水塔優化設計與改造再生研究

吳旭陽

（安徽皖南新維電機有限公司，安徽 宣城 242500）

現代給水系統中水塔主要用來調節二級泵站每小時供水量與居民用水量的差額，同時起到儲存水和調節水壓的作用。這種水塔供水模式會出現水體二次污染，且存在調節容積有限、檢修不便、初建成本較高和對市政管網沖擊較大等問題，所以目前供水模式普遍采用無塔供水—通過檢測市政管網壓力，采用變頻方式調整水泵轉速，控制水量，從而達到加壓供水的目的。但對于水源地供水不穩定、城市基建落后、基本以居民用水為主、水壓不足的地區（管網末梢），海嘯和地震多發地區及人工島嶼等地區，變頻供水的普及和應用具有一定難度和局限，所以在給水系統中建設水塔也是可嘗試的優化供水模式。

1 水塔供水模式優勢

1.1 提高水資源利用率

水資源供應通常被認為是生態系統中的供給服務[1-3]。從經濟學角度看，水資源可以轉變為自然資本投入到社會經濟活動中，對于鞏固和支持人類生存和活動必不可少。水塔建設是應對氣候干旱和降水變率增加的有效措施，通過水塔的調蓄功能可有效提高水資源的利用率[4]。

1.2 減少水泵能量浪費

城市居民生活用水晝夜變幅較大，用水高峰期集中在固定時段。如果采用變頻泵供水，用水量波動起伏，變頻泵很難在高效段運行，效率低且能耗大[5]。

水塔供水是傳統而有效的調節模式，當管網中建有水塔時，二級泵站每小時供水量可以與用水量不相等，但每天總供水量必須等于用水量。此時水泵工作分為二至三級，只要選泵合理，可使水泵一直處于節能狀態下工作，因此設置水塔不會引起水泵能量的浪費。

1.3 對電力系統依賴較低

城市加壓泵站通常24 小時運行，加壓泵站和二次恒壓供水設備對電力系統要求較高，當城市供電不穩定、斷電頻繁時將會影響泵站和供水設備的工作。建設水塔后，水塔通過重力式自流供水，對電力系統依賴較低，即使斷電也能保證一段時間內供水。如非洲地區由于經濟條件和基礎設施落后，供水新工藝和新技術的普及具有一定的局限性，水塔供水模式相對來說較為簡單易行。

1.4 降低水廠供水設備的閑置

一般情況下水廠夏季供水壓力更加突出，建設大型水塔有利于調節用水谷峰，降低建設運行費用。日常工況條件下，用戶通過水塔供水來用水，水廠按照統一調度原則平穩制水，運行調度簡單；高峰供水工況下，水廠出水可跨越水塔，與水塔聯合向管網供水，供水能力相當于水廠和水塔的總和。

當夜間用水量低時，可將水廠多余制水運輸至水塔，在白天用水高峰期由水廠和高位水池共同對管網輸水，以此來降低管網運行壓力，并達到降低能耗的目的[6]，這種模式可大幅降低水廠供水設備的閑置。

1.5 特殊地形和地區供水

1.5.1 山地城市供水

山地城市具有地形起伏較大，給水管網延伸較遠、用水時變化系數較大等特點，因此給水管網中一般設置水塔。水塔可調節日用水量的變化，保證泵站向管網均勻供水，減少用戶的水壓波動，減小輸水管和干管的直徑。和無調節構筑物的給水管網系統相比，利用電費的峰谷值可減小水廠二級泵站需要的電費，由此降低山地城市給水管網的建造及運行費用[7]。

1.5.2 海嘯和地震多發地區供水

地震會使供電系統和二次加壓設備失去工作能力，臺風過后水源濁度增加。例如我國臺灣地處歐亞大陸板塊和菲律賓板塊，又直接面對太平洋，屬于地震和臺風多發地區，采用水塔供水模式更為適合。

1.5.3 人工島嶼供水

利用增壓泵站增壓后將自來水送到水塔水柜內，再利用重力將水柜內的水送出。水塔二次加壓占地面積小，更具經濟效益。水塔供水模式可靠、便利且維護成本低，在加壓水泵不能工作時仍可維持供水運作。日本由于國土面積小興建的人工島嶼就更適合水塔供水模式。

2 水塔優化設計

2.1 水柜分層方案設計

2.1.1 建設雙層水柜水塔

下層水柜接受給水管網中的自來水，再通過水泵提升至上層水柜，供給用戶。這樣既利用了給水管網中的水壓，又具有較大的經濟效益。經過實際調研，給水管網常年水壓在14 m 以上的居住小區（居住人口在300～1 200 人），建設雙層水塔有較高的實用價值。

2.1.2 水柜合理分格方案

很多大型工廠為了減免事故和火災的發生設置事故水塔,可起到關鍵作用。通過在水柜內部進行合理的分格，儲備正常用水和消防用水，也可選擇在同一支筒上下不同高度建立多水柜，以滿足不同使用功能需求。

2.2 增強水塔抗震性能

為了增強地震作用下水塔的穩定性，通常在塔體下游回填一定量的混凝土把塔體和巖體連接成一個整體[8]。對水塔進行回填有利于結構的抗震和穩定[9]。考慮到不同的黏彈性邊界豎向地震作用對水塔影響很大，回填高度不能過高也不能過低，其合理高度一般在0.82 ～0.95 范圍內[10]。

