地鐵給排水系統優化設計與改進研究

地鐵給排水系統的設計與施工直接影響地鐵站以及隧道的防洪排澇能力，與人民的生命和財產安全息息相關。受城市開發、環境變化等多種因素的影響，極端天氣事件頻發，地鐵給排水系統的傳統設計方案已經不能滿足現代地鐵工程的復雜需求。本文以地鐵給排水工程的實際經驗為基礎，簡述地鐵給排水系統的設計原則，闡明地鐵給排水系統的改進技術，并給予具體的實施建議。

一、地鐵給排水系統的設計原則

(一)安全可靠原則

根據《地鐵設計規范》中的相關規定，為確保地鐵站的地下排水能力，應該按照50年一遇的暴雨強度進行排水設計，根據水文模型進行匯水面積計算，保證地鐵站的排水泵站總流量應高于 30L/(s?hm²) ，以免地鐵站內的積水對行車安全和設備運行造成影響。對于暴雨頻發地區或地勢低洼地區，可以適當提高設計標準，以具備足夠的應對強暴雨的能力。為避免暴雨倒灌，還需要在隧道的入口部位進行截水溝的設計。其中截水溝的寬度應該在0.4米以上，防洪擋板的高度應該高于0.5米，材料的選擇應以鋁合金或不銹鋼等耐腐蝕材料為主，并配備快速啟閉裝置，能夠在緊急情況下迅速響應

(二)節能環保原則

在地鐵給排水設計中還應重視有效發揮節能環保的作用，降低資源消耗和運行成本。節水設備應使用一級水效衛生器具，以提升產品節水的能力。為減少水流阻力，削減泵送能耗，管道選材應以內襯不銹鋼復合管為主。而雨水回用系統的設計可以對資源進行進一步的優化利用，比如在地鐵站頂設計蓄水池收集雨水，經過一系列的過濾和消毒后，可作為綠化用水，提升雨水回收利用水平。同時地鐵站給排水系統配合使用智能能耗監測系統，可以對水泵用電進行實時監測，進而優化運行時段提升泵站能效

(三)經濟性原則

地鐵給排水系統的設計還應將其經濟性充分考慮在內，在給排水系統工程的建設階段，就應對關鍵設備進行成本優化，優先選用壽命長、高能效的設備，如控制系統、閥門和水泵等，避免過度設計導致的資源浪費，削減造價成本。在運營維護階段，可使用免維護設備來降低維護費用，如自清潔過濾器、無堵塞潛污泵。在材料的選擇上，應盡可能選擇不銹鋼管材，加強管材質量把控，增加管材壽命使用周期，降低管材損壞或更換成本。

（四)智能化運維

地鐵給排水系統的智能化設計可以提升運營效率和維護水平。如，在地鐵給排水系統中部署高精度傳感器可對數據進行實時采集和傳輸，并經人工智能技術分析和處理設備震動數據，提升水泵軸承故障的預測水平，實現排水系統預防性維護。BIM技術的應用，在給排水系統設計階段即可提升施工安全性，減少施工碰撞問題，在運維階段更能明顯提升檢修效率。智能預警系統的應用，可以通過機器學習算法對降雨量和客流量等數據進行綜合分析，并作出精準的預測。這樣即可在暴雨來臨前自動啟動備用排水泵組，提升給排水系統的應急響應速度和質量2。

二、地鐵給排水系統的關鍵技術改進

（一）智能監測系統

智能監測系統在地鐵給排水系統中的應用，可以通過部署傳感器進行管道中水流量、水質和壓力監測，精準獲得實施管道中的運行參數，并經物聯網技術傳輸到云平臺進行分析處理，實現24小時不間斷的監測，同時還可以采用AI算法進行深度學習與智能分析。例如對地鐵給排水系統管道堵塞風險的智能預測，就可以通過對歷史數據的監測和分析提前預測管道發生堵塞的風險，并能夠在檢測到管道異常情況時立即發出風險預警，并給出精準定位，為管道的維護工作提供極大便利，也避免了給排水系統的小問題變成大故障。智能監測系統的應用不但能夠明顯提升地鐵給排水系統的安全性和可靠性，同時還能夠顯著降低人工維護的成本，提升預防性維護能力，進而延長系統的使用時間，減少不必要的突發性搶修次數，充分保證給排水系統正常運行。

