杭州市供水取消多层住宅屋顶水箱的研究

杭州市自来水总公司
洪觉民　 郑 斐 　 赵云云 　 代 荣

　　杭州市区现有多层住宅的屋顶水箱是80年代初逐渐建设起来的。当时城市供水不足，城市一半以上属于供水低压区，屋顶水箱是可以有效的降低高蜂供水量及水压且又是随房屋建筑同步建设的，因此发展迅速。据调查，目前全市水箱已达15712只，总容积99108M3，服务人口达86万人。屋顶水箱存在的主要问题是使出厂水质下降，产生问题的原因主要是管理不善，但由于各方面的原因，取消屋顶水箱已成为广大居民的迫切要求，杭州市城市供水管理条例已明确“新建多层住宅不得采用屋顶水箱供水。现有住宅的供水方式要逐步加以改造；达到取消屋顶水箱”。为此，对杭州市供水取消多层住宅屋顶水箱进行了研究，研究的主要内容有：调查全市供水范围内屋顶水箱的数量、容积及分布状况；分析全市供水及管网现状，对取消屋顶水箱前后的水力条件进行分析研究和平差计算，提出取消屋顶水箱的具体实施方案。

　　一　取消屋顶水箱水力条件的研究

　　1．取消屋顶水箱后需要的供水压力
　　取消水箱后需要保证供水的压力由三部分组成：一是住宅接管点的压力；二是住宅小区干管进水点的压力；三是管网节点的压力。只有这三点的压力都满足要求，才有条件取消屋顶水箱。
　　(1)住宅接管点的保证压力
　　“室外给水设计规范(GBJl3—86)”要求“当按建筑层数确定生活饮用水管网上的服务水头时：一层为10米，二层为12米，二层以上每增高一层增加4米”，但未注明“管网上”是指的干管还是支管6“城市给水工程规划规范(CB50282—98)”服务水头要求与上述相同但指明了用户接管点系配水管网上用户接点处；“居住小区给水排水设计规范(CECS57—94)”也进一步指明以层数确定的最小服务水压，建筑的层高不超过3.2米，最高层卫生器具配水点所需的流出水头在2米以内，室内给水管道中的流速一般不宜超过1m／s。综上所述，现行规范要求6—7层住宅的接管点的保证压力应为28—32米。
　　为从杭州实际出发，对住宅接管点所需水压进行了理论计算，以杭州滨江顾江公寓4#住宅楼为例，计算时家庭配置的水龙头淋浴器大便器及室内都是按实际为依据，计算结果见表1。

　　注：计算时水表直径为DN20，如果水表直径为DNl5，则水头损失尚需增加2．22米。
　　上述计算结果的平均值与规范规定只差0．6-0．26米。
　　(2)居住小区及小区至干管节点处的水头损失
　　(a)理论计算
　　一般住宅区分成三种规模，即居住区级(10000-15000户，3．0-50万人)；居住小区级(2000-3500户，0．7-1．3万人)；居住组团(300-800户，0．1-0．3万人)。居住区级应按《室外给水工程设计规范》计算。居住小区与居住组团应按《居住小区给水排水设计规范》进行计算。其中居住组团范围应按其负担的卫生器具总数，以现行《建筑给水排水设计规范》的生活络水秒流量公式计算；居住小区应按居民生活用水定额、用水不均匀系数K时推导出的最大小时流量计算。但对此尚有争论，比较倾向的意见是根据小区的规模大小按“过渡期”或“临界点”的计算方法进行计算。
　　据此，根据杭州的实际情况选择了四个典型小区进行理论计算，其情况如表2所示。

　　计算时各项参数：
　　——居民用水定额
　　从杭州实际情况采用最高日生活用水量为210L／caP．d(规范为180—270L／caP·d)，人均综合用水量为430L／cap.d(规范为410L／cap·d)。
　　——用水不均匀系数K时
　　 《室外给水设计规范》指明最高日城市综合用水的时变化系数直采用1．3—1．6。
　　 《居住小区给水排水设计规范》对有大使器、洗涤盆、淋浴设备的住宅，居住人口在0．7-1．3万人的居住小区，K时建议采用2．3-2．1，居住人口在0．1-0．3万人的居住组团，K时取2．3--2.8。
　　 对杭州小区的K时进行了实测，实测结果如表3所示：

　　考虑到实测日虽为高峰影响，但非最高日用水，为此在本研究计算中K时采用：居住区级，K时＝18；居住小区级，K时=2．1；居住组团级，按当量；
　　平差计算结果见表4。

