吳旭陽

（安徽皖南新維電機有限公司，安徽 宣城 242500）

現(xiàn)代給水系統(tǒng)中水塔主要用來調(diào)節(jié)二級泵站每小時供水量與居民用水量的差額，同時起到儲存水和調(diào)節(jié)水壓的作用。這種水塔供水模式會出現(xiàn)水體二次污染，且存在調(diào)節(jié)容積有限、檢修不便、初建成本較高和對市政管網(wǎng)沖擊較大等問題，所以目前供水模式普遍采用無塔供水—通過檢測市政管網(wǎng)壓力，采用變頻方式調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，控制水量，從而達到加壓供水的目的。但對于水源地供水不穩(wěn)定、城市基建落后、基本以居民用水為主、水壓不足的地區(qū)（管網(wǎng)末梢），海嘯和地震多發(fā)地區(qū)及人工島嶼等地區(qū)，變頻供水的普及和應(yīng)用具有一定難度和局限，所以在給水系統(tǒng)中建設(shè)水塔也是可嘗試的優(yōu)化供水模式。

1 水塔供水模式優(yōu)勢

1.1 提高水資源利用率

水資源供應(yīng)通常被認為是生態(tài)系統(tǒng)中的供給服務(wù)[1-3]。從經(jīng)濟學(xué)角度看，水資源可以轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀毁Y本投入到社會經(jīng)濟活動中，對于鞏固和支持人類生存和活動必不可少。水塔建設(shè)是應(yīng)對氣候干旱和降水變率增加的有效措施，通過水塔的調(diào)蓄功能可有效提高水資源的利用率[4]。

1.2 減少水泵能量浪費

城市居民生活用水晝夜變幅較大，用水高峰期集中在固定時段。如果采用變頻泵供水，用水量波動起伏，變頻泵很難在高效段運行，效率低且能耗大[5]。

水塔供水是傳統(tǒng)而有效的調(diào)節(jié)模式，當管網(wǎng)中建有水塔時，二級泵站每小時供水量可以與用水量不相等，但每天總供水量必須等于用水量。此時水泵工作分為二至三級，只要選泵合理，可使水泵一直處于節(jié)能狀態(tài)下工作，因此設(shè)置水塔不會引起水泵能量的浪費。

1.3 對電力系統(tǒng)依賴較低

城市加壓泵站通常24 小時運行，加壓泵站和二次恒壓供水設(shè)備對電力系統(tǒng)要求較高，當城市供電不穩(wěn)定、斷電頻繁時將會影響泵站和供水設(shè)備的工作。建設(shè)水塔后，水塔通過重力式自流供水，對電力系統(tǒng)依賴較低，即使斷電也能保證一段時間內(nèi)供水。如非洲地區(qū)由于經(jīng)濟條件和基礎(chǔ)設(shè)施落后，供水新工藝和新技術(shù)的普及具有一定的局限性，水塔供水模式相對來說較為簡單易行。

1.4 降低水廠供水設(shè)備的閑置

一般情況下水廠夏季供水壓力更加突出，建設(shè)大型水塔有利于調(diào)節(jié)用水谷峰，降低建設(shè)運行費用。日常工況條件下，用戶通過水塔供水來用水，水廠按照統(tǒng)一調(diào)度原則平穩(wěn)制水，運行調(diào)度簡單；高峰供水工況下，水廠出水可跨越水塔，與水塔聯(lián)合向管網(wǎng)供水，供水能力相當于水廠和水塔的總和。

當夜間用水量低時，可將水廠多余制水運輸至水塔，在白天用水高峰期由水廠和高位水池共同對管網(wǎng)輸水，以此來降低管網(wǎng)運行壓力，并達到降低能耗的目的[6]，這種模式可大幅降低水廠供水設(shè)備的閑置。

1.5 特殊地形和地區(qū)供水

1.5.1 山地城市供水

山地城市具有地形起伏較大，給水管網(wǎng)延伸較遠、用水時變化系數(shù)較大等特點，因此給水管網(wǎng)中一般設(shè)置水塔。水塔可調(diào)節(jié)日用水量的變化，保證泵站向管網(wǎng)均勻供水，減少用戶的水壓波動，減小輸水管和干管的直徑。和無調(diào)節(jié)構(gòu)筑物的給水管網(wǎng)系統(tǒng)相比，利用電費的峰谷值可減小水廠二級泵站需要的電費，由此降低山地城市給水管網(wǎng)的建造及運行費用[7]。

