雨水集蓄利用虹吸式沉沙池结构原理及优化设计

周录文，王军德

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

1 问题提出

雨水集蓄利用技术是我国西北干旱半干旱区域用于农业生产生活的非常规水资源利用技术，旨在解决区域水资源禀赋条件不足的问题，同时为解决我国黄土高原区水资源短缺提供了有力支撑。受农村人口分布较为分散，集中供水成本较大等因素制约，甘肃省仍有近100万人生活生产用水依赖雨水水源。

传统沉沙池由于设计原因，过大会导致对窖水供给不足影响农民用水量，过小又会导致沉沙时间不够，水质中0.05mm以下粒径泥沙含量过高影响农民用水水质。因此，本文将结合当地水窖集蓄工程特点，基于成本控制和水量水质保障前提，通过设计优化虹吸式沉沙池技术，从而提升雨水利用水质，为农村安全饮水提质增效提供技术支持。

2 设计思路

基于雨水利用农村安全饮水工程中，窖水0.05mm以下粒径泥沙是影响水质安全的重要因子。在雨水集蓄利用沉沙池设计中，采用虹吸管技术，结合设计雨量和工程规模，确定虹吸管入口水位(H1)和超设计雨量进水管控制水位(H2)，从而减少水体中0.05mm以下粒径泥沙含量这一现实难题。

3 虹吸式沉沙池工作原理

利用升降式虹吸管将沉淀池中沉淀1～3d的雨水中上层清水吸入水窖。虹吸式沉沙池规模根据设计沉沙水量计算确定，进水方式实行人工升降控制。虹吸式沉沙池结构示意如图1所示。

图1 虹吸式沉沙池设计原理示意图

3.1 虹吸管控制原理

将进水软管置于高于超越进水管的预埋挂钩上，降雨结束待沉沙池中水质变清，根据水质状况及进水要求，人工控制进水软管高度，虹吸管开始工作，直到沉沙池水位接近淤泥面时收起进水软管，停止进水。

3.2 超越管进水工作原理

当一次降水量超过设计雨量时，沉沙池水位达到H2。此时，降水已进入后期，集流面得到冲洗，雨水中泥沙含量很小，集蓄雨水可通过超越管(超设计雨量进水管)直接入窖。

3.3 分质进水口工作原理

沉沙池进水口按“品”字形设置，2低1高，下部2个Φ50mm孔为正常进水口，上部设置超越进水管口，可视雨水水质情况实行分质进水。当降雨量小于设计雨量时，水流进入沉沙池；当降雨量大于设计雨量时，沉沙池蓄满，正常进水口雍水，打开超越进水管口，将清水引入水窖。

4 虹吸式沉沙池结构设计

4.1 设计雨量确定

设计雨量是虹吸式沉沙池容积设计的主要技术参数，通常设计雨量根据区域单次降雨量分级(小于5mm，5～10mm，10～15mm，大于15mm)发生频率加以确定。

4.2 沉沙池尺寸确定

以单户雨水安全集蓄利用为例，其沉沙池引水流量可按式(1)计算确定：

Q=1.667×10-5·I·S·E

(1)

式中，Q—设计集流面上的汇水流量，m3/s；E—集流面集流效率，用小数表示；S—引水渠控制汇流区域的集水面积，m2；I—设计降雨强度，mm/min，结合当地降水特性确定。

根据沉沙池水流特性与影响沉淀效率因素的分析，沉沙池长度按式(2)计算确定：

(2)

式中，Q—引水流量，m3/s；B—沉沙池宽度，m；vc—水平流速，m/s。

在实际设计中，若H值过小，将使水流紊乱，不利于泥沙沉淀的同时增加成本。经过综合比较，结合实际经验，确定满足单户雨水安全集蓄利用的沉沙池池深1.0m，长宽比2∶1比较适宜。

据此，沉沙池的设计尺寸为：H=1.0m，L=2×B。将前述条件带入式(2)可得：

(3)

满足前述式(3)要求的沉沙池结构，可起到良好的沉沙效果，为雨水水质安全提供重要支撑条件。

4.3 虹吸管入口水位(H1)和超设计雨量进水管控制水位(H2)确定

为获得较好水质，超设计雨量进水管控制水位H2可取沉砂池深度H，虹吸管入口水位H1取值视集流面与单次降雨量情况而定，一般在0.35～0.7之间。若屋顶由瓦覆盖，院内混凝土硬化且整洁、干净，则H1可取小值，否则取大值。

4.4 施工工艺确定

参考SL 269—2001《水利水电工程沉沙池设计规范》，为施工方便，虹吸式沉沙池设计为矩形混凝土结构，底板设有2%倒坡。其中底板、侧墙采用C15混凝土现浇结构，厚度分别为10cm、6cm；盖板采用C25预制钢筋混凝土，厚度6cm。超越进水管采用PE管，直径DN50；升降式虹吸管采用软质塑料管，直径采用DN20。

为方便管理和确保水质，软质虹吸管上设有控制阀，可吊置于闸阀井内预埋挂钩上。运行时可根据降雨量、集水量及水中泥沙含量，选择运行方式，确定加药数量。

5 定西市雨水集蓄人饮工程沉砂池设计

5.1 设计雨强确定

以安定区和礼县为例，降水多以小雨为主，对2015年4—9月全部52场次降雨进行分析，其中≤5mm降雨31场次，占总场次的59.6%，5～10mm降雨9场次，占总场次的17.3%，单次降雨≥10mm降雨12场次，占总场次的23.1%，设计雨量采用5mm比较合适；而礼县降水量较大，单次降雨量在5～10mm的出现频率为65.0%，设计雨量采用10mm为宜。

5.2 虹吸式沉砂池尺寸确定

结合公式(1)，定西市满足安全饮水的单户利用模式设计集流面积为380m2，综合集流效率近似按0.70计算，则5mm设计雨量情况下的可集水量为1.33m3；礼县降雨量较大，设计集流面积为200m2，综合集流效率为0.75，则10mm设计雨量情况下的可集水量为1.50m3。为规范沉沙池尺寸，方便施工和推广应用，虹吸式沉沙过滤池的蓄水容积可定为1.60m3。

根据式(3)，虹吸式沉沙池长度L=1.80m。考虑综合条件，最后确定虹吸式沉沙池结构尺寸长L=2.0m，宽B=1.0m，深H=0.80m。

5.3 水位确定

H2取0.80m，考虑到安定区和礼县单户屋顶通常为小青瓦且院内集流面多为混凝土，H1取0.55m。

6 结语

(1)虹吸式沉沙池结构型式，可有效降低直径小于0.05mm的泥沙进入水窖泥沙的比例，尽可能减少水窖的清淤次数，从而显著降低雨水集蓄利用工程的运行成本，提升雨水利用效率和窖水水质。

(2)虹吸式沉沙池清淤工作量小，便于操作，且升降式虹吸软管可随时调整虹吸高度，方便不同蓄水情况下向水窖放水。