節能力，而UPNPS 在應對這種狀況時有著相當的優勢：

1.節約空間：管網分布于城市地下，且新增設施設備依托已有基建（道路綠化帶、污水處理廠等）設置。

2.適應性強：可根據需求調整系統運行強度，也可通過調整藥劑種類、濃度或同時使用多種藥劑，達到吸收有毒大氣排放物、調節空氣微生物含量的效果。

3.拓展性強：可以增設氣體噴嘴以調節空氣成分，也可以在沿程或終端處理廠、站、點增設溫度、濕度調節裝置。

大跨建筑結構中UPNPS 運行環境基本不變，主要變化為系統作用空間從開放式變為封閉式，且通過合理設計系統增設的各設施、設備，并不會改變管網的基本結構，對管網造成的影響很小。