王彦伟
(泰安市自来水有限公司,山东泰安 271000)
随着城市化进程的加快,城市规模不断扩大,市政给排水项目逐渐增多,但基于城市原有给排水管道及实际输水需求的影响,不同市政给排水项目的输水方式不同、管网分区也存在较大差异。当前,国内外针对市政给排水的设计研究已进入白热化阶段,各种先进技术得以应用,理论研究不断深入,为工程项目的实施提供了极大支持。本文结合实际市政给排水项目,探讨市政给排水输水方式选择方法及管网分区设计要点,能为相关理论研究提供实践经验,同时也可为类似工程项目提供实施策略,对于市政给排水工程建设发展具有积极意义。
市政给排水系统主要包括取水、供水、排水及净水系统,详细结构如图1 所示。在实际设计过程中,由于不同城市区域的实际情况不同,其输水方式不同[1]。常见的输水方式包括以下3 种。
图1 市政给排水系统结构示意图
1)压力流输水。这种输水方式主要针对水源水位地域水厂水池水位的情况,通过外力进行加压输水,借助水泵确保水源顺利进入水厂。在输水方式应用过程中,需综合考虑现场地形地势、水文地质及管线长度等影响因素,以确保该输水方案顺利实施,管道能承受相应的输水压力。
2)重力输水。借助水源自身重力势能,达到输水目的,适用于水源水位高于水厂水池的情况,且要求二者高度差满足实际输水要求,避免受水头损失的影响。除此之外,重力输水方式受地形地势影响明显,为保障输水顺利,需加强现场实际情况分析。
3)结合输水。将压力输水和重力输水两种方式结合使用,基于现场实际情况灵活转化输水方式。其优势在于能最大限度地利用自然资源和能量,减少资源消耗,更好地保障输水顺利完成。
在输水方式选择过程中,影响因素较多,为保障市政给排水工程顺利实施,需结合实际情况展开计算,确保相应输水方式选择的合理性及可行性。在实际输水过程中,需着重考虑水源位置、供水距离及流量要求3 个因素,通过计算分析,确保市政给排水系统顺利输水。
1)当水源水位低于水厂水位时,无法展开重力输水,因此,需要运用加压水泵。对此,需确保加压水泵满足输水要求,应先确定水泵扬程。水泵扬程计算公式为:
式中,H 为水泵扬程;Z1为水源水位高度;Z2为水厂水池水位高度;h 为输水过程中的水头损失。
根据式(1),实现对于水泵扬程的准确计算,以确保水泵选择的合理性以及科学性。
2)对于水源水位高于水厂水位的情况,应优先选用重力输水方式,以减少能源消耗。但在实际工程设计过程中,为确保重力输水方案的可行性,需对当地输水管水力坡度及地形坡度等进行分析,确保其满足重力输水需要。输水管水力坡度及平均地形坡度满足如下关系:
式中,j 为重力输水管水力坡度;J 为平均地形坡度;I 为输水距离。
值得注意的是,在重力输水建设过程中,为满足水力坡度要求,通常会增加管径及管线长度,导致建设成本过高,因此,在进行重力输水设计过程中,还需加强对建设成本的考量。若重力输水管道的建设费用超过压力输水管道、泵站建设及加压输水运行管理费用之和,则需采用加压输水方式,以节约建设成本。
综上,在采用重力输水方式过程中,不仅要考虑水源水位和水厂水位之间的高度差,还需合理选择输水管径,确保其在满足大流量输水需求的同时,避免水力坡度超过地形坡度,同时还应合理控制工程造价。因此,山区地形的城市在给排水工程建设过程中,通常借助地形优势,选择重力输水方式,以缩短输水管线长度,并借助跌水井等装置进行市政输水[2]。
以某城市南部市政给排水工程为例,整体给排水工程为南北走向,设计流量为2.01 m3/s。根据案例工程实际情况,采用重力输水与压力流输水相结合的综合输水方式。案例工程输水线路全长38.75 km,根据当地地势特点,在节能降耗基本原则的指导下,将施工区域划分为5 个输水阶段,其中前4 段均采用重力输水模式,重力流系统管线纵断图如图2 所示,后1 段由于地势差不满足重力输水要求,因此,采用压力输水方式,结合实际供水需求,确定加压泵站技术参数,详细情况如表1 所示。
表1 案例工程加压泵站技术参数详细情况
图2 重力流系统管线纵断图
在进行市政给排水管网分区设计过程中,需结合现场实际情况及城市发展需求,明确管网系统对应的阶层数,在此基础上展开管网分区规划,以确保管网设计的科学性及合理性。应根据管网系统实际功能需求确定第一阶层管网系统,并根据管网空压、改压及减漏需求,进行管网叠层系统设计,以确保管网设计符合城市给排水发展需求。
根据实际市政给排水需求,确定管网边界,合理设置进水点的具体位置和数量,充分考量当地实际情况及相关影响因素,展开进水点设计。在确定管网边界及进水点时,需充分结合当地情况,确保管网设计规划符合当地用水需求、特点,以及城市未来发展方向,保证管网设计的前瞻性及可扩展性。在进水点设计过程中,需重视以下方面。
1)合理确定进水点数量,在保障城市供水稳定可靠的基础上,尽量减少供水点设置,以达到降低工程成本的目的。
2)为节约工程成本,部分区域可采用单点供水方式,进行系统设计。
3)为保障供水稳定性,事故多发地段应结合实际地形情况,适当增设进水点,保障供水安全、可靠。
市政给排水工程运行时需消耗大量电能,根据相关统计结果显示,我国城市总耗电量处于持续增长状态,详细情况如表2 所示,其中给排水系统能耗占比相对较高,因此,节能设施设备的运用逐渐成为当前市政给排水系统设计的重要内容。例如,采用低压供水模式构建一体化供水系统,加强地热能利用,以达到节约能源消耗的目的。
表2 2000—2020 年我国城市总耗电量情况亿kW·h
在进行管网分区方案设计过程中,为保障建设成本的合理性,需进行造价分析和计算,以确定最优分区方案。主要分析内容包括以下3 个方面。
1)管道造价年费计算。该项费用为给排水系统建设过程中的主要支出,不仅包括管道材料造价,还包括挖沟、填埋、接头及其他零部件、附属工程费用等。根据管径大小,构建管道造价函数,可用于计算管网年造价费用。计算公式如下:
式中,W 为管网年造价费用;m 为大修基金提取率;P 为管网造价动态折算系数;N 为管段数;i 为第i 条管段;Li为第i 条管段长度;D 为管径;a、b、α 均为造价系数,需要根据实际管道材料和施工条件确定。
2)管网年平均动力费用。主要指系统运行过程中消耗的电能,包括水的位能,以及克服管段摩擦阻力消耗的能量。
3)造价年费。包括系统建设过程中相关建筑物、泵站等的折旧费用、供水总量等[3]。
综上所述,在市政给排水输水方式选择及管网分区设计的过程中,不仅需充分考虑水源水位与水厂水位高度,还应从建设成本及可行性方面合理进行输水方式的选择。在管网分区方案设计过程中,应先结合管网系统实际功能,对市政管网系统阶层进行准确分析,并明确管网区域边界和进水点位置,确保设计的合理性。此外,为强化管网分区设计的成本控制效果,还应选择节能设施与设备,加强分区方案造价的分析和计算,全面确保市政给排水系统输水及分区设计的科学性和合理性,促进市政给排水工程持续、向好发展。