杭州市自來水總公司
洪覺民　 鄭 斐 　 趙云云 　 代 榮

　　杭州市區(qū)現(xiàn)有多層住宅的屋頂水箱是80年代初逐漸建設起來的。當時城市供水不足，城市一半以上屬于供水低壓區(qū)，屋頂水箱是可以有效的降低高蜂供水量及水壓且又是隨房屋建筑同步建設的，因此發(fā)展迅速。據(jù)調查，目前全市水箱已達15712只，總容積99108M3，服務人口達86萬人。屋頂水箱存在的主要問題是使出廠水質下降，產生問題的原因主要是管理不善，但由于各方面的原因，取消屋頂水箱已成為廣大居民的迫切要求，杭州市城市供水管理條例已明確“新建多層住宅不得采用屋頂水箱供水?，F(xiàn)有住宅的供水方式要逐步加以改造；達到取消屋頂水箱”。為此，對杭州市供水取消多層住宅屋頂水箱進行了研究，研究的主要內容有：調查全市供水范圍內屋頂水箱的數(shù)量、容積及分布狀況；分析全市供水及管網現(xiàn)狀，對取消屋頂水箱前后的水力條件進行分析研究和平差計算，提出取消屋頂水箱的具體實施方案。

　　一　取消屋頂水箱水力條件的研究

　　1．取消屋頂水箱后需要的供水壓力
　　取消水箱后需要保證供水的壓力由三部分組成：一是住宅接管點的壓力；二是住宅小區(qū)干管進水點的壓力；三是管網節(jié)點的壓力。只有這三點的壓力都滿足要求，才有條件取消屋頂水箱。
　　(1)住宅接管點的保證壓力
　　“室外給水設計規(guī)范(GBJl3—86)”要求“當按建筑層數(shù)確定生活飲用水管網上的服務水頭時：一層為10米，二層為12米，二層以上每增高一層增加4米”，但未注明“管網上”是指的干管還是支管6“城市給水工程規(guī)劃規(guī)范(CB50282—98)”服務水頭要求與上述相同但指明了用戶接管點系配水管網上用戶接點處；“居住小區(qū)給水排水設計規(guī)范(CECS57—94)”也進一步指明以層數(shù)確定的最小服務水壓，建筑的層高不超過3.2米，最高層衛(wèi)生器具配水點所需的流出水頭在2米以內，室內給水管道中的流速一般不宜超過1m／s。綜上所述，現(xiàn)行規(guī)范要求6—7層住宅的接管點的保證壓力應為28—32米。
　　為從杭州實際出發(fā)，對住宅接管點所需水壓進行了理論計算，以杭州濱江顧江公寓4#住宅樓為例，計算時家庭配置的水龍頭淋浴器大便器及室內都是按實際為依據(jù)，計算結果見表1。

　　注：計算時水表直徑為DN20，如果水表直徑為DNl5，則水頭損失尚需增加2．22米。
　　上述計算結果的平均值與規(guī)范規(guī)定只差0．6-0．26米。
　　(2)居住小區(qū)及小區(qū)至干管節(jié)點處的水頭損失
　　(a)理論計算
　　一般住宅區(qū)分成三種規(guī)模，即居住區(qū)級(10000-15000戶，3．0-50萬人)；居住小區(qū)級(2000-3500戶，0．7-1．3萬人)；居住組團(300-800戶，0．1-0．3萬人)。居住區(qū)級應按《室外給水工程設計規(guī)范》計算。居住小區(qū)與居住組團應按《居住小區(qū)給水排水設計規(guī)范》進行計算。其中居住組團范圍應按其負擔的衛(wèi)生器具總數(shù)，以現(xiàn)行《建筑給水排水設計規(guī)范》的生活絡水秒流量公式計算；居住小區(qū)應按居民生活用水定額、用水不均勻系數(shù)K時推導出的最大小時流量計算。但對此尚有爭論，比較傾向的意見是根據(jù)小區(qū)的規(guī)模大小按“過渡期”或“臨界點”的計算方法進行計算。
　　據(jù)此，根據(jù)杭州的實際情況選擇了四個典型小區(qū)進行理論計算，其情況如表2所示。

