天津市海河教育園區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為天津市規劃建設的現代高等教育和職業教育園，位于天津市津南區。根據規劃，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、生態型、創新型實驗區，園區內水系發達，有衛津河、幸福河、勝利河等過境河道。為了美化環境，區內建設了許多景觀河道。景觀河道流動性差，水域面積相對小，水環境容量小、水體自凈能力低，污染嚴重時會發生水體富營養化，水中藻類大量繁殖，水體變黑變臭，影響周圍的自然環境和園區生活環境。為了改善景觀水體環境，維護水體質量，該工程綜合考慮景觀水體水量的平衡和水質的控制等要求，建設多功能雨水泵站。根據規劃，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

2.1 功能需求分析

海河教育園一年中7、8月為雨季，年內降水多集中在這兩個月，占全年降水的60%以上。汛期內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、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。

為了充分發揮雨水泵站功能，改善景觀水體水質，雨水泵站與河道設計相結合，實現三方面的功能：

(1)雨季收集雨水管道內雨水后，提升排至過境河道；

(2)旱季抽取過境河道內水體，補充近期控規單元內景觀水體；

(3)非補水季節，滿足景觀水體的循環功能(調水功能)。

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)

根據規劃，該工程區域內雨水管渠設計重現期為1 a，流量公式：

式中：F——匯水面積，hm2；

ψ——徑流系數。

2#泵站匯水面積約320 hm2，根據區內植被情況，綜合徑流系數確定為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的控制，要保證景觀水體的水質達標，又盡可能使系統優化運行，達到系統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在自然蒸發與水體滲漏等方面，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)的蒸發量，m3；

W2——景觀河道的底部和側壁在一段時期(Td)的滲漏量 m3；

W3——在一段時期(Td)內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，在補水周期內忽略河道接納雨水量，根據計算2#泵站一個周期內損耗水量為92 000 m3。補水周期內，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 維持河道生態流速所需水量

水體流速的大小與水華發生快慢之間存在一定的關系，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，隨流速增大不再發生大的變化。可見為水體循環設定合理的流速可以從一定程度上防止水體的富營養化[1]。

鑒于景觀水體的水流速度緩慢，可以通過人工調控改變水體水動力條件，使水體不停循環流動，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，該工程將河道生態流速定為：0.04m/s。根據景觀河道斷面面積，確定維持河道生態流速所需水量W5。

根據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臺水泵變頻調節流量，在補水季節用于補充景觀水，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°，箱涵內底標高0.10 m。雨水出流箱涵延伸至勝利河規劃河道邊線，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)在暴雨季節將雨水強排至過境河道勝利河。

開啟3#、4#出水閘門，關閉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，水泵流量根據補充水量及循環水量確定。

4 結語

多功能雨水泵站，結合景觀河道設計，在暴雨季節強排雨水，在旱季補充景觀河道水體改善水體生態環境，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驗，建立數據模型及通過實驗手段進一步研究水體流速對河道水質的影響以獲取補水水量,以及河道生態經濟流速。

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