扶风县污水排水管网系统设计及经济效益浅析

李效强，罗安静

（1.陕西省扶风县河道管理站，陕西 扶风 722299；2.扶风县水政水资源管理站，陕西 扶风 722299）

0 前言

城市排水工程建设是城市赖以生存和发展的重要基本条件，也是城市的基础设施之一，与城市土地开发、经济发展、环境治理和保护密切相关，既为之服务，提高保障条件，又可制约其发展[1,2]。城市排水设施不仅是维护城市生态环境及物质代谢功能的重要前提，而且是维护城市居民生活环境和社会环境的重要设施[3,4]。它的建设和完善将对改善城市投资环境和吸引外资，发展经济具有十分重要的意义。

扶风县位于西安、宝鸡两大中心城市百公里黄金半径点上，毗邻杨凌农业高新技术产业示范区，拥有法门寺这一世界级的旅游品牌，区位、交通、资源等优势独特，发展空间和潜力很大。随着西部大开发的深入持续进行，扶风县在旅游、工业等各方面迅猛发展。由于城市建设步伐的加快，城市配套设施建设的速度已不能满足城市发展，城市配套管网普及率低，有大量污水未经处理排入附近河流，致使相关河流受到不同程度的污染。因此，扶风县计划建设污水处理厂，同时改造和建设相应的配套管网工程，确保在污水排入渭河前进行处理，达到国家相关排放标准后再排放。

1 扶风县排水现状

扶风县还没有建设完善的排水系统，排水系统多为雨污合流，许多街道采用沟渠排水，甚至有部分街区未设任何排水设施，旧有排水系统改造特别困难，污水雨水随街漫流，严重影响人们的生活质量。包含生活污水、生产废水和雨水的合流污水从多处出水口未经处理直接排入七星河，使河流水质下降，尤其是在上游白家窑水库除险加固工程建成蓄水以后，河道流量减小流速减慢，污染进一步加重。扶风县城排水现状可以总结为：（1）城市污水管网普及率低，县城现有排水体制为雨污合流制，排水管网还不甚完善；（2）污水管网改造不到位，现有的排水设施已经跟不上时代的发展，严重的影响了居民生活环境及县城整体形象；（3）部分污水主干管尚未形成，虽然法门寺排水管网已初步形成，但由于下游配套的污水主干管道还不完善，扶风县污水处理厂尚未建成，致使现状排水就近接入水体。

为满足城市可持续发展的更高要求，全面改善城市综合环境质量，保证扶风县的可持续发展，扶风县污水处理厂的建设是非常必要，同时排水管网的完善工作已刻不容缓。

2 污水排水管网系统设计

2.1 工程设计的主要技术指标

本工程设计的基本原则为以现状设施为基础，修建和改造城市污水干管，增设进污水厂干管及大的污水截流干管，提高污水管网普及率和城市污水处理率。以实现城市污水管网普及率85%，城市污水处理率75%为设计目标。根据扶风县排水管网现状，排水系统近期改造的管渠采用雨污合流制。拟建扶风县污水处理厂位于县城东南方韦河下游，城关纸厂西侧，工程场地西靠韦河。该污水处理厂主要服务范围为扶风县老城区、新城区、法门寺镇等三个区域。按照规划，该污水处理厂设计日处理能力为2万m3。

管网全长21.7 km。其中法门寺风景区段总长度为11.3 km；法门寺-新区段8.05 km；小韦河段0.85 km；总干管段1.05 km。该工程设计采用的排水定额为：①生活污水定额：180L/(人·d)；②工业污水标准：城区 0.55万 m3/d，法门镇 0.25万m3/d。该污水处理厂设计日处理能力为2万m3，排水管渠断面尺寸按规划的最大日最大时设计流量进行设计。排污设计流量为生活污水和工业污水设计流量之和，其中生活污水按照居民污水设计流量和生活污水总变化系数下设计人口单位时间排出的污水量计算，工业污水设计流量按照单位产品或加工单位数量原料所排出的平均废水量计算。

居民区生活污水设计流量计算公式为：

式中：Q1为居民区生活污水设计流量；n为居民区生活污水量标准，该值按《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)规定的生活污水定额确定；N为设计人口数，该值根据扶风县项目区城市总体规划采用，法门寺景区支管、小韦河支管、总干管分别取为1000人、1500人、3000人；Kz为生活污水总变化系数，该值根据《室外排水设计规范》（GB 50014-2006）采用的居民区生活污水量总变化系数表选用。

工业污水设计流量计算公式为：

式中：Q2为工业污水设计流量，m为生产过程中每单位产品的废水量标准，该值根据《室外排水设计规范》（GB 50014-2016）废水量定额确定；M为产品的平均日产量；T为每日生产时数；Km为总变化系数，工业废水的日变化系数值一般取为1.0。

根据上述计算公式，计算所得排污管网设计流量见表1。

表1 排污管网设计流量

2.2 管网总体布置

本工程充分利用地形特征，以重力流收集法门寺镇、新城区、老城区的污水，采用集中处理的方式，在下游建一个污水处理厂。管网设计按照远期规模一次性设计、一次施工的原则进行设计。根据各排污区的地理位置分布情况和工程区的地形条件，将排污管线分为两条支线和一个总干管，即：法门寺风景区和新区支管、小韦河支管和排污总干管，管线平面布置图见图1。

