城市管道负压系统运行理想条件及其发展应用的研究

王 秦

（西安绿环林业技术服务公司，陕西 西安 710000）

1 UPNPS 运行影响因素及其运行理想条件的推定

充分考虑影响UPNPS 运行的各种因素，推定系统运行理想条件，是UPNPS 通过自我调整以适应各种实际状况的理论基础。

1.1 内因

影响UPNPS 运行的主要内因有管长、管径、管道材质以及管道构件等。

管长、管径、管道材质等主要造成沿程损失。

管道构件主要造成局部损失，其主要包括管道构筑物和管件两个部分。构筑物主要为排污井，管件包括排污阀、活接管（活接头）、弯管、变径管、滤水器（滤水网）等。

1.2 外因

外因主要包括城市周边大气质量、大气活动强度和用水水质。

除城市周边存在工业区的情况，城市周边大气质量普遍较好。不同城市的大气活动强度不同，以西安市为例：李琛等在《气压对西安市城区空气质量的影响》[1]中提出，在只考虑风对城市空气质量的影响时，西安市空气质量发生明显变化的风力等级为Ⅲ---Ⅴ级，Ⅲ级开始西安市的空气质量开始转良，Ⅴ级时可保证在短时间内改善空气质量，即对于西安市，UPNPS 的工作条件为Ⅴ级风力以下。

城市废水杂质含量高，易阻塞管道，影响UPNPS 运行。

1.3 UPNPS 运行理想条件的设定

总结前文，UPNPS 运行理想条件为：

1.城市外部大气环境无人为干扰。

2.利用给排水管材独立设计、建造UPNPS 管网，管网应同时满足覆盖范围最广、有效长度最短的要求，合理布置空气入口，且不再考虑入户的情况。

3.系统产生的污水由污水处理厂处理，故管网可依据污水处理厂责任片区划片。城市范围过大时，在片区内沿道路设置沿程风机（处理厂、站、点）作为管道增压的节点或独立处理节点。

4.管网采用自流管，结合加药装置，设置喷淋系统处理管道中积累的淤泥和提高大气排放物吸收效率。

5.尽量减少管道构件种类、数量，确保管道内壁尽量光滑。

2 UPNPS 的系统组成

UPNPS 由动力系统和管网系统两部分组成（如图1 所示）。

图1 UPNPS 系统组成

3 UPNPS 运行理想公式的推导

本文以单个片区作为UPNPS理想公式推导的基本单位。

参照《城市排水系统在大气污染防治方面应用可行性的探讨》中对城市排水系统管道的等级划分，因不考虑入户情况，将管道等级从四个调整为三个：片区排水总管为干管（通常沿各干道布设），一级支管为城市中各个街区的排水总管（通常沿各辅路布设），二级支管为小区的排水总管（通常为小区总排水管道），上下级管道之间为串联关系，同级管道之间为并联关系，并假设：