(二)地鐵車站雨棚雨水收集系統

地鐵車站的雨棚雨水收集系統是海綿城市理念的一個重要載體，以集成化的設計實現水資源高效利用。雨棚結構設計成坡度3度 ～5 度的傾斜面，同時增加輸水涂層的設計，可以使集水更加高效。雨水在經過邊緣的導流槽以及配備旋流消裝置，即可輸送至集水處理單元之中。智能棄流裝置可以通過雨量傳感技術以及科學的時間控制更好地處理初期雨水污染的問題，將降水前5毫米 ～10 毫米雜質較多的雨水自動排除，保證后續收集的雨水能夠達到相關的水質標準。收集后的雨水經過凈化處理環節，首先要通過不銹鋼篩網進行處理，再經過石英砂和活性炭的組合過濾將水與水中的有機物和懸浮物濾除，必要時可以使用紫外線輔助消毒，以滿足雨水回收利用的要求。而雨水儲水系統會根據站點的條件自動選擇儲水箱或蓄水池，儲水容量應以重現期兩年降雨量為標準，并設置智能溢流接口。雨水收集處理后，可利用變頻水泵將凈化后的雨水輸送至綠化灌溉系統等實現再次利用。

(三)海綿城市技術

海綿城市技術采用高性能的透水服裝材料以及生物滯留設施，可以顯著提升雨水的自然滲透力，減少雨水在地表的流量，增加雨水收集量。同時，模塊化蓄水系統以先進的PP材質為主要原料，并配合智能水位監測裝置，可以對雨水的儲量進行動態調節，顯著提升雨水收集存儲量。在雨水凈化環節更是實現了旋流分離，生物過濾以及紫外線消毒的三種處理工藝，其中生物過濾工藝采用人工濕地專用填料，能夠去除更多的懸浮物和化學需氧量。智控系統的應用可以實時檢測水質情況，并按照水質需求自動調整后續的處理流程，使得處理后的水資源能夠保持平穩的水質。分級供水設計的雨水回用可以根據水質的不同標準將其輸送至不同的系統，如園林綠化、道路沖洗等，可明顯提升水資源綜合利用率。并且，海綿城市技術配備的雨水回收裝置可以在汛期來臨之際將雨水固定收集，極大程度上減少站內雨水倒灌的風險。

（四)新型消毒技術改進

對地鐵給排水系統進行新型消毒技術改進，可以有效地打造高效可靠的水處理解決方案。次氯酸鈉與紫外線聯合應用的消毒技術，可以將兩種消毒方式的優勢充分發揮出來。次氯酸鈉可以為給排水系統提供持續化的消毒保護，保證管道中的水質安全性。而紫外線照射則能夠實現微生物DNA結構的瞬間破壞，達到快速滅菌的目的。這種組合式的消毒技術，可以使給排水系統的細菌滅活率達到 99.9% 以上，遠遠超過傳統單一方式的消毒效果。在具體的消毒實踐中，系統可以先采用紫外線裝置，初步處理給排水系統的回收水，并在智能控制系統的監測下獲得水質的詳細參數，再根據測算結果投入次氯酸鈉溶液。新型消毒技術與人工智能技術的結合，可以根據水質監測參數自動調節次氯酸鈉投加量，確保消毒效果的穩定性，同時還可以有效避免過量使用消毒劑造成的二次污染。與傳統的氯消毒技術相比，這種新型消毒技術可以極大減少消毒副產物，使管網系統中的水質更加安全，同時運營成本也能得到一定的下降。