　　計算時各項參數(shù)：
　　——居民用水定額
　　從杭州實際情況采用最高日生活用水量為210L／caP．d(規(guī)范為180—270L／caP·d)，人均綜合用水量為430L／cap.d(規(guī)范為410L／cap·d)。
　　——用水不均勻系數(shù)K時
　　 《室外給水設計規(guī)范》指明最高日城市綜合用水的時變化系數(shù)直采用1．3—1．6。
　　 《居住小區(qū)給水排水設計規(guī)范》對有大使器、洗滌盆、淋浴設備的住宅，居住人口在0．7-1．3萬人的居住小區(qū)，K時建議采用2．3-2．1，居住人口在0．1-0．3萬人的居住組團，K時取2．3--2.8。
　　 對杭州小區(qū)的K時進行了實測，實測結果如表3所示：

　　考慮到實測日雖為高峰影響，但非最高日用水，為此在本研究計算中K時采用：居住區(qū)級，K時＝18；居住小區(qū)級，K時=2．1；居住組團級，按當量；
　　平差計算結果見表4。

　　(b)實測調查
　　 ——對古蕩小區(qū)的水壓實測。99年7月7日高峰時對小區(qū)干管進水處、小區(qū)末梢及居民樓水壓進行了實測。實測結果分別為0．34MPa、0．30MPa、0．30MPa，小區(qū)內水頭損失為4米。——對大關居住區(qū)的水壓實測。大關居住區(qū)人口約3．5萬人，整個居住區(qū)供水由大關加壓泵站供水，采用變頻調速控制水壓。實測結果，泵房出口處當壓力控制為0．36Mpa，尚會接到少量7樓居民電話投訴、如果達到0．38Mpa，就基本上沒有反映了。
　　綜上所述，住宅接管點到干管節(jié)點處的管網水頭損失理論計算為4．3—4．5米，實測為3．0-4．0米，考慮到實測時雖為高峰供水期間。但并非是最高日的情況，并根據(jù)大關居住區(qū)的實際需要壓力綜合，考慮采用5．0米為宜。
　　結論：取消屋頂水箱后需要的干管節(jié)點處供水壓力從理論與實到分析，在干管節(jié)點的控制壓力應采用0.37MPa(6層建筑為0．33Mpa)。
　　2．取消屋頂水箱后高峰供水時需要增加的供水量
　　(1)屋頂水箱供水的功能與工況分析
　　(a)屋頂水箱的功能在于：一是調蓄作用；二是降低水廠高峰供水時出水量和出廠壓力。從理論上講，設屋頂水箱的住宅三層以上居民靠水箱供水，當高峰供水時，水廠出廠流量只要滿足三層以下居民供水，出廠壓力也只要滿足管網最不利點居住樓二層就可。在低峰供水時，利用管網剩余壓力能達到水箱進水就可。
　　(b)最高日最高時或每日高峰供水時，雖從理論上屋頂水箱負責三層以上居民住宅的生活用水，但從杭州的實際情況分析有二種情況，一種情況是管網壓力能夠通過水箱進水管到達水箱的地區(qū)，是水箱一邊供水，一邊在進水，其進水量和用戶用水量基本相同，這部分水箱基本沒有調峰作用3另一種情況是，管網壓力達不到水箱進水壓力的地區(qū)，三層以上的居民住宅的用水全部靠水箱供應。
　　(c)取消屋頂水箱后，所有居民住宅的生活用水將全部由管網直接供水。此時，管網壓力原來能通過水箱進水管到達水箱的地區(qū)的工況比較復雜，因為水箱的補充水量是由管網壓力高低決定的，而出水量是由用戶需要決定的。因此有兩種情況，一是管網壓力足夠可以達到其補充水量，大于或等于居民用水需要時，屋頂水箱取消前后工況基本相仿；二是管網壓力不足其補充水量，不能達到居民用水需要時，則所缺水量將全部增加到管網直接供水上。
　　(d)取消屋頂水箱后管網壓力不夠原來需要全部由水箱供水的地區(qū)則三層以上居民用水將全部由管網直供。
　　根據(jù)以上分析，取消屋頂水箱后節(jié)點流量的影響值應根據(jù)不同地區(qū)的水箱不同壓力進行計算。
　　(2)屋頂水箱進水壓力及進水量計算
　　杭州住宅以七層為例，一般標準層高2．8m，屋頂標高21.0m，水箱高2.0m，水箱進水管管項標高22．8m。管網干管節(jié)點至住宅樓單元總水表的水頭損失按前所述以5m計算，則在不同壓力時，水箱的進水量計算如表5所示。