2.3 水塔滲透問題處理新工藝

采用有機硅新型防水劑與注漿相結合的方法，對已完工水塔出現的滲透問題進行處理。 （1）注入水泥漿。將素水泥漿注入砼滲透水的各個部位，在一定的壓力作用下，將漿壓入流水的“孔道”中。（2）利用有機硅防水劑和新的施工工藝，重新完成防水層或局部防水層的施工。這種工藝所用的材料在市面上易于購得、成本低、操作方法簡單、耗工少、工期短、滲透處理完5 天后可試水使用[11]。

2.4 增加供水量

不同水塔的進水管數目不同，如果為了增加供水量新增出水管，不僅施工困難，且容易導致水柜與出水管的連接部位滲漏。但是將水塔內部的溢水管改成進出水管和外部管網相連接，并且在水柜的池壁上新增溢水管，這種施工比較方便，即使出現滲漏也容易處理，不影響正常供水（見圖1）。同時在水塔標準設計時，在水塔的進出管道與水塔水柜的連接處適當增加一個三通，加大管道安裝回旋余地，為將來增加用水量預留接管條件，為改造水塔增加進出水管提供方便，是最經濟、可靠之舉（見圖2）。同時也要考慮加壓水泵的供水能力是否滿足新增數量的要求，如不滿足，要及時更換增加水泵[12]。

圖1 水塔改造

圖2 水塔進出水管增加三通

2.5 清洗水源新構造

水塔在使用過程中，水箱內不可避免的會有污染物的沉積和附著，定期清洗對保證水質非常重要。水箱清洗時，清洗水源來自水塔本身的進水管，直接由水泵通過進水管輸入水箱內部，之后關閉閥門，進行下一道清洗。

在檢修時間內，必須依靠其他措施對水塔進行供水。通過在水塔頂部水箱蓋板上部空間設置電源插座，以供潛水泵使用。而水源的正常供給由正常運行的其他分格水箱承擔[13]。

2.6 特殊鏡面材料的應用

將經過特殊鍍層處理的鏡面材料覆蓋水塔水柜，降低水柜內部水溫，防止由于外界溫度過高而產生水體污染和爆管現象。該鏡面材料由若干層極薄的材料制成，第一層為銀反射膜，然后是二氧化硅和氧化絡的交替層。這種鏡面材料能反射97% 的可見光。當二氧化硅溫度升高時，它會通過約10 μm 波長的紅外線輻射釋放熱量，但大氣中幾乎沒有物質可以吸收這一波長的紅外線，所以這種鏡面能輕松的把熱量輸送至大氣層和外太空[14]。

3 水塔的改造再生

隨著城市的發展，水塔除了發揮儲水功能外，也可形成文化服務，其本身所蘊含的意義也在不斷變化[15]。它不僅是工業設施，還是戰爭場所、城市地標、民眾集體記憶之所，它在旅游文化方面更體現出可持續發展性。

由于水塔占地狹小且具有區域供水的實際功能，有其特殊的存在空間。通過對不同價值構成的水塔進行改造，使其煥發新生。水塔的改造再生要實現可持續性，應根據不同的條件做出實際性和針對性的改造，不能簡單盲目地以所謂的創意文化園區或者主題博物館命名，造成水塔改造的僵化和單一。

3.1 結合當地特色

球形水塔是指水塔的水箱為球形殼體結構，按建筑材料可分為鋼球形和鋼筋混凝土球形等。鋼筋混凝土球形水塔加上外裝飾后，別具風格。通過在水箱上部增加觀光臺設施，伴隨夜晚的燈光，既美觀又可欣賞城市夜景。例如成都火車南站結合當地酷愛足球的特點，為鋼筋混凝土球形水塔外裝飾為足球（見圖3），已成為當地地標性建筑[16]。

圖3 球形水塔

3.2 生態觀景塔

以色列將Bat Yam 的Ramat HaNasy 水塔改造為“生態觀景塔”（見圖4）。由于水塔高聳的結構特點，使其成為該地區的地標和地區景觀的匯集點。以水塔來維持現有的生態多樣性，并強化該片地區脆弱的生態系統。通過保留水塔的原始構造，在內部設計了一個螺旋向上的階梯觀景廊道系統[17]，人們在攀登時可以從不同方向觀測鳥類和野生動物。更具新意的是在水塔水柜頂部設置雙層表面，冬季雨水池也成為了生態棲息系統的一部分。

圖4 生態觀景塔

3.3 校園水塔咖啡廳

中國農業大學的校園水塔咖啡廳也是一個典型案例（見圖5）。如果簡單地把水塔改造成校園博物館，會缺乏新穎和活力，難以和校園生氣蓬勃、活力向上的氛圍相融合。將水塔改造成咖啡廳，在某種意義上將工業建筑轉型成娛樂休閑場所，使它的實用價值得到延伸[18]。

圖5 校園水塔咖啡廳

4 結論

水塔是最早的二次供水系統，目前采用的無塔供水模式都是以水塔供水模式為藍本，多種技術與學科相結合，不斷創新而來。不能因為二次供水等新興設備的出現，而“一刀切”采用新設備，這樣極有可能造成“水土不服”，不僅達不到預期效果還浪費人力、電力和水資源。

然而水塔供水模式也存在浪費市政管網水壓、消防用水不足、抗震性能較差、易滲透、供水量不足、清洗困難、需要保溫措施等缺點，應進行相應改進措施的研究。

水塔的改造再生要實現可持續性，應符合實際和具有針對性，對已建水塔的改造可結合當地特色，而超過使用年限的水塔需根據地理環境位置、承載的文化歷史和工業記憶等因素進行綜合改造。國外的生態觀景塔和國內的校園水塔咖啡廳都是優秀的改造案例，可供參考。