一種解決城市低洼道路積水問(wèn)題的真空應急排水系統

      目前全國各大城市均不同程度地被雨季內澇問(wèn)題所困擾,普遍面臨的問(wèn)題是半小時(shí)以上的大雨就會(huì )在市區形成街洪,地處低洼處積水嚴重,特別是鐵路橋、立交道下積水量很大,造成行人和車(chē)輛無(wú)法通行,同時(shí)產(chǎn)生一定的安全隱患。為此,大多數城市在每個(gè)路橋低洼處一般都配套有專(zhuān)門(mén)的排水泵站負責排放積水,但因為有時(shí)水量太大、雜物堵塞管道或排水泵故障維修等多種原因,積水消退需要一定的時(shí)間,在積水嚴重的地段,積水消退的時(shí)間少則需要2~3 h、多則需要1~2 d。針對上述情況,筆者提出采用真空排水系統解決城市低洼處積水問(wèn)題,該系統具有效果良好、作用迅速,基本無(wú)需改變現有市政雨水管道,僅需較小的開(kāi)挖預埋直徑相對較小的真空管路,對城市的運行影響很小,具有實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

1真空排水系統與傳統排水系統的比較

1.1原理傳統應急排水系統的原理:

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時(shí),泵站房中的污水泵將其排入市政排水管渠中。真空應急排水系統的原理:利用真空機組的自吸、正排工作原理,即在真空機組入口處形成負壓,出口處形成正壓,直接抽吸積水下方的雨水井乃至雨水管內的積水,并加壓排至后續管渠或水體中。真空系統具有較強的自吸能力,可以同時(shí)吸水和吸氣,低洼處只要有積水傾向即可開(kāi)啟真空機組,排放積水。同時(shí),產(chǎn)生的負壓也能加快與集水井相連的管線(xiàn)中的雨(污)水流速,加快雨(污)水收集。需注意的是,雨季時(shí)進(jìn)入管道的雜物通常較多,拆除雨水箅子以加速雨水排除的現象時(shí)有發(fā)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

對真空排水系統和重力系統作為應急排水時(shí)的排水能力進(jìn)行粗略估算。以室外常見(jiàn)的直徑為300mm的塑料管為例,取坡度i=0.3%,管長(cháng)L=100m,管道的排水能力可按下式近似計算:Q=vA(1)其中,Q為雨水流量,m3;v為雨水流速,m/s;A為管道過(guò)流面積,m2。v=R2/3I1/2n(2)其中,n為管壁粗糙系數,塑料管取0.009;R為水力半徑,m;I為水力坡度。I=i+Δi(3)其中,Δi為負壓造成的等效水力坡度,Δi=ΔP/ρgL,ΔP為管道兩端的負壓差,對于重力管取零。由此得到不同充滿(mǎn)度及負壓差時(shí)管道的排水能力,如圖1所示?？芍?span>,不論在降雨初期非滿(mǎn)管流還是中期滿(mǎn)管流條件下,管道兩端的負壓差均可顯著(zhù)提升管道的排水能力。例如在負壓差為10 kPa時(shí),管道的排水能力約為重力管道的2倍,可滿(mǎn)足應急排水需要。而該負壓差對于典型的在線(xiàn)式凸輪泵等真空設備(吸程可達5~7 m)也是易于達到的。

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(mǎn)度及負壓差時(shí)管道內的流速,如圖2所示?？芍?span>,盡管負壓差對雨水流動(dòng)加速明顯,但仍基本滿(mǎn)足規范中對于非金屬管最大設計流速為5.0 m/s的規定[1],不會(huì )對管壁造成過(guò)度沖刷。

圖2負壓差對管道流速的影響

1.3綜合比較

1原理

傳統排水方式:機組工作前需在泵腔內注滿(mǎn)液體,自吸能力一般。真空排水方式:自吸、無(wú)閥、正排泵,流量與轉速成正比,可同時(shí)吸污和吸氣,具有一定的干轉能力。