　　(3)流量的調整原則
　　綜上所述，屋頂水箱取消后，對管網的流量調整原則為：
　　(a)管網節(jié)點壓力在0．32MPa以上的地區(qū)水箱取消前后，對管網流量影響不大，可不予調整。
　　(b)管網節(jié)點壓力在0．28Mpa以下的地區(qū)，屋頂水箱取消后原三層以上居民用水需全部增加在管網直供上。
　　(c)管網壓力在0．28Mpa--0．32Mpa之間的地區(qū)，水箱進出水量的差值在水箱取消后增加在管網上。
　　(d)管網節(jié)點壓力在0．32MPa以下的地區(qū)水箱取消后增加的用水量可采用按節(jié)點所在地區(qū)的用戶居民區(qū)大小，采用不同的K時進行計算。
　　(4)節(jié)點流量的調整
　　按流量調整原則，對各節(jié)點所負擔的小區(qū)詳細位置進行分攤疊加，計算流量增加值，全市共有約60％的水箱取消后，用戶所用水量在高峰供水時由依靠水箱供水轉化到水廠直接供水上；另有約30％的水箱取消后，水箱進、出水量差值增加在管網上。這樣管網上共增加流量約2184L／s，計7862．4m³／h。時變化系數(shù)K時根據(jù)各節(jié)點所負擔的使用水箱人口來確定。

　　二 取消屋頂水箱的方案研究

　　根據(jù)取消屋頂水箱水力條件的研究，取消屋頂水箱后需要增加管網供水壓力和高峰時供水量。有三個方案可以選擇：一是在現(xiàn)狀管網條件下，提高水廠出水壓力和高峰流量，這個方案如果可行，則可立即取消屋頂水箱；二是對管網優(yōu)化改造，適當提高水廠出水壓力和高峰流量，管網優(yōu)化改造的設計能力應與水廠供水設計能力相配套，如果可行，則可以逐步取消屋頂水箱；三是水廠出水壓力基本保持不變，對管網進行優(yōu)化改造并在網中設定若干個區(qū)域性加壓泵站，以便保證取消屋頂水箱后供水穩(wěn)定和加快取消屋頂水箱。
　　對上述三個方案需進行各種水力平差計算，計算前首先要建模。建模目的是在各水廠實際供水條件下，經過理論計算，使計算結果與管網中實際測量的水壓基本一致，然后以此建立的模型，再進行其他工況的平差計算。建模要求各水廠出廠流量實際出水量和模擬出水量對照誤差均在2％以內，壓力誤差均在1—2米之內。
　　1．現(xiàn)狀管網供水條件下，取消屋頂水箱方案
　　在現(xiàn)狀管網供水條件下，以98年最高日最高時模型的節(jié)點水量上加全市取消屋頂水箱的水量，總計增加流量2184L/s，計78624m3／h，相應調整后K時為1．35。平差計算后，即使所有水廠的水泵全部啟動，城市大部分地區(qū)壓力仍然達不到37米，而且水廠揚程提后，效率下降。證明在現(xiàn)狀管網條件下全部取消屋頂水箱是不可行的。
　　2．管網優(yōu)化改造后的取消屋頂水箱方案
　　管網改造的規(guī)模與現(xiàn)有水廠設計供水能力為140萬噸／日相一致，保持現(xiàn)狀供水模式，各水廠、水泵、網中各種調蓄設施不變，并對管網進行優(yōu)化改造，優(yōu)化后，計算結果大部分地區(qū)可取消屋頂水箱，但不少地區(qū)壓力仍然在37米以下。說明單純依靠管網擴建優(yōu)化來取消屋頂水箱是困難的。
　　3．管網改造后并在網中設置若干加壓泵站，全部取消屋頂水箱的方案
　　經多方比較，在網中設置兩個大型區(qū)域泵站及若干小區(qū)泵站，經平差計算后，可以全面提高管網壓力和滿足高峰供水需要，達到取消屋頂水箱后供水要求。需增加電耗如下表6所示。

