基于“母子管”的排水管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

范佳慧　張向陽　郭杰　潘爽　施輝輝

摘要：近年來，城市洪澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國民生活產(chǎn)生了極大的阻礙和影響。城市雨污合流及城市排水管徑普遍偏小更是增加了城市的排水壓力。基于目前暴雨期排水不暢的狀況，本文旨在提出一種新的理念，利用新型管道——“母子管”，結(jié)合水泵動力系統(tǒng)加速雨水的排放，實現(xiàn)高效收集，以解決城市雨澇問題。此外，收集到的雨水能應(yīng)用于綠地灌溉、景觀用水、路面噴灑、蓄水沖廁等生活中的各方面，該理念也貼合當(dāng)今“海綿城市”的新型發(fā)展概念，可用于海綿城市、海綿公園等的灌溉用水、景觀用水及蓄水儲水的水源供應(yīng)。雨水利用對減輕市政雨水管網(wǎng)的壓力有重要的意義，也符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的要求。

關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng)；雨洪澇災(zāi)害；新型管道設(shè)計；可持續(xù)發(fā)展；

引言：

當(dāng)前我國暴雨洪澇災(zāi)害面積大，雨澇災(zāi)害危及農(nóng)作物生長，破壞建筑、交通與電力設(shè)施以及其他產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展，也給人民生活帶來了極大的影響與不便。加之一些地區(qū)現(xiàn)有排水管網(wǎng)建設(shè)結(jié)構(gòu)落后，設(shè)計思想陳舊，缺乏新技術(shù)的開發(fā)等，雨澇問題亟待解決。

另一方面，當(dāng)前的低雨水利用率也亟待改善——水資源供需矛盾突出、水環(huán)境惡化、洪澇災(zāi)害嚴(yán)重等水問題日益成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的主要因素。改變傳統(tǒng)的管理模式，是延續(xù)資源利用、走可持續(xù)發(fā)展道路的有效途徑。

一、城市雨澇狀況

近年來，城市內(nèi)澇已成為困擾人們正常生活與威脅公共安全的重大隱患之一。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市的植被率降低，不透水面積增加，下滲的地下徑流及地表徑流減少，雨水的徑流量進(jìn)一步增加，導(dǎo)致城市洪澇風(fēng)險增大，造成巨大的損失，制約了城市的發(fā)展。

二、城市排水管網(wǎng)現(xiàn)狀

由雨水管網(wǎng)、泵站、蓄水池等構(gòu)成的雨水排水系統(tǒng)在匯集、調(diào)蓄城市雨水上起著至關(guān)重要的作用。然而由于類型復(fù)雜龐大、缺乏完整的協(xié)調(diào)機(jī)制，我國早期落后的管網(wǎng)規(guī)劃逐漸跟不上城市發(fā)展的腳步，加之暴雨量的增加，一系列排水問題接踵而至。有些城市還將雨水管與污水管混接，導(dǎo)致雨污合流，降雨時排水量增大很可能造成污水外溢。排水覆蓋率趕不上城市的發(fā)展范圍，城市內(nèi)澇問題就只能是越演越烈。此外，管網(wǎng)優(yōu)化改建也仍存在優(yōu)化目標(biāo)單一，方法不全面，忽略了利益與風(fēng)險的平衡等方面的不足，同時也受到經(jīng)濟(jì)條件的制約，使得大幅度改建管網(wǎng)難上加難。

三、管網(wǎng)優(yōu)化舉措

在我國排水體制中，主要還是將雨水盡快排至水體，這樣不僅會造成雨水資源的流失，而且在暴雨季節(jié)還會引起河水上漲，進(jìn)一步加劇城市的防洪工作壓力。此外，我國缺水地區(qū)采用集雨系統(tǒng)收集雨水作為飲用水源，改善生活質(zhì)量。城市雨水收集系統(tǒng)還可用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和補(bǔ)充地下水的水源，緩解地區(qū)用水緊張的矛盾。基于目前人們對雨水資源的浪費現(xiàn)象及雨水利用的較大空間，本優(yōu)化設(shè)計方案旨在提出一種新的思路與理念——利用一種新型優(yōu)化管道，集雨水排放、收集、利用于一體，既要解決目前管道排水量不夠的問題，又能實現(xiàn)將雨水分流收集，使較為干凈的雨水得到利用。