2排污效率。

傳統排水方式:機組只能排放集水池中的積水,而集水池中的積水是雨水井中的積水通過(guò)重力管路排入的,實(shí)際運行中,重力管路長(cháng)期運行存在沉淀一些淤泥及污物的可能,從而影響積水的排放效率。真空排水方式:機組直接抽吸雨水井中的積水,排積水的效率高;利用真空系統的自吸能力,抽吸積水的同時(shí)將沉積在雨水井內的淤泥及各種污物及時(shí)排走,較高的流速不會(huì )產(chǎn)生淤積。

3堵塞情況。

傳統排水方式:污水泵大多數選用的是清水泵,只用來(lái)排放清水,當積水中含有雜質(zhì)時(shí)易堵塞。真空排水方式:對排污介質(zhì)要求不高,可以通過(guò)的顆粒最大直徑可達70 mm;如有需要,在機組的入口處可以加切割機,確保機組無(wú)堵塞及損壞現象。

4施工建設。

傳統排水方式:機組放置到地面以下,占地面積較大;需要較大的施工量來(lái)建設機組泵房及各管路。真空排水方式:機組可安置在地上,占地小;真空管路管徑小,開(kāi)挖量小;施工過(guò)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(wèn)題時(shí),需拆卸機組和通道,費時(shí)較多,維修成本較高。真空排水方式:可實(shí)現在線(xiàn)維護(采用可快速開(kāi)啟的泵蓋,實(shí)現了機組的配件在線(xiàn)更換和維修,不需要拆卸機組或通道),維修較簡(jiǎn)單,費時(shí)較少。

2真空應急排水系統的試驗驗證

在實(shí)驗室搭建了一套小型模擬系統,模擬降雨過(guò)程中雨水從路面匯集到雨水口、經(jīng)過(guò)雨水管道進(jìn)入泵站并被排走的過(guò)程,用以驗證真空應急排水系統的可行性,并比較傳統應急排水系統和真空應急排水系統的排水能力及應急反應速度。真空排水系統中通常采用真空泵(配真空罐)系統或在線(xiàn)式凸輪泵機組系統[2],由于一般雨水收集流量較大,在線(xiàn)式凸輪泵機組采用即抽即排方式,無(wú)需較大的真空罐[3],故本系統采用在線(xiàn)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。污水泵: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(guò)程中可認為液位無(wú)明顯變化。泵站集水箱:容積為2 m3,模擬泵站內集水池,內設液位計,控制污水泵及凸輪泵的啟閉。雨水口箱:容積為0.2 m3,安裝雨水箅子,收集雨水,用以模擬路面及雨水井。雨水箅子:灰口鑄鐵材質(zhì),尺寸為750 mm×450 mm,泄水能力為20 L/s。配套管路:吸水管采用160 mm的HDPE管,壓力等級為1.0 MPa,長(cháng)度為56 m,以0.01的坡度坡向泵站集水箱,模擬雨水在管道內的流動(dòng)過(guò)程;排水管采用100 mm的HDPE管,壓力等級為1.0 MPa。另外還有配套閥門(mén)、儀表等。

圖3雨水排水試驗系統示意

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

保持恒定的降水流量(小于兩種泵站的排水能力),比較不同排水管徑下兩種泵站的排水情況及路面積水情況。其中,降水流量均通過(guò)開(kāi)啟模擬雨水箱底部閥門(mén)實(shí)現,閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間為3 min,經(jīng)測算得到等效的降水流量為18.4 L/s。

1傳統排水系統

模擬雨水經(jīng)過(guò)路面徑流進(jìn)入雨水管道,在重力作用下匯流至集水箱,經(jīng)污水泵排放,記錄在此過(guò)程中雨水口箱內的最大積水高度,經(jīng)測算得到相應的最大積水量和系統的排水能力,見(jiàn)表1。