　　三　取消屋頂水箱的實施意見

　　1．取消屋頂水箱的條件
　　(1)提高管網服務壓力
　　在有屋頂水箱供水時，杭州管網服務壓力以市中心地區(qū)達到0．25Mpa，邊緣地區(qū)為0．16--0．20Mpa進行調度。屋頂水箱取消后，根據(jù)以上測算，末梢壓力對7層住宅要提高到0．37MPa，6居住宅要提高到0．33MPa。
　　(2)增加高峰供水量
　　根據(jù)測算，屋頂水箱取消后，高峰供水量將增加78624m3／b，比原最高時供水量增加約15％，K時從1．17提高到1．35，相應需要增加調節(jié)容積。
　　(3)改造室內管道
　　杭州現(xiàn)有住宅室內上水管布置一般以單元為單位，每單元進水后由一根立管直上屋頂水箱，作為水箱進水管，一層、二或三層住戶由該管直接供水。屋頂水箱設一出水管，三層或四層以上用戶由該管供水。屋頂水箱取消后，管道由單元進戶表的閥門之后改造，供水方式采用下行上給式，立管直徑全部DN50或DN50到DN25逐漸減小。為配合水表出戶及消滅黃水，將劣質鍍鋅管改造為鋼塑管。
　　(4)改造小區(qū)及居住區(qū)進水條件
　　屋頂水箱取消后，為了提供供水的安全可靠，盡量減少因搶修各種管道引起停水，對目前單向進水的小區(qū)及居住區(qū)供水改造成雙向環(huán)狀供水。
　　(5)保持出廠及加壓泵站水壓的穩(wěn)定
　　屋頂水壓取消前，居民對用水壓力的變化并不敏感。各水廠及各加壓泵站流量與壓力的變化由于水箱的調節(jié)作用，并不影響居民用水。但水箱取消后，居民用水將由管網直接供水，K時將明顯增加，管網壓力稍有不足，將直接影響居民用水，保持壓力的穩(wěn)定就至關重要了。
　　(6)更換和改造影響出廠水質的管道
　　屋頂水箱取消的目的在于保持出廠水質穩(wěn)定，不產生管道二次污染，水箱取消后，居民群眾對水質的要求隨之提高。因此，在取消屋頂水箱的同時對那些對管網水質有影響的且敷設年代又較久的灰鑄鐵管及其它影響水質的劣質管道應有計劃的加以更換和改造。
　　2．取消屋頂水箱的經濟分析
　　(1)取消屋頂水箱所需投資費用
　　(a)管網改造費用
　　經過計算，如果按出廠干管和城市管網與水廠設計供水能力相配套，需要改造和增加的管線工程費用為44496．3萬元。新建和擴建兩個區(qū)域性加壓泵站及增設網中加壓泵站，需要增加的工程費用為12800萬元。兩者合計57296．3萬元。
　　(b)出水泵房改造費用
　　5座水廠的7個出水泵房，外加德勝泵站共44臺機組，將其中14臺機組改造為調速控制共需投資3910萬元。
　　(c)室內管線改造費用
　　取消一只水箱的室內管線改造費用平均為4778．5元／只，全市共15712只水箱，室內改造總費用約為7508萬元。
　　(d)改善小區(qū)進水條件配套費用
　　全市共有小區(qū)約262個，其中50％約131個小區(qū)需要改造管網進水條件，每個小區(qū)按照平均改造費用20萬，則全市改善小區(qū)進水條件的配套費用約需2620萬元。
　　(e)舊管道改造費用
　　對不適應壓力提升和對水質影響較大的城市管網進行更換。換管費用約為43330．9萬元。
　　以上五項共計費用11．47億元，其中4．45億元是城市管網擴容的改造費用，4．33億元為管網更新費用，取消水箱的直接費用應為2．69億元。平均每只水箱為1．71萬元。
　　(2)取消屋頂水箱后所需增加的經營費用
　　取消屋頂水箱后年耗電量需增加達356.2萬千瓦時，年耗電費用增加1145．8萬元。由于水壓的提高，舊有管網的爆管次數(shù)必然增加，估計每年增加450萬元。
　　取消屋頂水箱是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及到千家萬戶、方方面面。在步驟上應首先在水壓已經滿足的地區(qū)進行試點，然后有計劃、有步驟地改造城市干管與水廠出水系統(tǒng)，在條件成熟時，分區(qū)分塊地逐步取消屋頂水箱。對新建住宅從現(xiàn)在起一律不再設置屋頂水箱。對舊有水箱仍應加強管理，特別是加蓋防、定期清洗。