1.5.2 海嘯和地震多發(fā)地區(qū)供水

地震會使供電系統(tǒng)和二次加壓設(shè)備失去工作能力，臺風(fēng)過后水源濁度增加。例如我國臺灣地處歐亞大陸板塊和菲律賓板塊，又直接面對太平洋，屬于地震和臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)，采用水塔供水模式更為適合。

1.5.3 人工島嶼供水

利用增壓泵站增壓后將自來水送到水塔水柜內(nèi)，再利用重力將水柜內(nèi)的水送出。水塔二次加壓占地面積小，更具經(jīng)濟效益。水塔供水模式可靠、便利且維護成本低，在加壓水泵不能工作時仍可維持供水運作。日本由于國土面積小興建的人工島嶼就更適合水塔供水模式。

2 水塔優(yōu)化設(shè)計

2.1 水柜分層方案設(shè)計

2.1.1 建設(shè)雙層水柜水塔

下層水柜接受給水管網(wǎng)中的自來水，再通過水泵提升至上層水柜，供給用戶。這樣既利用了給水管網(wǎng)中的水壓，又具有較大的經(jīng)濟效益。經(jīng)過實際調(diào)研，給水管網(wǎng)常年水壓在14 m 以上的居住小區(qū)（居住人口在300～1 200 人），建設(shè)雙層水塔有較高的實用價值。

2.1.2 水柜合理分格方案

很多大型工廠為了減免事故和火災(zāi)的發(fā)生設(shè)置事故水塔,可起到關(guān)鍵作用。通過在水柜內(nèi)部進行合理的分格，儲備正常用水和消防用水，也可選擇在同一支筒上下不同高度建立多水柜，以滿足不同使用功能需求。

2.2 增強水塔抗震性能

為了增強地震作用下水塔的穩(wěn)定性，通常在塔體下游回填一定量的混凝土把塔體和巖體連接成一個整體[8]。對水塔進行回填有利于結(jié)構(gòu)的抗震和穩(wěn)定[9]?？紤]到不同的黏彈性邊界豎向地震作用對水塔影響很大，回填高度不能過高也不能過低，其合理高度一般在0.82 ～0.95 范圍內(nèi)[10]。

2.3 水塔滲透問題處理新工藝

采用有機硅新型防水劑與注漿相結(jié)合的方法，對已完工水塔出現(xiàn)的滲透問題進行處理。 （1）注入水泥漿。將素水泥漿注入砼滲透水的各個部位，在一定的壓力作用下，將漿壓入流水的“孔道”中。（2）利用有機硅防水劑和新的施工工藝，重新完成防水層或局部防水層的施工。這種工藝所用的材料在市面上易于購得、成本低、操作方法簡單、耗工少、工期短、滲透處理完5 天后可試水使用[11]。

2.4 增加供水量

不同水塔的進水管數(shù)目不同，如果為了增加供水量新增出水管，不僅施工困難，且容易導(dǎo)致水柜與出水管的連接部位滲漏。但是將水塔內(nèi)部的溢水管改成進出水管和外部管網(wǎng)相連接，并且在水柜的池壁上新增溢水管，這種施工比較方便，即使出現(xiàn)滲漏也容易處理，不影響正常供水（見圖1）。同時在水塔標準設(shè)計時，在水塔的進出管道與水塔水柜的連接處適當增加一個三通，加大管道安裝回旋余地，為將來增加用水量預(yù)留接管條件，為改造水塔增加進出水管提供方便，是最經(jīng)濟、可靠之舉（見圖2）。同時也要考慮加壓水泵的供水能力是否滿足新增數(shù)量的要求，如不滿足，要及時更換增加水泵[12]。

圖1 水塔改造

圖2 水塔進出水管增加三通

2.5 清洗水源新構(gòu)造

水塔在使用過程中，水箱內(nèi)不可避免的會有污染物的沉積和附著，定期清洗對保證水質(zhì)非常重要。水箱清洗時，清洗水源來自水塔本身的進水管，直接由水泵通過進水管輸入水箱內(nèi)部，之后關(guān)閉閥門，進行下一道清洗。

在檢修時間內(nèi)，必須依靠其他措施對水塔進行供水。通過在水塔頂部水箱蓋板上部空間設(shè)置電源插座，以供潛水泵使用。而水源的正常供給由正常運行的其他分格水箱承擔[13]。

