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

摘 要 城市管道負壓系統（Urban Pipeline Negative Pressure System，簡稱UPNPS），是《城市排水系統在大氣污染防治方面應用可行性的探討》中提出的一種用于治理城市大氣污染并可以削弱熱島效應強度的城市空氣凈化系統，但該論文提出的設計方案普適性不足。故本文設想通過提出UPNPS理想方案的方式來解決普適性的問題，并提出UPNPS在大跨建筑結構中的應用。

關鍵詞 UPNPS 管道負壓系統 大跨建筑結構

中圖分類號：TU996 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）08-0001-03

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）。

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。

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：

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。

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。

參考文獻：

[1] 李琛，劉瑾，王彥民.氣壓對西安市城區空氣質量的影響[J].環境工程，2017（03）：101-105.

[2] 張盛.基于模糊粗糙集的森林火災與氣象因子的相關性研究[D].中南林業科技大學，2015.

[3] 李苗凡.800米超大跨雙層網殼結構穩定性研究[D].哈爾濱工業大學，2016.