一種解決城市低窪道路積水問題的真（zhēn）空應急排水係統

一（yī）種解決城（chéng）市低（dī）窪道路積（jī）水問題的真空應急排水係統

目前全國各大城市均不同程度地被（bèi）雨（yǔ）季內澇問題所困擾,普（pǔ）遍麵臨的問題是（shì）半（bàn）小時以（yǐ）上的大雨就會在（zài）市區形成街洪,地處低窪處積（jī）水嚴重,特別是鐵路橋、立交道下積（jī）水（shuǐ）量很大,造成行人和（hé）車輛無法通行,同時產生一定的安（ān）全隱患（huàn）。為此,大多數城（chéng）市在每個路橋低窪（wā）處一般都配套（tào）有專門的排水（shuǐ）泵站負責排放積水,但因為有（yǒu）時水量太大、雜物堵塞（sāi）管道或排水泵故障維修等多種原因（yīn）,積水消退需要一定的時間,在積水嚴重的地段,積水消退的時間少則需要2~3 h、多則需要1~2 d。針對上述情況,筆者提（tí）出采用真空排水係統解決城市低窪處積水問題,該係統具有效果良好（hǎo）、作用（yòng）迅速,基本無需改變現有市政雨水管（guǎn）道,僅需較小（xiǎo）的開挖預（yù）埋直徑相對較小的真空管路,對城市的（de）運行（háng）影響很小,具有實用價值和推（tuī）廣價值。

1真空排水係統與傳統排（pái）水係統的比（bǐ）較

1.1原理傳統應急排水（shuǐ）係統的原理:

橋下積水通過（guò）雨水管流入集水池中,當集水池中積水達到一定液位（wèi）時,泵站房中的汙水泵將其排入市（shì）政排水管渠中。真空應急排水係統的（de）原理:利用真（zhēn）空機組的（de）自吸、正排工作原理（lǐ）,即在真空機組入口處形（xíng）成負壓,出口處（chù）形成正壓,直接抽吸（xī）積水（shuǐ）下方的雨水井乃至雨水管內的積水,並加壓排至後續管渠或水體（tǐ）中（zhōng）。真空係統具有較強的自吸能力,可（kě）以同時吸水和吸氣,低窪（wā）處隻要有積水（shuǐ）傾向即可開啟真空機組,排放積水。同時,產生的負壓也能加快與集水井相（xiàng）連的管線中的雨(汙)水流速,加快雨(汙)水收集。需注意的是,雨季時進入管道的雜物通常較多,拆除雨（yǔ）水箅子以加（jiā）速雨（yǔ）水排除的現象時有發生,因此管道或真空泵機組入口處宜增設格柵。

1.2排水能力

對真空排水（shuǐ）係統和重力係統作為應急排水時的排水能力進行粗略估（gū）算。以（yǐ）室外常見的直徑為300mm的（de）塑料管為（wéi）例,取坡度i=0.3%,管長L=100m,管道的（de）排水能力可按下式近（jìn）似計算:Q=vA(1)其中（zhōng）,Q為雨（yǔ）水流（liú）量,m3;v為雨水流速,m/s;A為管道過流麵積,m2。v=R2/3I1/2n(2)其中,n為管壁粗糙係數（shù）,塑料管取0.009;R為水（shuǐ）力半（bàn）徑,m;I為水力坡度。I=i+Δi(3)其中,Δi為負壓造成的等效水（shuǐ）力坡（pō）度,Δi=ΔP/ρgL,ΔP為（wéi）管道兩端的負壓差,對於重（chóng）力管取零。由此得到不同充滿度及負（fù）壓差時管（guǎn）道的排水能力（lì）,如圖1所示。可知,不（bú）論在降雨初期非滿管流還是中期滿管流條件下（xià）,管道兩端（duān）的負壓差均可顯著提升管道的排水能力。例如在負壓差為10 kPa時,管道的排水能力約為（wéi）重力管道（dào）的2倍,可滿足應急排水需要。而該負壓差對於典型的在線式凸輪（lún）泵等真空設備(吸程可達5~7 m)也是易於達到的。

圖1：負壓差對管道排水能力的影響

相應地,可得到不同充滿度（dù）及負壓差時管道內的流（liú）速,如圖2所示。可知,盡管負壓差（chà）對（duì）雨水流動加速明顯,但仍基（jī）本滿足規範中對於非（fēi）金屬管最大設計流速為5.0 m/s的規定[1],不會對管壁造成過度衝刷。