　　(b)实测调查
　　 ——对古荡小区的水压实测。99年7月7日高峰时对小区干管进水处、小区末梢及居民楼水压进行了实测。实测结果分别为0．34MPa、0．30MPa、0．30MPa，小区内水头损失为4米。——对大关居住区的水压实测。大关居住区人口约3．5万人，整个居住区供水由大关加压泵站供水，采用变频调速控制水压。实测结果，泵房出口处当压力控制为0．36Mpa，尚会接到少量7楼居民电话投诉、如果达到0．38Mpa，就基本上没有反映了。
　　综上所述，住宅接管点到干管节点处的管网水头损失理论计算为4．3—4．5米，实测为3．0-4．0米，考虑到实测时虽为高峰供水期间。但并非是最高日的情况，并根据大关居住区的实际需要压力综合，考虑采用5．0米为宜。
　　结论：取消屋顶水箱后需要的干管节点处供水压力从理论与实到分析，在干管节点的控制压力应采用0.37MPa(6层建筑为0．33Mpa)。
　　2．取消屋顶水箱后高峰供水时需要增加的供水量
　　(1)屋顶水箱供水的功能与工况分析
　　(a)屋顶水箱的功能在于：一是调蓄作用；二是降低水厂高峰供水时出水量和出厂压力。从理论上讲，设屋顶水箱的住宅三层以上居民靠水箱供水，当高峰供水时，水厂出厂流量只要满足三层以下居民供水，出厂压力也只要满足管网最不利点居住楼二层就可。在低峰供水时，利用管网剩余压力能达到水箱进水就可。
　　(b)最高日最高时或每日高峰供水时，虽从理论上屋顶水箱负责三层以上居民住宅的生活用水，但从杭州的实际情况分析有二种情况，一种情况是管网压力能够通过水箱进水管到达水箱的地区，是水箱一边供水，一边在进水，其进水量和用户用水量基本相同，这部分水箱基本没有调峰作用3另一种情况是，管网压力达不到水箱进水压力的地区，三层以上的居民住宅的用水全部靠水箱供应。
　　(c)取消屋顶水箱后，所有居民住宅的生活用水将全部由管网直接供水。此时，管网压力原来能通过水箱进水管到达水箱的地区的工况比较复杂，因为水箱的补充水量是由管网压力高低决定的，而出水量是由用户需要决定的。因此有两种情况，一是管网压力足够可以达到其补充水量，大于或等于居民用水需要时，屋顶水箱取消前后工况基本相仿；二是管网压力不足其补充水量，不能达到居民用水需要时，则所缺水量将全部增加到管网直接供水上。
　　(d)取消屋顶水箱后管网压力不够原来需要全部由水箱供水的地区则三层以上居民用水将全部由管网直供。
　　根据以上分析，取消屋顶水箱后节点流量的影响值应根据不同地区的水箱不同压力进行计算。
　　(2)屋顶水箱进水压力及进水量计算
　　杭州住宅以七层为例，一般标准层高2．8m，屋顶标高21.0m，水箱高2.0m，水箱进水管管项标高22．8m。管网干管节点至住宅楼单元总水表的水头损失按前所述以5m计算，则在不同压力时，水箱的进水量计算如表5所示。

　　(3)流量的调整原则
　　综上所述，屋顶水箱取消后，对管网的流量调整原则为：
　　(a)管网节点压力在0．32MPa以上的地区水箱取消前后，对管网流量影响不大，可不予调整。
　　(b)管网节点压力在0．28Mpa以下的地区，屋顶水箱取消后原三层以上居民用水需全部增加在管网直供上。
　　(c)管网压力在0．28Mpa--0．32Mpa之间的地区，水箱进出水量的差值在水箱取消后增加在管网上。
　　(d)管网节点压力在0．32MPa以下的地区水箱取消后增加的用水量可采用按节点所在地区的用户居民区大小，采用不同的K时进行计算。
　　(4)节点流量的调整
　　按流量调整原则，对各节点所负担的小区详细位置进行分摊叠加，计算流量增加值，全市共有约60％的水箱取消后，用户所用水量在高峰供水时由依靠水箱供水转化到水厂直接供水上；另有约30％的水箱取消后，水箱进、出水量差值增加在管网上。这样管网上共增加流量约2184L／s，计7862．4m³／h。时变化系数K时根据各节点所负担的使用水箱人口来确定。

　　二 取消屋顶水箱的方案研究

　　根据取消屋顶水箱水力条件的研究，取消屋顶水箱后需要增加管网供水压力和高峰时供水量。有三个方案可以选择：一是在现状管网条件下，提高水厂出水压力和高峰流量，这个方案如果可行，则可立即取消屋顶水箱；二是对管网优化改造，适当提高水厂出水压力和高峰流量，管网优化改造的设计能力应与水厂供水设计能力相配套，如果可行，则可以逐步取消屋顶水箱；三是水厂出水压力基本保持不变，对管网进行优化改造并在网中设定若干个区域性加压泵站，以便保证取消屋顶水箱后供水稳定和加快取消屋顶水箱。
　　对上述三个方案需进行各种水力平差计算，计算前首先要建模。建模目的是在各水厂实际供水条件下，经过理论计算，使计算结果与管网中实际测量的水压基本一致，然后以此建立的模型，再进行其他工况的平差计算。建模要求各水厂出厂流量实际出水量和模拟出水量对照误差均在2％以内，压力误差均在1—2米之内。
　　1．现状管网供水条件下，取消屋顶水箱方案
　　在现状管网供水条件下，以98年最高日最高时模型的节点水量上加全市取消屋顶水箱的水量，总计增加流量2184L/s，计78624m3／h，相应调整后K时为1．35。平差计算后，即使所有水厂的水泵全部启动，城市大部分地区压力仍然达不到37米，而且水厂扬程提后，效率下降。证明在现状管网条件下全部取消屋顶水箱是不可行的。
　　2．管网优化改造后的取消屋顶水箱方案
　　管网改造的规模与现有水厂设计供水能力为140万吨／日相一致，保持现状供水模式，各水厂、水泵、网中各种调蓄设施不变，并对管网进行优化改造，优化后，计算结果大部分地区可取消屋顶水箱，但不少地区压力仍然在37米以下。说明单纯依靠管网扩建优化来取消屋顶水箱是困难的。
　　3．管网改造后并在网中设置若干加压泵站，全部取消屋顶水箱的方案
　　经多方比较，在网中设置两个大型区域泵站及若干小区泵站，经平差计算后，可以全面提高管网压力和满足高峰供水需要，达到取消屋顶水箱后供水要求。需增加电耗如下表6所示。