表1中等流量下傳統系統的排水能力

2真空排水系統

真空排水泵站的集水箱為密閉式,在降雨初期雨水量不足時(shí),凸輪泵抽吸集水箱內的空氣,使集水箱形成負壓狀態(tài),雨水管內的雨水在壓差和高差雙重作用下迅速進(jìn)入集水箱,經(jīng)凸輪泵加壓排放。在本試驗中,對于上述不同的排水管徑,雨水口箱內均無(wú)積水。

綜上,在相同的降水流量下,傳統系統的排水能力受管徑等管道阻力因素影響較大。當管徑過(guò)小時(shí),即使泵站排水能力有所剩余,系統的排水能力仍可能不能滿(mǎn)足路面排水要求,這就意味著(zhù),在雨水系統改、擴建工程中,如果排水的瓶頸發(fā)生在收集管網(wǎng)上,則單純對雨水泵站的改造并不能提升整個(gè)系統的排水能力。相比之下,真空系統的收集能力對管徑的敏感性較低,僅需較小的管徑即能夠迅速排水。

2.2.2極端降水流量下的排水試驗

保持恒定的降水流量(大于兩種泵站的排水能力),比較不同排水管徑下兩種泵站的排水情況及路面積水情況。其中,降水流量均通過(guò)開(kāi)啟模擬雨水箱底部閥門(mén)實(shí)現,經(jīng)測算得到等效的降水流量為35.6 L/s,積水量為0.9 m3。定義“積水時(shí)間”為從開(kāi)始積水到積水高度為20 cm所需要的時(shí)間,以表征排水系統在超過(guò)設計排水流量情況下的臨時(shí)收納能力;排放時(shí)間為排除20 cm高度積水所需要的時(shí)間,以表征排水系統在降雨停止后的自我恢復能力。兩種系統的積水時(shí)間和排放時(shí)間見(jiàn)表2。

表2極端流量下兩種系統的積水時(shí)間和排放時(shí)間

由表2可知,在相同的降水強度和排水管徑下,傳統排水系統的積水時(shí)間較短,而真空排水系統在降雨初期就能夠降低路面積水程度。同時(shí),如前所述,真空系統的排水能力對管徑參數的敏感性較低,而取決于凸輪泵的排量。

2.2.3集水箱對真空系統排水能力的影響試驗

試驗中模擬真空系統在有集水箱和無(wú)集水箱(旁路管道替代集水箱)兩種工作狀態(tài)下的排水能力。其中,降水流量通過(guò)改變模擬雨水箱底閥門(mén)的開(kāi)度調節,記錄相應的積水時(shí)間和排放時(shí)間,結果見(jiàn)表3。

表3不同流量下真空系統的積水時(shí)間和排放時(shí)間

由表3可知,有集水箱的真空系統在暴雨初期具有一定的臨時(shí)調蓄能力,但對于應急使用情況下,排放能力無(wú)顯著(zhù)差異,可不必設立較大的集水箱,將集水井或雨水管道直接與凸輪泵連接,在管道內形成真空,對路面積水進(jìn)行排放。

3結論

真空應急排水系統有益于提升市政服務(wù)水平,可用于城市低洼地區路面、隧道、需重點(diǎn)保護區域等的雨洪排水,具有潛在的應用價(jià)值和如下優(yōu)點(diǎn):

1真空系統管徑小(至少比重力管小1~2個(gè)規格),排水能力大,鋪設靈活,可適應復雜的地下情況;

2系統在降雨初期即可工作,有效減緩路面積水程度;

3在路面已經(jīng)積水的情況下,排水迅速,在發(fā)生大雨、暴雨時(shí)排澇效果尤為明顯;

4真空泵站選址靈活、占地小、地下或地上均可。目前,真空應急排水系統已在某市市政工程中實(shí)施,試運行良好,成功解決了所在路段的暴雨積水問(wèn)題。一種解決城市低洼道路積水問(wèn)題

鄭重申明:本文是轉載內容,原作者信息如下:

唐晶，女，山東梁山人，高級工程師，主要從事以真空排水為核心技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)。