水塔优化设计与改造再生研究

吴旭阳

（安徽皖南新维电机有限公司，安徽 宣城 242500）

现代给水系统中水塔主要用来调节二级泵站每小时供水量与居民用水量的差额，同时起到储存水和调节水压的作用。这种水塔供水模式会出现水体二次污染，且存在调节容积有限、检修不便、初建成本较高和对市政管网冲击较大等问题，所以目前供水模式普遍采用无塔供水—通过检测市政管网压力，采用变频方式调整水泵转速，控制水量，从而达到加压供水的目的。但对于水源地供水不稳定、城市基建落后、基本以居民用水为主、水压不足的地区（管网末梢），海啸和地震多发地区及人工岛屿等地区，变频供水的普及和应用具有一定难度和局限，所以在给水系统中建设水塔也是可尝试的优化供水模式。

1 水塔供水模式优势

1.1 提高水资源利用率

水资源供应通常被认为是生态系统中的供给服务[1-3]。从经济学角度看，水资源可以转变为自然资本投入到社会经济活动中，对于巩固和支持人类生存和活动必不可少。水塔建设是应对气候干旱和降水变率增加的有效措施，通过水塔的调蓄功能可有效提高水资源的利用率[4]。

1.2 减少水泵能量浪费

城市居民生活用水昼夜变幅较大，用水高峰期集中在固定时段。如果采用变频泵供水，用水量波动起伏，变频泵很难在高效段运行，效率低且能耗大[5]。

水塔供水是传统而有效的调节模式，当管网中建有水塔时，二级泵站每小时供水量可以与用水量不相等，但每天总供水量必须等于用水量。此时水泵工作分为二至三级，只要选泵合理，可使水泵一直处于节能状态下工作，因此设置水塔不会引起水泵能量的浪费。

1.3 对电力系统依赖较低

城市加压泵站通常24 小时运行，加压泵站和二次恒压供水设备对电力系统要求较高，当城市供电不稳定、断电频繁时将会影响泵站和供水设备的工作。建设水塔后，水塔通过重力式自流供水，对电力系统依赖较低，即使断电也能保证一段时间内供水。如非洲地区由于经济条件和基础设施落后，供水新工艺和新技术的普及具有一定的局限性，水塔供水模式相对来说较为简单易行。

1.4 降低水厂供水设备的闲置

一般情况下水厂夏季供水压力更加突出，建设大型水塔有利于调节用水谷峰，降低建设运行费用。日常工况条件下，用户通过水塔供水来用水，水厂按照统一调度原则平稳制水，运行调度简单；高峰供水工况下，水厂出水可跨越水塔，与水塔联合向管网供水，供水能力相当于水厂和水塔的总和。

当夜间用水量低时，可将水厂多余制水运输至水塔，在白天用水高峰期由水厂和高位水池共同对管网输水，以此来降低管网运行压力，并达到降低能耗的目的[6]，这种模式可大幅降低水厂供水设备的闲置。

1.5 特殊地形和地区供水

1.5.1 山地城市供水

山地城市具有地形起伏较大，给水管网延伸较远、用水时变化系数较大等特点，因此给水管网中一般设置水塔。水塔可调节日用水量的变化，保证泵站向管网均匀供水，减少用户的水压波动，减小输水管和干管的直径。和无调节构筑物的给水管网系统相比，利用电费的峰谷值可减小水厂二级泵站需要的电费，由此降低山地城市给水管网的建造及运行费用[7]。

1.5.2 海啸和地震多发地区供水

地震会使供电系统和二次加压设备失去工作能力，台风过后水源浊度增加。例如我国台湾地处欧亚大陆板块和菲律宾板块，又直接面对太平洋，属于地震和台风多发地区，采用水塔供水模式更为适合。

1.5.3 人工岛屿供水

利用增压泵站增压后将自来水送到水塔水柜内，再利用重力将水柜内的水送出。水塔二次加压占地面积小，更具经济效益。水塔供水模式可靠、便利且维护成本低，在加压水泵不能工作时仍可维持供水运作。日本由于国土面积小兴建的人工岛屿就更适合水塔供水模式。

2 水塔优化设计

2.1 水柜分层方案设计

2.1.1 建设双层水柜水塔

下层水柜接受给水管网中的自来水，再通过水泵提升至上层水柜，供给用户。这样既利用了给水管网中的水压，又具有较大的经济效益。经过实际调研，给水管网常年水压在14 m 以上的居住小区（居住人口在300～1 200 人），建设双层水塔有较高的实用价值。

2.1.2 水柜合理分格方案

很多大型工厂为了减免事故和火灾的发生设置事故水塔,可起到关键作用。通过在水柜内部进行合理的分格，储备正常用水和消防用水，也可选择在同一支筒上下不同高度建立多水柜，以满足不同使用功能需求。

2.2 增强水塔抗震性能

为了增强地震作用下水塔的稳定性，通常在塔体下游回填一定量的混凝土把塔体和岩体连接成一个整体[8]。对水塔进行回填有利于结构的抗震和稳定[9]。考虑到不同的黏弹性边界竖向地震作用对水塔影响很大，回填高度不能过高也不能过低，其合理高度一般在0.82 ～0.95 范围内[10]。

