天津市海河教育園區(qū)多功能雨水泵站設計

朱五星

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海200092)

1 背景

天津市海河教育園區(qū)為天津市規(guī)劃建設的現(xiàn)代高等教育和職業(yè)教育園，位于天津市津南區(qū)。根據(jù)規(guī)劃，教育園排水體制采用雨污分流制，一期工程建設雨水泵站3座，設計規(guī)模分別為7.2 m3/s、10.3 m3/s及6.0 m3/s，建設污水泵站1座，設計規(guī)模2萬m3/d，工程總投資約7 500萬元，該工程已建成并投入運行。

海河教育園為海河南岸人文型、生態(tài)型、創(chuàng)新型實驗區(qū)，園區(qū)內(nèi)水系發(fā)達，有衛(wèi)津河、幸福河、勝利河等過境河道。為了美化環(huán)境，區(qū)內(nèi)建設了許多景觀河道。景觀河道流動性差，水域面積相對小，水環(huán)境容量小、水體自凈能力低，污染嚴重時會發(fā)生水體富營養(yǎng)化，水中藻類大量繁殖，水體變黑變臭，影響周圍的自然環(huán)境和園區(qū)生活環(huán)境。為了改善景觀水體環(huán)境，維護水體質(zhì)量，該工程綜合考慮景觀水體水量的平衡和水質(zhì)的控制等要求，建設多功能雨水泵站。根據(jù)規(guī)劃，1#、2#雨水泵站設計為多功能雨水泵站。本文以2#雨水泵站為例簡單介紹多功能雨水泵站的設計。

2 多功能泵站設計參數(shù)

2.1 功能需求分析

海河教育園一年中7、8月為雨季，年內(nèi)降水多集中在這兩個月，占全年降水的60%以上。汛期內(nèi)一般不需考慮向景觀水體補充再生水；在春秋兩季非汛期(包括 3、5、6、9、10、11月)由于蒸發(fā)、滲透水量遠遠大于降水量，故需以過境河道水補充。冬季三個月(12、1、2月)屬于冰凍期，可以不考慮補水。

為了充分發(fā)揮雨水泵站功能，改善景觀水體水質(zhì)，雨水泵站與河道設計相結(jié)合，實現(xiàn)三方面的功能：

(1)雨季收集雨水管道內(nèi)雨水后，提升排至過境河道；

(2)旱季抽取過境河道內(nèi)水體，補充近期控規(guī)單元內(nèi)景觀水體；

(3)非補水季節(jié)，滿足景觀水體的循環(huán)功能(調(diào)水功能)。

2.2 雨水泵站設計流量

雨量公式采用天津市雨量公式：

q=3841(1+0.85lgP)/(t+17)0.85(L/s·hm2)

根據(jù)規(guī)劃，該工程區(qū)域內(nèi)雨水管渠設計重現(xiàn)期為1 a，流量公式：

式中：F——匯水面積，hm2；

ψ——徑流系數(shù)。

2#泵站匯水面積約320 hm2，根據(jù)區(qū)內(nèi)植被情況，綜合徑流系數(shù)確定為0.7，可計算確定2#雨水泵站設計流量為10.3m3/s。

2.3 設計補充水量

景觀水體的維護主要包括水量的平衡和水質(zhì)的控制，要保證景觀水體的水質(zhì)達標，又盡可能使系統(tǒng)優(yōu)化運行，達到系統(tǒng)的常年運行費用最少。補充水量由河道損耗水量及維持河道生態(tài)流速水量決定。

2.3.1 河道損耗水量的確定

景觀河道的水量損耗主要體現(xiàn)在自然蒸發(fā)與水體滲漏等方面，景觀河道的損耗水量如下式：

式中：W1——景觀河道在一段時期(Td)的蒸發(fā)量，m3；

W2——景觀河道的底部和側(cè)壁在一段時期(Td)的滲漏量 m3；

W3——在一段時期(Td)內(nèi)景觀河湖接納的雨水量，m3；

W4——景觀河道在一段時期(Td)的補充水量，m3。

根據(jù)景觀河道長度，水面面積，滲透截面等可計算損耗水量，設計補水周期30 d，在補水周期內(nèi)忽略河道接納雨水量，根據(jù)計算2#泵站一個周期內(nèi)損耗水量為92 000 m3。補水周期內(nèi)，維持時間為20 d，則補水時間為10 d，每天補水1.5 h，則補水損耗流量為1.7 m3/s。

