一種解決城市低洼道路積水問題的真空應急排水系統

一種解決城市低洼道路積水問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題所困擾,普遍面臨的問題是半小時以上的大雨就會在市區形成街洪,地處低洼處積水嚴重,特別是鐵路橋、立交道下積水量很大,造成行人和車輛無法通行,同時產生一定的安全隱患。為此,大多數城市在每個路橋低洼處一般都配套有專門的排水泵站負責排放積水,但因為有時水量太大、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,筆者提出采用真空排水系統解決城市低洼處積水問題,該系統具有效果良好、作用迅速,基本無需改變現有市政雨水管道,僅需較小的開挖預埋直徑相對較小的真空管路,對城市的運行影響很小,具有實用價值和推廣價值。

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:

橋下積水通過雨水管流入集水池中,當集水池中積水達到一定液位時,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,可以同時吸水和吸氣,低洼處只要有積水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連的管線中的雨(污)水流速,加快雨(污)水收集。需注意的是,雨季時進入管道的雜物通常較多,拆除雨水箅子以加速雨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

對真空排水系統和重力系統作為應急排水時的排水能力進行粗略估算。以室外常見的直徑為300mm的塑料管為例,取坡度i=0.3%,管長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。由此得到不同充滿度及負壓差時管道的排水能力,如圖1所示。可知,不論在降雨初期非滿管流還是中期滿管流條件下,管道兩端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重力管道的2倍,可滿足應急排水需要。而該負壓差對于典型的在線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,可得到不同充滿度及負壓差時管道內的流速,如圖2所示。可知,盡管負壓差對雨水流動加速明顯,但仍基本滿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],不會對管壁造成過度沖刷。

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液體,自吸能力一般。真空排水方式:自吸、無閥、正排泵,流量與轉速成正比,可同時吸污和吸氣,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重力管路排入的,實際運行中,重力管路長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,抽吸積水的同時將沉積在雨水井內的淤泥及各種污物及時排走,較高的流速不會產生淤積。

3堵塞情況。

傳統排水方式:污水泵大多數選用的是清水泵,只用來排放清水,當積水中含有雜質時易堵塞。真空排水方式:對排污介質要求不高,可以通過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(采用可快速開啟的泵蓋,實現了機組的配件在線更換和維修,不需要拆卸機組或通道),維修較簡單,費時較少。

2真空應急排水系統的試驗驗證

在實驗室搭建了一套小型模擬系統,模擬降雨過程中雨水從路面匯集到雨水口、經過雨水管道進入泵站并被排走的過程,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)系統或在線式凸輪泵機組系統[2],由于一般雨水收集流量較大,在線式凸輪泵機組采用即抽即排方式,無需較大的真空罐[3],故本系統采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,在試驗過程中可認為液位無明顯變化。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,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過程;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、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,經測算得到等效的降水流量為18.4 L/s。

1傳統排水系統

模擬雨水經過路面徑流進入雨水管道,在重力作用下匯流至集水箱,經污水泵排放,記錄在此過程中雨水口箱內的最大積水高度,經測算得到相應的最大積水量和系統的排水能力,見表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,凸輪泵抽吸集水箱內的空氣,使集水箱形成負壓狀態,雨水管內的雨水在壓差和高差雙重作用下迅速進入集水箱,經凸輪泵加壓排放。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。當管徑過小時,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足路面排水要求,這就意味著,在雨水系統改、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并不能提升整個系統的排水能力。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,降水流量均通過開啟模擬雨水箱底部閥門實現,經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“積水時間”為從開始積水到積水高度為20 cm所需要的時間,以表征排水系統在超過設計排水流量情況下的臨時收納能力;排放時間為排除20 cm高度積水所需要的時間,以表征排水系統在降雨停止后的自我恢復能力。兩種系統的積水時間和排放時間見表2。