雨水集蓄利用虹吸式沉沙池結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)化設(shè)計

周錄文，王軍德

(甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 問題提出

雨水集蓄利用技術(shù)是我國西北干旱半干旱區(qū)域用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的非常規(guī)水資源利用技術(shù)，旨在解決區(qū)域水資源稟賦條件不足的問題，同時為解決我國黃土高原區(qū)水資源短缺提供了有力支撐。受農(nóng)村人口分布較為分散，集中供水成本較大等因素制約，甘肅省仍有近100萬人生活生產(chǎn)用水依賴雨水水源。

傳統(tǒng)沉沙池由于設(shè)計原因，過大會導(dǎo)致對窖水供給不足影響農(nóng)民用水量，過小又會導(dǎo)致沉沙時間不夠，水質(zhì)中0.05mm以下粒徑泥沙含量過高影響農(nóng)民用水水質(zhì)。因此，本文將結(jié)合當(dāng)?shù)厮鸭罟こ烫攸c，基于成本控制和水量水質(zhì)保障前提，通過設(shè)計優(yōu)化虹吸式沉沙池技術(shù)，從而提升雨水利用水質(zhì)，為農(nóng)村安全飲水提質(zhì)增效提供技術(shù)支持。

2 設(shè)計思路

基于雨水利用農(nóng)村安全飲水工程中，窖水0.05mm以下粒徑泥沙是影響水質(zhì)安全的重要因子。在雨水集蓄利用沉沙池設(shè)計中，采用虹吸管技術(shù)，結(jié)合設(shè)計雨量和工程規(guī)模，確定虹吸管入口水位(H1)和超設(shè)計雨量進(jìn)水管控制水位(H2)，從而減少水體中0.05mm以下粒徑泥沙含量這一現(xiàn)實難題。

3 虹吸式沉沙池工作原理

利用升降式虹吸管將沉淀池中沉淀1～3d的雨水中上層清水吸入水窖。虹吸式沉沙池規(guī)模根據(jù)設(shè)計沉沙水量計算確定，進(jìn)水方式實行人工升降控制。虹吸式沉沙池結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 虹吸式沉沙池設(shè)計原理示意圖

3.1 虹吸管控制原理

將進(jìn)水軟管置于高于超越進(jìn)水管的預(yù)埋掛鉤上，降雨結(jié)束待沉沙池中水質(zhì)變清，根據(jù)水質(zhì)狀況及進(jìn)水要求，人工控制進(jìn)水軟管高度，虹吸管開始工作，直到沉沙池水位接近淤泥面時收起進(jìn)水軟管，停止進(jìn)水。

3.2 超越管進(jìn)水工作原理

當(dāng)一次降水量超過設(shè)計雨量時，沉沙池水位達(dá)到H2。此時，降水已進(jìn)入后期，集流面得到?jīng)_洗，雨水中泥沙含量很小，集蓄雨水可通過超越管(超設(shè)計雨量進(jìn)水管)直接入窖。

3.3 分質(zhì)進(jìn)水口工作原理

沉沙池進(jìn)水口按“品”字形設(shè)置，2低1高，下部2個Φ50mm孔為正常進(jìn)水口，上部設(shè)置超越進(jìn)水管口，可視雨水水質(zhì)情況實行分質(zhì)進(jìn)水。當(dāng)降雨量小于設(shè)計雨量時，水流進(jìn)入沉沙池；當(dāng)降雨量大于設(shè)計雨量時，沉沙池蓄滿，正常進(jìn)水口雍水，打開超越進(jìn)水管口，將清水引入水窖。

4 虹吸式沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 設(shè)計雨量確定

設(shè)計雨量是虹吸式沉沙池容積設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)，通常設(shè)計雨量根據(jù)區(qū)域單次降雨量分級(小于5mm，5～10mm，10～15mm，大于15mm)發(fā)生頻率加以確定。

4.2 沉沙池尺寸確定

以單戶雨水安全集蓄利用為例，其沉沙池引水流量可按式(1)計算確定：

Q=1.667×10-5·I·S·E

(1)

式中，Q—設(shè)計集流面上的匯水流量，m3/s；E—集流面集流效率，用小數(shù)表示；S—引水渠控制匯流區(qū)域的集水面積，m2；I—設(shè)計降雨強(qiáng)度，mm/min，結(jié)合當(dāng)?shù)亟邓匦源_定。