（一）新型管道設(shè)計理念

針對現(xiàn)在小區(qū)或者城市雨水管道只有一個大管道的現(xiàn)狀，雨水無法進(jìn)行更好的收集利用。即使是針對現(xiàn)有雨水進(jìn)行收集，所收集到的雨水渾濁度也很高，因此可針對現(xiàn)有的管道進(jìn)行改進(jìn)：如圖一所示，使原有下水管道作為“母管”，在原有污水管道內(nèi)部的上方加設(shè)小管道即“子管”。正常情況下，適量的雨水通過“母管”流通排走。發(fā)生暴雨或雨水流量較大時，則在水泵的作用下，使“子管”中的水流加速流動，從而高效地輸送到蓄水處。初期的雨水比較渾濁，通過“母管”排放出去，一段時間后雨水的濁度下降，則通過水泵進(jìn)行抽水送進(jìn)“子管”中進(jìn)行收集與利用。

以鄭州市為例，查資料可得鄭州市全年集雨量綜合可達(dá)到0.996億m³。其中透水地面截留的雨水量為0.304億m³，則不透水地面截留的雨水量為0.692億m³。應(yīng)用此新型管道設(shè)計理念后，在水泵對雨水的加速下排作用下，預(yù)計效率提高25%，則不透水地面截留的雨水量將減少到0.996-0.304×1.25=0.616億m³?？梢姡撆e措可顯著加速雨水的下排，從而有效防止內(nèi)澇災(zāi)害。

（二）核心部分結(jié)構(gòu)構(gòu)造

應(yīng)用新型管道，有利于解決現(xiàn)有下水管道排水不暢的問題，提高管道的排水效率及能力，實現(xiàn)大雨不積水、暴雨不內(nèi)澇的目標(biāo)。通過裝置的核心部分，如圖二所示——雨水流量感應(yīng)系統(tǒng)實現(xiàn)雨水的初步凈化，再使用收集裝置進(jìn)行雨水的儲存，提高雨水的利用率。

雨水流量感應(yīng)系統(tǒng)包括延時控制部分和浮球開關(guān)部分。延時控制部分利用電子延時裝置，即自動電子水位控制器與浮球開關(guān)相互配合。當(dāng)水位控制器上的探頭檢測到雨量達(dá)到閾值時，控制器使水泵開始工作向子管加速抽水。延時控制部分可完成對雨水濁度的初步檢測，當(dāng)流入的雨水已經(jīng)較為干凈，水泵開始工作，從而使雨水大部分從子管流走從而達(dá)到雨水分流的目的，實現(xiàn)雨水的初步分選與凈化。浮球開關(guān)作為液位控制器件，使用磁力運作，具有節(jié)能，體積小，使用方便等優(yōu)點。根據(jù)周圍液壓的變化，浮子可帶動主體移動，帶動活塞堵住“母管”的進(jìn)水口，保證干凈雨水盡可能全部進(jìn)入“子管”。此外，當(dāng)雨水流量很大時，為了平衡壓強(qiáng)，使“母管”中的水能順利流動并排走，可在“母管”旁側(cè)設(shè)置溢出管，以進(jìn)一步完善管道結(jié)構(gòu)功能。

（三）管網(wǎng)系統(tǒng)收集利用雨水功能的優(yōu)化

將上述“母子管”裝置的理念應(yīng)用到當(dāng)前的管網(wǎng)系統(tǒng)中，在成本較低的條件下可大大增加初期雨水的利用率。一方面可通過調(diào)節(jié)水泵運行功率而適應(yīng)地區(qū)的各種天氣，達(dá)到暴雨無內(nèi)澇，大雨不積水的目標(biāo)，有效緩解洪澇災(zāi)害；另一方面該種新型管網(wǎng)系統(tǒng)還能應(yīng)用于綠地灌溉、景觀用水、路面噴灑、蓄水沖廁等生活中的方方面面，為居民生活帶來極大的便利，也完全符合節(jié)能減排、綠色低碳的要求。

此外，該理念還貼合當(dāng)今“海綿城市”的新型發(fā)展概念，雨水分流后，單獨收集到的較為干凈的雨水可用于海綿城市、海綿公園等的灌溉用水、景觀用水及蓄水儲水的水源供應(yīng)，還可有效緩解城市熱島效應(yīng)。

結(jié)語：

隨著城市化的發(fā)展，時代對城市排水提出了更高的要求。我國的城市水資源利用進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展時期，是一個新的歷史起點。城市的排水問題是一個長期問題，內(nèi)澇問題的工作重心應(yīng)從后期的防治轉(zhuǎn)為前期的預(yù)防，保證規(guī)劃的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性及合理性，才能從根本上解決問題，為城市建設(shè)添磚加瓦，走上可持續(xù)發(fā)展之路。