管中风速为v，空气与水面的相对流速为v1，与管壁的相对流速为v2。将管径发生变化或两个下级支管之间的一段称之为一个管段；

对于干管，管道上空气入口数n1，弯头数c1，活接管（活接头）数d1，三通数e1，管道长L1，直径中位数D1；

对于一级支管，压损最大的一条管道上空气入口数n2，弯头数c2，活接管（活接头）数d2，三通数e2，管道长L2，管道直径中位数D2；

对于二级支管，压损最大的一条管道上空气入口数n3，弯头数c3，活接管（活接头）数d3，三通数e3，管道长L3，管道直径中位数D3。

则在不代入常数的情况下管道中总压损为：

通过对常量进行整理，可将公式（1）简化为：

式中：

λ---管壁摩擦系数；

ζ1---弯头局部阻力系数；

ζ2---三通局部阻力系数；

ζ3---活接管（活接头）局部阻力系数；

Ln---等效管长（m）---各级管道等效长度中位数；

Dn---等效管径（m）---各级管道空气流通部分等效管径中位数；

C、D、E---各级管道弯头、三通、活接管（活接头）数量之和；

K---各级管道长径比之和，即L1/D1+L2/D2+L3/D3；

v---管道设计风速（m/s）；

V ---v1 和v2 的平方和，理想状态下v2 与v 值相等；

g---重力加速度；

Y0---标准大气压下零摄氏度空气比重，数值为1.2931（kgf/m3）；

P1---当地大气压（kPa）；

P2---管道入口气压（kPa）；

t---管内年平均温度（℃，系统运行后管内空气与外界充分交换，故采用当地年或季度平均气温）。

整合相同算法的部分，假设有n 种管道构件，其局部阻力系数分别为ζn，数量分别为Cn，将公式（2）进一步简化：

4 UPNPS 的发展应用

UPNPS 的运行促进了城市空气循环，使城市小气候更易受到城市周边大气环境的影响，根据这一特点，本文提出城市小气候稳定指数和UPNPS 在大跨建筑结构中的应用。

4.1 城市小气候稳定指数

城市小气候稳定指数（Stability Index of Urban Microclimate，简称SIUM），是指城市小气候受城市周边环境影响后与城市周边环境的一致程度，是调节UPNPS运行强度的重要参数。

影响城市小气候的主要因子有：气压、气温、湿度、风速、降水、日照等[2]。因为同一区域的日照强度基本一致，且城市范围相对较小，故忽略该因子的影响。

须要注意的是，部分因子变化范围较大，采用指数函数的形式缩小指数值变化范围；在计算过程中需要体现各因子在城市内外数值上的对比；各因子之间共同作用于城市，但作为指数函数中的幂，须防止个别数值为零导致的零次幂，故有：

式中：

a、b---非1 和0 的常数；

Ti---开尔文温度（K）；

RHi---相对湿度（g/kg）；

Pi---气压（kPa）；

Vi---风速（m/s）；

pi---降水量（mm）；

下标1 和0 分别代表城市内、外的监测数据。

为方便判读计算结果，可将公式（4）中a、b 两个常数均设定为10，相同因素内部的变化用△X 的绝对值表示，则有：

当SIUM 值为1 时，城市内外气象条件一致，达到UPNPS 运行理想目标。

4.2 UPNPS 在大跨建筑结构中大气调节方面的应用

近现代以来，建筑材料、结构体系以及计算理论水平的巨大进步和新工艺、新技术的发展，空间结构的跨越能力达到了一个新的飞跃，大跨结构的跨度开始向千米量级进军，发达国家和地区已经对千米级超大跨度穹顶方案开展了相关研究[3]，如图2 所示。

图2 千米级超大跨城市穹顶方案

这些方案中最大设计跨度达到了3200m，本文所指的大跨建筑结构均特指该类大型球壳结构。

大跨建筑结构为城市提供了相对独立和稳定的大气环境，但也阻碍了结构内外大气之间的自然交换，因此结构内部大气排放物浓度提升速率高于自然状况，在发生火灾和有害物质泄漏的情况下，有害物质的影响也更大，且温度、湿度的积累对城市生态系统的影响也须要注意。

故要求大跨建筑结构具有一定的大气环境调节能力，而UPNPS 在应对这种状况时有着相当的优势：

1.节约空间：管网分布于城市地下，且新增设施设备依托已有基建（道路绿化带、污水处理厂等）设置。

2.适应性强：可根据需求调整系统运行强度，也可通过调整药剂种类、浓度或同时使用多种药剂，达到吸收有毒大气排放物、调节空气微生物含量的效果。

3.拓展性强：可以增设气体喷嘴以调节空气成分，也可以在沿程或终端处理厂、站、点增设温度、湿度调节装置。

大跨建筑结构中UPNPS 运行环境基本不变，主要变化为系统作用空间从开放式变为封闭式，且通过合理设计系统增设的各设施、设备，并不会改变管网的基本结构，对管网造成的影响很小。