天津市海河教育园区多功能雨水泵站设计

朱五星

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海200092)

1 背景

天津市海河教育园区为天津市规划建设的现代高等教育和职业教育园，位于天津市津南区。根据规划，教育园排水体制采用雨污分流制，一期工程建设雨水泵站3座，设计规模分别为7.2 m3/s、10.3 m3/s及6.0 m3/s，建设污水泵站1座，设计规模2万m3/d，工程总投资约7 500万元，该工程已建成并投入运行。

海河教育园为海河南岸人文型、生态型、创新型实验区，园区内水系发达，有卫津河、幸福河、胜利河等过境河道。为了美化环境，区内建设了许多景观河道。景观河道流动性差，水域面积相对小，水环境容量小、水体自净能力低，污染严重时会发生水体富营养化，水中藻类大量繁殖，水体变黑变臭，影响周围的自然环境和园区生活环境。为了改善景观水体环境，维护水体质量，该工程综合考虑景观水体水量的平衡和水质的控制等要求，建设多功能雨水泵站。根据规划，1#、2#雨水泵站设计为多功能雨水泵站。本文以2#雨水泵站为例简单介绍多功能雨水泵站的设计。

2 多功能泵站设计参数

2.1 功能需求分析

海河教育园一年中7、8月为雨季，年内降水多集中在这两个月，占全年降水的60%以上。汛期内一般不需考虑向景观水体补充再生水；在春秋两季非汛期(包括 3、5、6、9、10、11月)由于蒸发、渗透水量远远大于降水量，故需以过境河道水补充。冬季三个月(12、1、2月)属于冰冻期，可以不考虑补水。

为了充分发挥雨水泵站功能，改善景观水体水质，雨水泵站与河道设计相结合，实现三方面的功能：

(1)雨季收集雨水管道内雨水后，提升排至过境河道；

(2)旱季抽取过境河道内水体，补充近期控规单元内景观水体；

(3)非补水季节，满足景观水体的循环功能(调水功能)。

2.2 雨水泵站设计流量

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)

根据规划，该工程区域内雨水管渠设计重现期为1 a，流量公式：

式中：F——汇水面积，hm2；

ψ——径流系数。

2#泵站汇水面积约320 hm2，根据区内植被情况，综合径流系数确定为0.7，可计算确定2#雨水泵站设计流量为10.3m3/s。

2.3 设计补充水量

景观水体的维护主要包括水量的平衡和水质的控制，要保证景观水体的水质达标，又尽可能使系统优化运行，达到系统的常年运行费用最少。补充水量由河道损耗水量及维持河道生态流速水量决定。

2.3.1 河道损耗水量的确定

景观河道的水量损耗主要体现在自然蒸发与水体渗漏等方面，景观河道的损耗水量如下式：

式中：W1——景观河道在一段时期(Td)的蒸发量，m3；

W2——景观河道的底部和侧壁在一段时期(Td)的渗漏量 m3；

W3——在一段时期(Td)内景观河湖接纳的雨水量，m3；

W4——景观河道在一段时期(Td)的补充水量，m3。

根据景观河道长度，水面面积，渗透截面等可计算损耗水量，设计补水周期30 d，在补水周期内忽略河道接纳雨水量，根据计算2#泵站一个周期内损耗水量为92 000 m3。补水周期内，维持时间为20 d，则补水时间为10 d，每天补水1.5 h，则补水损耗流量为1.7 m3/s。

2.3.2 维持河道生态流速所需水量

水体流速的大小与水华发生快慢之间存在一定的关系，增加水体的流速可以在一定程度上抑制藻类的生长，延缓水华的发生。

随流速的增大，藻类生长速度逐渐减缓，当流速增大到一定值后，藻类生长速度达到最低点并基本维持该速度，随流速增大不再发生大的变化。可见为水体循环设定合理的流速可以从一定程度上防止水体的富营养化[1]。

鉴于景观水体的水流速度缓慢，可以通过人工调控改变水体水动力条件，使水体不停循环流动，过高的流速会增加运行费用。综合考虑运行费用及水动力条件要求，该工程将河道生态流速定为：0.04m/s。根据景观河道断面面积，确定维持河道生态流速所需水量W5。

根据2#泵站补充景观河道断面，可确定维持河道流速所需水量为1.8m3/s。

3 泵站设计及运行模式

3.1 雨水泵房设计(见图1)

图1 泵房平面设计图

雨水泵站进水来自支三路DN2600雨水总管(管底标高-5.80 m)，接入泵房进水闸门井，进水闸门井设置2台2 000 mm×2 500 mm的手电二用铸铁镶铜闸门。

进水闸门井后设置2台钢丝绳牵引格栅除污机，用于截取进水中的漂浮垃圾与沉积于井底的杂物等。单台设备宽度B=2 300 mm，栅条有效间隙b=70mm，安装角α=75°，电机功率N=4.5 kW。

室外地坪标高3.00m，泵房顶板标高3.20m。过格栅后最高水位-3.2 m。雨水泵站设计流量10.83 m3/s，H=7.9 m，设 4台潜水轴流泵，单台流量Q=2.7m3/s。其中1台水泵变频调节流量，在补水季节用于补充景观水，潜水轴流泵的出口设置4只DN1400 mm不锈钢拍门，避免出水倒流。

在雨水泵房集水池与出水井之间设DN1500岔道管，作为补充水管。进水井侧墙处设1套DN1500手电两用铸铁镶铜圆闸门。该闸门双向受压。

出水箱涵采用双孔2.5m×2.5m～双孔2.5m×5.0 m出水渐扩箱涵，总长约103 m，扩散角约10°，箱涵内底标高0.10 m。雨水出流箱涵延伸至胜利河规划河道边线，胜利河设计最高水位为2.3m，平均水位为0.9m，一般情况下出口处为淹没出流，出口流速为0.45m/s。景观补充水管道为1根DN1400管道顶管过胜利河后进入景观河道。

3.2 雨水泵站运行模式

2#雨水泵站运行模式如下：

(1)在暴雨季节将雨水强排至过境河道胜利河。

开启3#、4#出水闸门，关闭1#、2#闸门，雨水通过潜水轴流泵提升至胜利河。

(2)在非雨季将雨水排至景观河道。

开启3#、5#出水闸门，关闭2#、4#闸门，雨水通过潜水轴流泵提升至景观河道。

(3)在旱季将过境水体补充至景观水体。

当胜利河水位高于景观河道水位时，开启1#、4#出水闸门，关闭 2#、3#、5#闸门，雨水自流至景观河道。

当胜利河水位低于景观河道水位时，开启1#，2#，3#出水闸门，关闭 4#，5#闸门，雨水通过潜水轴流泵提升至景观河道，水泵流量根据补充水量及循环水量确定。

4 结语

多功能雨水泵站，结合景观河道设计，在暴雨季节强排雨水，在旱季补充景观河道水体改善水体生态环境，提高了雨水泵站建设投资效益和利用率。建议在今后的设计中进一步积累实践经验，建立数据模型及通过实验手段进一步研究水体流速对河道水质的影响以获取补水水量,以及河道生态经济流速。

[1]司彦杰.城市景观水体维护及优化运行研究[D].天津：天津大学，2007.