2.3.2 維持河道生態(tài)流速所需水量

水體流速的大小與水華發(fā)生快慢之間存在一定的關(guān)系，增加水體的流速可以在一定程度上抑制藻類的生長，延緩水華的發(fā)生。

隨流速的增大，藻類生長速度逐漸減緩，當流速增大到一定值后，藻類生長速度達到最低點并基本維持該速度，隨流速增大不再發(fā)生大的變化。可見為水體循環(huán)設定合理的流速可以從一定程度上防止水體的富營養(yǎng)化[1]。

鑒于景觀水體的水流速度緩慢，可以通過人工調(diào)控改變水體水動力條件，使水體不停循環(huán)流動，過高的流速會增加運行費用。綜合考慮運行費用及水動力條件要求，該工程將河道生態(tài)流速定為：0.04m/s。根據(jù)景觀河道斷面面積，確定維持河道生態(tài)流速所需水量W5。

根據(jù)2#泵站補充景觀河道斷面，可確定維持河道流速所需水量為1.8m3/s。

3 泵站設計及運行模式

3.1 雨水泵房設計(見圖1)

圖1 泵房平面設計圖

雨水泵站進水來自支三路DN2600雨水總管(管底標高-5.80 m)，接入泵房進水閘門井，進水閘門井設置2臺2 000 mm×2 500 mm的手電二用鑄鐵鑲銅閘門。

進水閘門井后設置2臺鋼絲繩牽引格柵除污機，用于截取進水中的漂浮垃圾與沉積于井底的雜物等。單臺設備寬度B=2 300 mm，柵條有效間隙b=70mm，安裝角α=75°，電機功率N=4.5 kW。

室外地坪標高3.00m，泵房頂板標高3.20m。過格柵后最高水位-3.2 m。雨水泵站設計流量10.83 m3/s，H=7.9 m，設 4臺潛水軸流泵，單臺流量Q=2.7m3/s。其中1臺水泵變頻調(diào)節(jié)流量，在補水季節(jié)用于補充景觀水，潛水軸流泵的出口設置4只DN1400 mm不銹鋼拍門，避免出水倒流。

在雨水泵房集水池與出水井之間設DN1500岔道管，作為補充水管。進水井側(cè)墻處設1套DN1500手電兩用鑄鐵鑲銅圓閘門。該閘門雙向受壓。

出水箱涵采用雙孔2.5m×2.5m～雙孔2.5m×5.0 m出水漸擴箱涵，總長約103 m，擴散角約10°，箱涵內(nèi)底標高0.10 m。雨水出流箱涵延伸至勝利河規(guī)劃河道邊線，勝利河設計最高水位為2.3m，平均水位為0.9m，一般情況下出口處為淹沒出流，出口流速為0.45m/s。景觀補充水管道為1根DN1400管道頂管過勝利河后進入景觀河道。

3.2 雨水泵站運行模式

2#雨水泵站運行模式如下：

(1)在暴雨季節(jié)將雨水強排至過境河道勝利河。

開啟3#、4#出水閘門，關(guān)閉1#、2#閘門，雨水通過潛水軸流泵提升至勝利河。

(2)在非雨季將雨水排至景觀河道。

開啟3#、5#出水閘門，關(guān)閉2#、4#閘門，雨水通過潛水軸流泵提升至景觀河道。

(3)在旱季將過境水體補充至景觀水體。

當勝利河水位高于景觀河道水位時，開啟1#、4#出水閘門，關(guān)閉 2#、3#、5#閘門，雨水自流至景觀河道。

當勝利河水位低于景觀河道水位時，開啟1#，2#，3#出水閘門，關(guān)閉 4#，5#閘門，雨水通過潛水軸流泵提升至景觀河道，水泵流量根據(jù)補充水量及循環(huán)水量確定。

4 結(jié)語

多功能雨水泵站，結(jié)合景觀河道設計，在暴雨季節(jié)強排雨水，在旱季補充景觀河道水體改善水體生態(tài)環(huán)境，提高了雨水泵站建設投資效益和利用率。建議在今后的設計中進一步積累實踐經(jīng)驗，建立數(shù)據(jù)模型及通過實驗手段進一步研究水體流速對河道水質(zhì)的影響以獲取補水水量,以及河道生態(tài)經(jīng)濟流速。

[1]司彥杰.城市景觀水體維護及優(yōu)化運行研究[D].天津：天津大學，2007.