我国东部滨海城市由于城市化建设早, 早期排水系统多采用雨污合流制, 老旧城区拆迁困难, 短时间内无法实现雨污分流系统的构建^[1,2,3]。此时, 近期实行污水截流, 结合远期雨污分流改造, 彻底解决污水入海问题, 成为控制近海水体黑臭的有效手段^[4,5]。基于此, 本文结合指南及相关设计规范, 以厦门某排海管涵截流提升改造工程为例, 系统介绍排海管涵的截流改造设计, 以期为滨海城市排海管涵截流改造工程提供参考。

本项目位于厦门本岛东侧, 地处厦门高端金融中心。区域排水情况现状:现状6-d1 800排海管涵汇流面积约为3.03km²。上游雨污水混接、城中村 (岭兜村及何厝 (上何) 等) 尚未实现雨污分流, 导致雨污水混流排入排海箱涵, 雨污水混流情况见图1, 实测旱流污水量见表1。

现状管渠排海前设有现状闸门及4 500 m³/d截污泵站, 雨水向南通过3—d3 200管道排入香山游艇码头南侧海域, 截流污水通过DN250污水压力管道输往污水提升泵站。由表1可知, 现状排海管涵实测晴天生活污水量约5 200m³/d, 大于现状截流泵站截流能力, 无法满足实际截流要求, 污水溢流入海, 造成排海口附近水体黑臭。

在吕岭路近环岛路处的排海箱涵上设有现状截流闸门井, 晴天时闸门关闭, 防止海水倒灌。污水及初期雨水通过截流管流入截流泵站, 经提升后排入前埔污水泵站, 继而进入污水处理厂进行处理。雨天时截流闸门井内闸门打开, 雨水通过现状箱涵排放入海域。如图2所示。

合流制截流溢流排水口应有效提高合流制截流系统的截流倍数, 保证旱天不向水体溢流。此外, 由于短时间内无法实现雨污分流, 故应适当考虑远期截污泵站扩容需求。

截流井下游管渠的设计流量采用式 (1) 计算^[6]:

式中Q′———截流井后管渠的设计流量, L/s;

n₀———截流倍数;

Q′₀———截流井后汇水面积的雨水设计流量, L/s;

Q_s———截流井前的旱流污水设计流量, L/s;

Q′_dr———截流井后汇水面积的旱流污水设计流量, L/s。

截流倍数取n₀=2, 截流井下游无汇水流量, 计算得设计流量Q′为1.56万m³/d, 现状截流泵站截流能力为4 500 m³/d, 则需新增截污规模1.11万m³/d。适当考虑远期截污泵站扩容需求, 本次新建截流泵站设计规模采用1.5万m³/d。

泵站选址是一个重要环节, 对周围环境卫生、泵房的基建投资及运转管理等影响重大。其不是一个孤立的问题, 而是与城市和工业园区的总体规划、城市和市政污水管道的布置、城市地形、污水出路密切相关。

根据周边用地规划情况, 结合业主意见, 确定符合规划要求的可选用地。

本项目附近用地, 符合规划要求的可选用地有2处:A处为奥林匹克博物馆外公共绿地, B处为;香山游艇码头正门 (现状泵站旁) 。

分析比较可选用地的施工建设条件、基建投资及运维管理、城市和市政污水管道的布置以及对周边环境的影响等, 确定泵站位置。施工建设条件主要考虑用地协调难易程度、施工水电供应等;基建投资及运转管理主要考虑施工技术难度、主要工程量、运营管理等;社会影响包括建设期及运营期对交通、居民生活、生态环境等的影响。

本项目采用评分评估法综合分析可选用地各项指标, 各评价指标满分5分, 得分越高, 对项目越有利。截污泵站选址比选及打分情况如表2所示。

综合分析可选用地, 选址A总得分高, 项目符合性好, 各项指标均无明显不利项。本项目推荐选址A奥林匹克博物馆外公共绿地。

泵房形式一般分为预制泵站和传统现浇泵站, 根据不同形式泵站的施工周期、占地面积、使用寿命等特点, 结合项目实际建设条件及建设要求, 科学选择泵站形式, 见表3。

预制泵站较传统泵站集成度高, 占地面积小, 土建量少, 配套设备少, 运行费用低, 无栅渣外运, 对周边环境影响小。

施工工期和用地范围是本项目关键的限制因素, 设计采用一体化预制泵站。

泵站进出水管管径除了应满足过流能力、流速等水力条件外, 还应适当考虑远期扩容空间。流速v计算见式 (2) ^[6]:

式中R———水力半径, m;

i———水力坡降;

n———粗糙系数。

由于短时间内无法实现雨污分流, 故应适当考虑远期截污扩容空间, 本次泵站进水管采用d800, 出水压力管采用DN500截流流量Q′=174L/s, 截流管管径800mm, 坡度0.5%, 截留管到按满流计算, 球墨铸铁管n=0.013, 则管道流量934.57L/s, 管道流速1.86m/s, 满足近、远期截流要求。

出水压力管流量Q′=174L/s, 管径500mm, 球墨铸铁管n=0.013, 根据Q=Av, 则管道流速0.89m/s, 满足出水压力管流速0.7～2.0 m/s的要求^[6]。