　　三　取消屋顶水箱的实施意见

　　1．取消屋顶水箱的条件
　　(1)提高管网服务压力
　　在有屋顶水箱供水时，杭州管网服务压力以市中心地区达到0．25Mpa，边缘地区为0．16--0．20Mpa进行调度。屋顶水箱取消后，根据以上测算，末梢压力对7层住宅要提高到0．37MPa，6居住宅要提高到0．33MPa。
　　(2)增加高峰供水量
　　根据测算，屋顶水箱取消后，高峰供水量将增加78624m3／b，比原最高时供水量增加约15％，K时从1．17提高到1．35，相应需要增加调节容积。
　　(3)改造室内管道
　　杭州现有住宅室内上水管布置一般以单元为单位，每单元进水后由一根立管直上屋顶水箱，作为水箱进水管，一层、二或三层住户由该管直接供水。屋顶水箱设一出水管，三层或四层以上用户由该管供水。屋顶水箱取消后，管道由单元进户表的阀门之后改造，供水方式采用下行上给式，立管直径全部DN50或DN50到DN25逐渐减小。为配合水表出户及消灭黄水，将劣质镀锌管改造为钢塑管。
　　(4)改造小区及居住区进水条件
　　屋顶水箱取消后，为了提供供水的安全可靠，尽量减少因抢修各种管道引起停水，对目前单向进水的小区及居住区供水改造成双向环状供水。
　　(5)保持出厂及加压泵站水压的稳定
　　屋顶水压取消前，居民对用水压力的变化并不敏感。各水厂及各加压泵站流量与压力的变化由于水箱的调节作用，并不影响居民用水。但水箱取消后，居民用水将由管网直接供水，K时将明显增加，管网压力稍有不足，将直接影响居民用水，保持压力的稳定就至关重要了。
　　(6)更换和改造影响出厂水质的管道
　　屋顶水箱取消的目的在于保持出厂水质稳定，不产生管道二次污染，水箱取消后，居民群众对水质的要求随之提高。因此，在取消屋顶水箱的同时对那些对管网水质有影响的且敷设年代又较久的灰铸铁管及其它影响水质的劣质管道应有计划的加以更换和改造。
　　2．取消屋顶水箱的经济分析
　　(1)取消屋顶水箱所需投资费用
　　(a)管网改造费用
　　经过计算，如果按出厂干管和城市管网与水厂设计供水能力相配套，需要改造和增加的管线工程费用为44496．3万元。新建和扩建两个区域性加压泵站及增设网中加压泵站，需要增加的工程费用为12800万元。两者合计57296．3万元。
　　(b)出水泵房改造费用
　　5座水厂的7个出水泵房，外加德胜泵站共44台机组，将其中14台机组改造为调速控制共需投资3910万元。
　　(c)室内管线改造费用
　　取消一只水箱的室内管线改造费用平均为4778．5元／只，全市共15712只水箱，室内改造总费用约为7508万元。
　　(d)改善小区进水条件配套费用
　　全市共有小区约262个，其中50％约131个小区需要改造管网进水条件，每个小区按照平均改造费用20万，则全市改善小区进水条件的配套费用约需2620万元。
　　(e)旧管道改造费用
　　对不适应压力提升和对水质影响较大的城市管网进行更换。换管费用约为43330．9万元。
　　以上五项共计费用11．47亿元，其中4．45亿元是城市管网扩容的改造费用，4．33亿元为管网更新费用，取消水箱的直接费用应为2．69亿元。平均每只水箱为1．71万元。
　　(2)取消屋顶水箱后所需增加的经营费用
　　取消屋顶水箱后年耗电量需增加达356.2万千瓦时，年耗电费用增加1145．8万元。由于水压的提高，旧有管网的爆管次数必然增加，估计每年增加450万元。
　　取消屋顶水箱是一项复杂的系统工程，涉及到千家万户、方方面面。在步骤上应首先在水压已经满足的地区进行试点，然后有计划、有步骤地改造城市干管与水厂出水系统，在条件成熟时，分区分块地逐步取消屋顶水箱。对新建住宅从现在起一律不再设置屋顶水箱。对旧有水箱仍应加强管理，特别是加盖防、定期清洗。