圖（tú）2負（fù）壓差對管道流速的影響

1.3綜合比（bǐ）較（jiào）

1原理

傳統排水方式:機（jī）組工作（zuò）前需（xū）在泵腔內注滿液體,自吸（xī）能力一般。真空排水方式:自吸、無閥、正（zhèng）排泵,流量與轉速成正比（bǐ）,可同時吸汙和吸氣,具有一定的（de）幹轉能力。

2排汙（wū）效率。

傳統排水方式:機組隻能排放集水池中的積水,而（ér）集水池中的積水是雨水井中的積水通過重力管路排入（rù）的,實際運行中,重力管路長期運行存在沉澱一些淤泥及汙（wū）物的（de）可能,從而影響積水的排放效率。真空（kōng）排水方式:機組直（zhí）接抽吸雨水井中的積水,排（pái）積水的效率高（gāo）;利用真空係統的自吸能力,抽吸積水的同時（shí）將沉積在雨水井內的（de）淤（yū）泥及各種汙物及時排走,較高的流速（sù）不會產（chǎn）生淤積。

3堵塞情況。

傳（chuán）統排水方式:汙水泵大多數選用的是清水泵,隻用來排放清水,當積水中含（hán）有雜質時易（yì）堵塞。真（zhēn）空排水方式:對排汙介質要求不高,可以通（tōng）過的顆粒最大直徑可達70 mm;如有需要,在機組的入（rù）口（kǒu）處可以加切割機,確保機組無堵塞及損壞現象。

4施（shī）工建設。

傳統排（pái）水方式:機組放置到地麵（miàn）以下,占（zhàn）地麵積較大;需要較大的施工量來建設機組泵房及各管路。真空排水方式（shì）:機組可安置在地（dì）上,占地小;真空管（guǎn）路管（guǎn）徑小,開挖量小;施工過程中可不影響交通。

5運行維修。

傳統排水方式:機組的配件出現問題（tí）時,需拆卸機組和通道,費時較多,維修成本較高。真空排水方式:可實現在線維護(采用可快速開啟（qǐ）的泵蓋,實現了機組的配件在線更換和維修,不需要（yào）拆卸機組或通道),維修較簡單,費時較少。

2真空應急排水係統的試驗驗證

在實驗室搭建了一套小型模擬係統,模擬降雨過（guò）程中雨水從路麵匯（huì）集到雨水口、經過雨水管道進入（rù）泵站（zhàn）並被排走的過程,用以驗證真空應急排水係統的可行性（xìng）,並比較傳統應急排水係統和（hé）真空應（yīng）急排水係統的排水能力及應（yīng）急反應速度。真（zhēn）空排水係統中通常（cháng）采用真空泵(配真空罐)係統（tǒng）或在線式凸輪泵機組係統[2],由於一般雨水（shuǐ）收集流量較大,在線式（shì）凸輪泵機組采用即抽即排方式,無需較大的（de）真空罐[3],故本係統采（cǎi）用在線式凸輪泵機組。

2.1試驗裝置試驗裝置

如圖3所示,占地約為70 m2。凸（tū）輪泵:流量Q=60 m3/h,揚程H=30 m(300 kPa),功率P=11 kW,模擬真空排水泵站。汙水泵:流量Q=60 m3/h,揚程H=13 m(130 kPa),功率P=4kW,模擬傳統排水泵站。模擬雨水箱:容積為9 m3,為試驗提供雨水,容積較大,在試驗過程（chéng）中可（kě）認為液位無明顯變化（huà）。泵站集水箱:容（róng）積為（wéi）2 m3,模（mó）擬泵站（zhàn）內集水（shuǐ）池,內設液位計,控製汙水泵及凸輪（lún）泵的啟（qǐ）閉（bì）。雨（yǔ）水口箱:容（róng）積為0.2 m3,安裝雨水（shuǐ）箅子,收集雨水,用（yòng）以模（mó）擬路麵及雨水井。雨水箅子:灰口鑄鐵材質,尺寸為750 mm×450 mm,泄水能力為20 L/s。配套（tào）管路:吸水（shuǐ）管采用160 mm的HDPE管,壓力等級為1.0 MPa,長度（dù）為56 m,以0.01的坡度坡向泵站集水箱,模擬雨（yǔ）水在管道內的流動過程;排水管采用100 mm的（de）HDPE管（guǎn）,壓力（lì）等級為1.0 MPa。另外還有配套閥門、儀（yí）表等。