2.3 水塔渗透问题处理新工艺

采用有机硅新型防水剂与注浆相结合的方法，对已完工水塔出现的渗透问题进行处理。 （1）注入水泥浆。将素水泥浆注入砼渗透水的各个部位，在一定的压力作用下，将浆压入流水的“孔道”中。（2）利用有机硅防水剂和新的施工工艺，重新完成防水层或局部防水层的施工。这种工艺所用的材料在市面上易于购得、成本低、操作方法简单、耗工少、工期短、渗透处理完5 天后可试水使用[11]。

2.4 增加供水量

不同水塔的进水管数目不同，如果为了增加供水量新增出水管，不仅施工困难，且容易导致水柜与出水管的连接部位渗漏。但是将水塔内部的溢水管改成进出水管和外部管网相连接，并且在水柜的池壁上新增溢水管，这种施工比较方便，即使出现渗漏也容易处理，不影响正常供水（见图1）。同时在水塔标准设计时，在水塔的进出管道与水塔水柜的连接处适当增加一个三通，加大管道安装回旋余地，为将来增加用水量预留接管条件，为改造水塔增加进出水管提供方便，是最经济、可靠之举（见图2）。同时也要考虑加压水泵的供水能力是否满足新增数量的要求，如不满足，要及时更换增加水泵[12]。

图1 水塔改造

图2 水塔进出水管增加三通

2.5 清洗水源新构造

水塔在使用过程中，水箱内不可避免的会有污染物的沉积和附着，定期清洗对保证水质非常重要。水箱清洗时，清洗水源来自水塔本身的进水管，直接由水泵通过进水管输入水箱内部，之后关闭阀门，进行下一道清洗。

在检修时间内，必须依靠其他措施对水塔进行供水。通过在水塔顶部水箱盖板上部空间设置电源插座，以供潜水泵使用。而水源的正常供给由正常运行的其他分格水箱承担[13]。

2.6 特殊镜面材料的应用

将经过特殊镀层处理的镜面材料覆盖水塔水柜，降低水柜内部水温，防止由于外界温度过高而产生水体污染和爆管现象。该镜面材料由若干层极薄的材料制成，第一层为银反射膜，然后是二氧化硅和氧化络的交替层。这种镜面材料能反射97% 的可见光。当二氧化硅温度升高时，它会通过约10 μm 波长的红外线辐射释放热量，但大气中几乎没有物质可以吸收这一波长的红外线，所以这种镜面能轻松的把热量输送至大气层和外太空[14]。

3 水塔的改造再生

随着城市的发展，水塔除了发挥储水功能外，也可形成文化服务，其本身所蕴含的意义也在不断变化[15]。它不仅是工业设施，还是战争场所、城市地标、民众集体记忆之所，它在旅游文化方面更体现出可持续发展性。

由于水塔占地狭小且具有区域供水的实际功能，有其特殊的存在空间。通过对不同价值构成的水塔进行改造，使其焕发新生。水塔的改造再生要实现可持续性，应根据不同的条件做出实际性和针对性的改造，不能简单盲目地以所谓的创意文化园区或者主题博物馆命名，造成水塔改造的僵化和单一。

3.1 结合当地特色

球形水塔是指水塔的水箱为球形壳体结构，按建筑材料可分为钢球形和钢筋混凝土球形等。钢筋混凝土球形水塔加上外装饰后，别具风格。通过在水箱上部增加观光台设施，伴随夜晚的灯光，既美观又可欣赏城市夜景。例如成都火车南站结合当地酷爱足球的特点，为钢筋混凝土球形水塔外装饰为足球（见图3），已成为当地地标性建筑[16]。

图3 球形水塔

3.2 生态观景塔

以色列将Bat Yam 的Ramat HaNasy 水塔改造为“生态观景塔”（见图4）。由于水塔高耸的结构特点，使其成为该地区的地标和地区景观的汇集点。以水塔来维持现有的生态多样性，并强化该片地区脆弱的生态系统。通过保留水塔的原始构造，在内部设计了一个螺旋向上的阶梯观景廊道系统[17]，人们在攀登时可以从不同方向观测鸟类和野生动物。更具新意的是在水塔水柜顶部设置双层表面，冬季雨水池也成为了生态栖息系统的一部分。

图4 生态观景塔

3.3 校园水塔咖啡厅

中国农业大学的校园水塔咖啡厅也是一个典型案例（见图5）。如果简单地把水塔改造成校园博物馆，会缺乏新颖和活力，难以和校园生气蓬勃、活力向上的氛围相融合。将水塔改造成咖啡厅，在某种意义上将工业建筑转型成娱乐休闲场所，使它的实用价值得到延伸[18]。

图5 校园水塔咖啡厅

4 结论

水塔是最早的二次供水系统，目前采用的无塔供水模式都是以水塔供水模式为蓝本，多种技术与学科相结合，不断创新而来。不能因为二次供水等新兴设备的出现，而“一刀切”采用新设备，这样极有可能造成“水土不服”，不仅达不到预期效果还浪费人力、电力和水资源。

然而水塔供水模式也存在浪费市政管网水压、消防用水不足、抗震性能较差、易渗透、供水量不足、清洗困难、需要保温措施等缺点，应进行相应改进措施的研究。

水塔的改造再生要实现可持续性，应符合实际和具有针对性，对已建水塔的改造可结合当地特色，而超过使用年限的水塔需根据地理环境位置、承载的文化历史和工业记忆等因素进行综合改造。国外的生态观景塔和国内的校园水塔咖啡厅都是优秀的改造案例，可供参考。