根據(jù)沉沙池水流特性與影響沉淀效率因素的分析，沉沙池長度按式(2)計算確定：

(2)

式中，Q—引水流量，m3/s；B—沉沙池寬度，m；vc—水平流速，m/s。

在實際設(shè)計中，若H值過小，將使水流紊亂，不利于泥沙沉淀的同時增加成本。經(jīng)過綜合比較，結(jié)合實際經(jīng)驗，確定滿足單戶雨水安全集蓄利用的沉沙池池深1.0m，長寬比2∶1比較適宜。

據(jù)此，沉沙池的設(shè)計尺寸為：H=1.0m，L=2×B。將前述條件帶入式(2)可得：

(3)

滿足前述式(3)要求的沉沙池結(jié)構(gòu)，可起到良好的沉沙效果，為雨水水質(zhì)安全提供重要支撐條件。

4.3 虹吸管入口水位(H1)和超設(shè)計雨量進(jìn)水管控制水位(H2)確定

為獲得較好水質(zhì)，超設(shè)計雨量進(jìn)水管控制水位H2可取沉砂池深度H，虹吸管入口水位H1取值視集流面與單次降雨量情況而定，一般在0.35～0.7之間。若屋頂由瓦覆蓋，院內(nèi)混凝土硬化且整潔、干凈，則H1可取小值，否則取大值。

4.4 施工工藝確定

參考SL 269—2001《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》，為施工方便，虹吸式沉沙池設(shè)計為矩形混凝土結(jié)構(gòu)，底板設(shè)有2%倒坡。其中底板、側(cè)墻采用C15混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，厚度分別為10cm、6cm；蓋板采用C25預(yù)制鋼筋混凝土，厚度6cm。超越進(jìn)水管采用PE管，直徑DN50；升降式虹吸管采用軟質(zhì)塑料管，直徑采用DN20。

為方便管理和確保水質(zhì)，軟質(zhì)虹吸管上設(shè)有控制閥，可吊置于閘閥井內(nèi)預(yù)埋掛鉤上。運行時可根據(jù)降雨量、集水量及水中泥沙含量，選擇運行方式，確定加藥數(shù)量。

5 定西市雨水集蓄人飲工程沉砂池設(shè)計

5.1 設(shè)計雨強(qiáng)確定

以安定區(qū)和禮縣為例，降水多以小雨為主，對2015年4—9月全部52場次降雨進(jìn)行分析，其中≤5mm降雨31場次，占總場次的59.6%，5～10mm降雨9場次，占總場次的17.3%，單次降雨≥10mm降雨12場次，占總場次的23.1%，設(shè)計雨量采用5mm比較合適；而禮縣降水量較大，單次降雨量在5～10mm的出現(xiàn)頻率為65.0%，設(shè)計雨量采用10mm為宜。

5.2 虹吸式沉砂池尺寸確定

結(jié)合公式(1)，定西市滿足安全飲水的單戶利用模式設(shè)計集流面積為380m2，綜合集流效率近似按0.70計算，則5mm設(shè)計雨量情況下的可集水量為1.33m3；禮縣降雨量較大，設(shè)計集流面積為200m2，綜合集流效率為0.75，則10mm設(shè)計雨量情況下的可集水量為1.50m3。為規(guī)范沉沙池尺寸，方便施工和推廣應(yīng)用，虹吸式沉沙過濾池的蓄水容積可定為1.60m3。

根據(jù)式(3)，虹吸式沉沙池長度L=1.80m。考慮綜合條件，最后確定虹吸式沉沙池結(jié)構(gòu)尺寸長L=2.0m，寬B=1.0m，深H=0.80m。

5.3 水位確定

H2取0.80m，考慮到安定區(qū)和禮縣單戶屋頂通常為小青瓦且院內(nèi)集流面多為混凝土，H1取0.55m。

6 結(jié)語

(1)虹吸式沉沙池結(jié)構(gòu)型式，可有效降低直徑小于0.05mm的泥沙進(jìn)入水窖泥沙的比例，盡可能減少水窖的清淤次數(shù)，從而顯著降低雨水集蓄利用工程的運行成本，提升雨水利用效率和窖水水質(zhì)。

(2)虹吸式沉沙池清淤工作量小，便于操作，且升降式虹吸軟管可隨時調(diào)整虹吸高度，方便不同蓄水情況下向水窖放水。