三、地鐵給排水系統優化與改進的實施策略

（一）加強規劃階段的科學設計

在地鐵給排水系統的規劃設計環節，務必要構建起數字化、科學化的設計體系，使給排水系統能夠更好地應對各種極端的天氣。設計團隊應根據城市的水文特點和數據信息進行針對性的設計，首先需要收集當地十年以上降水情況詳細資料，如年降水量、歷史積水情況、短時強降雨記錄等。并通過GIS地理信息系統建立暴雨強度公示模型，進而計算出地鐵不同站點的匯水面積與峰值流量。在具體的設計工作中，應重視應用分級排水理念，比如年降水量約為1200毫米的區域，可以采用重現期為50年的暴雨強度為基準進行給排水系統管網設計。給排水系統所需管道的主干排水管應不低于DN300，且所有管道的直徑都應留有 20% 的安全余量。同時，還應結合使用現代信息技術，進行極端天氣下排水能力的模擬測試，確保給排水系統的設計能夠滿足實際需求。另外，在地鐵給排水系統的設計中，還應充分結合地質勘查數據，設計工作開展之前應對地鐵站點周邊的土壤滲透系數、地下水位情況、底層結構等地質數據進行重點分析。尤其是下沉式車站的設計，應采用降水井和混凝土底板結合的綜合方式完善抗浮設計，保證抗浮安全系數不低于1.05。考慮到城市未來的發展問題，地鐵給排水系統設計還應保留20%～30% 左右的容量冗余，以能夠滿足周邊地塊開發引起的匯水面積增加和排水壓力增大等問題。

(二)加強施工階段的質量控制

地鐵給排水系統施工環節的質量把控水平直接影響系統的安全可靠性，所以在施工環節應建立起多維度全過程的質量控制體系。用于管網鋪設的管道在土層回填之間必須進行嚴格的氣密性試驗，確保管道的質量過關。可以使用 0.15MPa 的壓力開展壓縮測試，測試時間應不低于30分鐘。測試中壓力下降不足 5% 的管道可視為合格。使用電子壓力記錄儀代替傳統壓力表，利用現代信息技術手段實現數據傳輸與管理，實施監控管道異常情況并自動報警。在管道焊接施工中，對于直徑超過300毫米的管道焊縫應全部進行X光探傷檢測，嚴格控制焊接缺陷率。在混凝土結構的施工過程中，應嚴格執行標準化的施工管理。基層施工應足夠平整，最大化降低平整度偏差。防水層需使用2毫米厚的高分子自粘卷材鋪設，接縫寬度應不低于100毫米。保護層應該能滿足P8級抗滲水標準。施工過程中涉及的材料合格證、檢測報告等所有驗收材料都應建立完整的檔案系統，并采用區塊鏈技術保證數據完善不可篡改，確保施工質量責任的可追溯性。

（三）加強運維環節持續化改進

在地鐵給排水系統的運維管理方面，應積極采取環環相扣的智能管理方案，使地鐵給排水系統能夠始終保持良好的可靠性和穩定性，服務于城市地鐵交通正常運營。在運維工作中應做好全年的維護規劃，尤其是在夏季多雨季節來臨之前應做好各項檢查工作，包括更換潤滑油，測試電機性能等，保證地鐵給排水系統可以經得住暴雨的考驗。同時，應充分利用現代智能化手段提升運維工作效率，如使用手機軟件接收運維任務，在維修、保養過程中通過拍攝照片、上傳系統的方式記錄，確保運維工作的可追溯性。在系統中安裝智能檢測設備，對水泵的噪聲、震動等關鍵指標進行24小時實時監控，監測異常情況立即報警，以能夠及時發現問題開展維修維護工作。為了能夠更好地處理地鐵給排水系統的故障問題，可以建立起“故障知識庫”，整合多種常見的給排水系統故障問題，以及標準化解決方案，相關工作人員可以通過虛擬現實技術開展維修和維護模擬工作，提升個人運維工作能力。廣州地鐵的實際應用中顯示，這種智能運維系統故障預警準確率高達 92% ，每年大概能節約維修成本 30% 左右。為實現地鐵給排水系統的致富化持續改進，還應保證每個季度針對給排水系統的安全、節能和成本等方面進行一次系統性的評估，并根據評估結果調整維護周期。

結語

地鐵給排水系統與城市交通安全運營以及城市的發展具有密不可分的聯系，其優化設計需要綜合多學科知識，將地質條件、水文氣象、城市規劃等多種因素充分考慮在內，充分利用現代GIS空間分析、互聯網信息技術和人工智能技術等提升系統可靠性、安全性，提升運維效率和質量。在未來的發展中，還應持續加強智慧檢測系統建設，深化BIM技術的全過程應用，探索綠色低碳技術應用，使地鐵給排水系統能夠緊跟時代步伐，向更加可靠、安全和智能的方向發展。

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