泵站扬程与泵站出水的去向密切相关。当出水接入重力管道时, 应设置泄压井, 扬程计算应考虑这部分损失;当出水接入压力管道时, 接入点位置的泵站出水压力管水头应与现状压力管道匹配。泵站出水压力管水头太小, 不利于泵站正常出水, 甚至无法出水;泵站出水压力管水头太大, 影响现状压力管正常排水。因此应特别注意, 需要校核现状压力管接入泵站出水后对下游管道的影响。

新建截流泵站扬程通过式 (3) 进行计算:

式中H———水泵扬程, m;

H₁———压水管接入现状DN600管处压力水头, m;

H₂———吸水池最低水位与接入点标高差, m;

h₁———吸水管水头损失, m, 取0.2m;

h₂———出水管水头损失, m;

h₃———安全水头, m, 取0.5～1.0m。

本项目新建截流泵站设计规模:Q=1.5万m³/d, 截流泵站接入现状d600污水压力管的接入点处, 管中心标高3.95m, 即新建出水压力管d500中心标高3.95m, 泵站进水管d800底标高-0.36m。

泵站出水接入的现状污水压力管为上游污水提升泵站的出水管。该污水提升泵站规模2万m³/d, K_z=1.49, 设计流量1 241.6m³/h, 2用1备, 单泵流量620m³/h, 扬程13.5m, 吸水池最低水面标高0.47m, 出水压力管管径600 mm, 采用玻璃钢夹砂管。

式中q———设计流量, m³/s;

l———管段长度, m;

d_j———管道计算内径, m;

C_h———海曾-威廉系数。

根据式 (4) ^[7], 取粗糙系数n=0.01, C_h=150, 计算污水压力管出口至新建泵站压力管出水管接入点的管道沿程损失h₀=1.53m, 则压水管接入现状DN600管处压力水头H₁=8.49m;吸水池最低水位与接入点标高差H₂=5.81m。

截流污水压力管出口至接入点处的管道沿程损失通过式 (5) 计算:

式中α———比阻, s/m²;

q———设计流量, m³/s;

l———管段长度, m。

采用球墨铸铁管, 取α=0.044 0, 计算得h₂=0.15m。

将以上数据代入式 (3) 中, 得新建截流泵站设计扬程H=15.15m, 本次设计取16m。

现状DN600污水压力管流量为0.34m³/s, 本次截留污水1.5万m³/d接入后, 现状DN600污水压力管流量增至0.51 m³/s, 流速v=Q/A=1.8m/s, 满足压力管流速要求。

现状DN600污水压力管流量增大后, 接入点至泄压井管道沿程损失根据式 (4) 计算得H=0.3m。接入点处DN600管中心标高3.95 m, 泄压井处DN600管中心标高4.91m, 则现状DN600污水压力管流量增大后, 泄压井处剩余压力水头为H=8.11m。

故本次截流污水量接入现状DN600污水压力管后, 不影响下游管网的正常运行。

水泵采用自动控制, 有效容积应根据水泵每小时最大启停次数确定。根据我国现行的泵站相关设计规范, 水泵机组采用自动控制, 每小时开动水泵不得超过6次^[6]。计算见式 (6) ^[9]:

式中V_Eff———泵站有效容积, m³;

Q_p———泵站最大1台泵的泵送流量, m³/h;

Z_max———水泵每小时最大启停次数。

本次设计集水井内设4台水泵机位, 3用1备, 水泵参数:Q=208.4m³/h, 设计扬程:H=16m, 功率13kW。集水井有效容积V_Eff=8.68m³, 有效水深h=0.77 m。泵房净尺寸:直径3.8 m, 高度9.86m。地下部分深9.66m, 采用玻璃钢, 见表4。

截流泵站出水压力管与现状污水压力管交汇处, 除接入管压力水头与现状管基本一致外, 还应注意保持良好的水力条件。

现状污水压力管为DN600玻璃钢夹砂管, 泵站出水管为DN500球墨铸铁管, 采用异形哈夫节连接, 连接角为45°。施工时, 选择污水流量小、污水提升泵站间歇工作时段, 采用哈夫节破管连接, 见图3。

现状检查井高2.96 m, 宽度14.38 m, 上游管道内底标高-0.70m, 截流管道标高-0.70 m, 下游排海管闸门关闭, 水位上升, 新建截流泵站结合现状泵站共同发挥截流功能。

本次设计泵站调试完毕后, 进行截污管施工, 采用车载式强力水泵临时抽吸现状检查井内雨污混流水, 并利用下游截流泵站及闸门加强水位控制。水位下降后于检查井室内围堰, 进行截污管破井连接施工, 见图5。

为彻底解决污水入海问题, 控制滨海城市近海水体黑臭, 应优先推行雨污分流。在短时间内无法实现雨污分流的情况下, 建议采用近远期相结合的方式:近期进行污水截流, 结合远期雨污分流, 从根本上控制污水入海。排海管涵截流改造设计应注意以下几点:

(1) 截污流量应以实际旱流污水流量为设计依据, 不应简单采用若干初期雨水量。

(2) 截流泵站出水接入现状污水压力管道, 接入点压力水头应尽量保持一致, 同时必须校核对下游管线的影响。

(3) 一体化泵站占地少、建设周期短、自动化控制程度高, 在截流提升改造中优势明显。

(4) 截流泵站的运行模式应充分考虑现状管网的排水及污水处理厂的处理能力。