圖3雨水排水試驗係統示（shì）意

2.2試驗方法與結果分析

2.2.1中等降水流量下的排水試驗

保持恒定的降水（shuǐ）流量(小於兩種泵站的（de）排水（shuǐ）能力（lì）),比（bǐ）較不同排水管徑（jìng）下兩種泵站的排水情況及路麵積水情況。其中,降水流量均通過開啟模擬雨水箱底部閥門實現,閥門開啟時間為3 min,經測算得到（dào）等效（xiào）的降水流量為18.4 L/s。

1傳統排水係統

模擬雨水經（jīng）過（guò）路麵徑流進入雨水（shuǐ）管道,在重力作用下匯流至集水箱,經汙水泵排放,記錄在此過（guò）程中雨水口箱內的最大積水高度,經測算（suàn）得到相應（yīng）的最大積水量和係統的排水能力,見表1。

表1中等流量下（xià）傳統係（xì）統的排水能力

2真空排水係統

真空排水泵站的集水箱為密閉式,在降雨初期雨（yǔ）水量不足時,凸輪泵抽吸集水箱內的空氣,使集水箱（xiāng）形（xíng）成負壓狀態,雨水管（guǎn）內的雨水（shuǐ）在壓差和高差雙重作用下（xià）迅速進入集水箱,經（jīng）凸輪泵加壓排放。在（zài）本試驗中,對於上述（shù）不同的排水管徑,雨（yǔ）水口箱內均無積水。

綜上,在相同的降水流量下（xià）,傳統係統的（de）排水能力受管徑等管道阻力因素影響較（jiào）大。當管徑過（guò）小時,即使泵站排水能力有（yǒu）所剩餘,係統的排水能力（lì）仍可能不能滿足路麵排水要求,這就意味著,在雨水（shuǐ）係統改、擴建工程中,如果排水的瓶頸發生在收集管網上,則單純對雨水泵站的改造並不能（néng）提升整個係統的排水能力（lì）。相比之下,真空係統的收集能力對（duì）管徑的敏感性較低,僅（jǐn）需較小的管徑（jìng）即能夠迅速排水。

2.2.2極端降水流量下的排水試驗

保持恒定的降水流量（liàng）(大於兩（liǎng）種泵站（zhàn）的排水能力),比較（jiào）不同排水管（guǎn）徑下兩種泵（bèng）站的排水情（qíng）況及路麵積水情況。其中,降水流（liú）量均通過開啟模擬雨水箱底（dǐ）部閥門（mén）實現（xiàn）,經測算得到（dào）等效（xiào）的降水流量為35.6 L/s,積水量為0.9 m3。定義“積水（shuǐ）時間”為從開始積水到積水高度為20 cm所需要的（de）時間,以表征排水係統在超過設計排水流（liú）量情況（kuàng）下的臨時收納（nà）能力;排放時間為排除20 cm高度積水所需要（yào）的時間,以表征排水係統在降雨停止後的自我恢複能力。兩種係（xì）統（tǒng）的積水時間和排放時間見表2。

表2極（jí）端流量下兩種係統的積水時間（jiān）和排放時間

由表2可知,在相同的降水強度和排水（shuǐ）管徑下（xià）,傳統排水（shuǐ）係統（tǒng）的積水時間較（jiào）短,而真空排水係統在降雨初期就能夠降低（dī）路麵積水（shuǐ）程度。同時,如前所述（shù）,真空（kōng）係統（tǒng）的排水能力對管徑參數的敏感性較低,而取（qǔ）決於凸輪泵（bèng）的（de）排量。

2.2.3集水箱對真空係統排水（shuǐ）能力（lì）的影響試驗

試驗中模擬真空係統在有集水箱和無集水箱（xiāng）(旁路管道替代集水箱)兩（liǎng）種工作狀態下的排水能（néng）力。其中,降水流量通過改變模擬雨水箱底閥門的開度調節,記錄相應的積（jī）水時間和排放時間,結果見表3。

表3不同流量下真空係統的積水時間和排放時間