2.6 特殊鏡面材料的應(yīng)用

將經(jīng)過特殊鍍層處理的鏡面材料覆蓋水塔水柜，降低水柜內(nèi)部水溫，防止由于外界溫度過高而產(chǎn)生水體污染和爆管現(xiàn)象。該鏡面材料由若干層極薄的材料制成，第一層為銀反射膜，然后是二氧化硅和氧化絡(luò)的交替層。這種鏡面材料能反射97% 的可見光。當二氧化硅溫度升高時，它會通過約10 μm 波長的紅外線輻射釋放熱量，但大氣中幾乎沒有物質(zhì)可以吸收這一波長的紅外線，所以這種鏡面能輕松的把熱量輸送至大氣層和外太空[14]。

3 水塔的改造再生

隨著城市的發(fā)展，水塔除了發(fā)揮儲水功能外，也可形成文化服務(wù)，其本身所蘊含的意義也在不斷變化[15]。它不僅是工業(yè)設(shè)施，還是戰(zhàn)爭場所、城市地標、民眾集體記憶之所，它在旅游文化方面更體現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展性。

由于水塔占地狹小且具有區(qū)域供水的實際功能，有其特殊的存在空間。通過對不同價值構(gòu)成的水塔進行改造，使其煥發(fā)新生。水塔的改造再生要實現(xiàn)可持續(xù)性，應(yīng)根據(jù)不同的條件做出實際性和針對性的改造，不能簡單盲目地以所謂的創(chuàng)意文化園區(qū)或者主題博物館命名，造成水塔改造的僵化和單一。

3.1 結(jié)合當?shù)靥厣?/h3>

球形水塔是指水塔的水箱為球形殼體結(jié)構(gòu)，按建筑材料可分為鋼球形和鋼筋混凝土球形等。鋼筋混凝土球形水塔加上外裝飾后，別具風(fēng)格。通過在水箱上部增加觀光臺設(shè)施，伴隨夜晚的燈光，既美觀又可欣賞城市夜景。例如成都火車南站結(jié)合當?shù)乜釔圩闱虻奶攸c，為鋼筋混凝土球形水塔外裝飾為足球（見圖3），已成為當?shù)氐貥诵越ㄖ16]。

圖3 球形水塔

3.2 生態(tài)觀景塔

以色列將Bat Yam 的Ramat HaNasy 水塔改造為“生態(tài)觀景塔”（見圖4）。由于水塔高聳的結(jié)構(gòu)特點，使其成為該地區(qū)的地標和地區(qū)景觀的匯集點。以水塔來維持現(xiàn)有的生態(tài)多樣性，并強化該片地區(qū)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。通過保留水塔的原始構(gòu)造，在內(nèi)部設(shè)計了一個螺旋向上的階梯觀景廊道系統(tǒng)[17]，人們在攀登時可以從不同方向觀測鳥類和野生動物。更具新意的是在水塔水柜頂部設(shè)置雙層表面，冬季雨水池也成為了生態(tài)棲息系統(tǒng)的一部分。

圖4 生態(tài)觀景塔

3.3 校園水塔咖啡廳

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的校園水塔咖啡廳也是一個典型案例（見圖5）。如果簡單地把水塔改造成校園博物館，會缺乏新穎和活力，難以和校園生氣蓬勃、活力向上的氛圍相融合。將水塔改造成咖啡廳，在某種意義上將工業(yè)建筑轉(zhuǎn)型成娛樂休閑場所，使它的實用價值得到延伸[18]。

圖5 校園水塔咖啡廳

4 結(jié)論

水塔是最早的二次供水系統(tǒng)，目前采用的無塔供水模式都是以水塔供水模式為藍本，多種技術(shù)與學(xué)科相結(jié)合，不斷創(chuàng)新而來。不能因為二次供水等新興設(shè)備的出現(xiàn)，而“一刀切”采用新設(shè)備，這樣極有可能造成“水土不服”，不僅達不到預(yù)期效果還浪費人力、電力和水資源。

然而水塔供水模式也存在浪費市政管網(wǎng)水壓、消防用水不足、抗震性能較差、易滲透、供水量不足、清洗困難、需要保溫措施等缺點，應(yīng)進行相應(yīng)改進措施的研究。

水塔的改造再生要實現(xiàn)可持續(xù)性，應(yīng)符合實際和具有針對性，對已建水塔的改造可結(jié)合當?shù)靥厣?，而超過使用年限的水塔需根據(jù)地理環(huán)境位置、承載的文化歷史和工業(yè)記憶等因素進行綜合改造。國外的生態(tài)觀景塔和國內(nèi)的校園水塔咖啡廳都是優(yōu)秀的改造案例，可供參考。