图1 管线平面布置图

2.2.1 总干管段设计

排水管的管径，按最大日最大时的污水流量计算。城市排水管网按重力非满流进行设计，城市污水管道水力计算按公式计算：

式中：V为流速，m/s，在本项目中根据《室外排水设计规范》中规定的流速取值，在不同段的取值如表2所示；R为水力半径，m，根据《室外排水设计规范》中水力半径计算和过水断面面积计算公式确定；I为水力坡降，本项目中根据各段的设计底坡和管道长度即可获得水力坡降；n为粗糙系数，该值根据管材特点，按照《室外排水设计规范》中建议取值表确定。

在已知流速、水力坡降及粗糙系数的情况下即可获得管径。各段排水管的底坡、管径、设计流速、设计充满度等参数见表2。《室外排水设计规范》规定当管道半径大于等于1000 mm时，管道最大设计充满度不应超过0.75，从上表可以看出，各项指标均符合规范要求，该段排水管线路设计（见图1）是基本合理的。考虑该段线路位于河道之中，检修条件不理想，因此检查井间距取较小值，除拐点和变坡点外每50 m左右设一个。除拐点和变坡点检查井位不可移动外，其他井位以不切断整根管子为原则，可适当调整，下阶段施工中有用户接入的地方可适当移动或增加检查井。

表2 总干管排水管线设计参数

污水管道最小埋深采用1.0 m，满足最小冻土深度和河道冲刷要求。该段线路沿河道布置，地下水位较高，施工前应进行排水。采用开槽施工，根据该地区类似工程经验，管道横断面开挖坡比，在无支撑的情况下采用1∶2.5（水下）和1∶1.5（水上），以满足临时边坡的稳定要求。根据工作压力、管道直径及上部荷载，管床设置为混凝土基础。县城位于河道右岸，各排污口也沿岸坡分散布置，考虑将分散的排污口先就近集中后，再在各检查井位置接入排污管。

2.2.2 法门寺-新区支管设计

法门寺-新区段支管起点为法门寺风景区主管末端，沿途接纳扶风新区污水，再接入污水总干管。工程设计的第一个任务是修建法门寺风景区内的主管网，收集污水后汇入新区段，并在新区西侧接入；第二个任务是该支管跨河接入总干管的设计。法门寺段起点为法门寺管网系统末端，终点为新城区管网系统，根据线路必选设计，选择基本沿法门寺-县城简易公路布置，管线走较宽阔的农田。该线路方案可完全避开村庄、厂矿企业和沿途土坑、经济林，不存在拆迁问题，征地问题容易解决，且线路最短。

城市污水管道水力计算按下面公式计算管道流速：

式中：V为流速，m/s；R为水力半径，m；I为水力坡降；n为粗糙系数。

排水管道按重力满流进行设计，按远期污水量校核时，采取非满流校核。计算所得管道流速应满足以下的要求：混凝土管最大流速4.0 m3/s，在设计充满度下最小流速0.6 m3/s。排水管的管径，按最大日最大时的污水流量计算。各段排水管的底坡、管径、设计流速、设计充满度等参数见表3。《室外排水设计规范》规定当管道半径在500 mm～900 mm时，管道最大设计充满度不应超过0.70，表3中最大设计充满度均满足规范要求。

表3 法门寺-新区支管排水管线设计参数

污水管道最小埋深采用1.0 m，《建筑给水排水设计规范》（GB 50015-2003）规定建筑给水排水管道深度必须大于0.5 m，该工程满足最小冻土深度和河道冲刷要求。该段线路沿河道布置，地下水位较高，施工前应进行排水。采用开槽施工，根据该地区类似工程经验，本次设计管道横断面开挖坡比，在无支撑的情况下采用1∶2.5（水下）和1∶1.5（水上），以满足临时边坡的稳定要求。根据工作压力、管道直径及上部荷载，管床设置为混凝土基础。

3 工程经济效益分析

根据《建设工程工程量清单计价规范》（GB 50500-2013），基于本工程实际工程数据和工程量，按2007年第四季度价格水平计算，该工程静态总投资2324.6万元，总投资2324.6万元。经济净现值 (ENPV)=未来现金净流量现值-原始投资额现值。计算净现值时，按预定的贴现率对投资项目的未来现金流量进行贴现，预定贴现率是投资者所期望的最低投资报酬率。净现值为正，方案可行，说明方案的实际报酬率高于所要求的报酬率;净现值为负，方案不可取，说明方案的实际投资报酬率低于所要求的报酬率。当净现值为零时，说明方案的投资报酬刚好达到所要求的投资报酬。经济净现值计算公式为：

式中：CI为投入金额；CO为收益金额；i为基准收益率；t为时间。

根据工程总投资金额，每年投入金额为150万元，基准收益率为8%，利用上述净现值计算公式可得经济净现值（ENPV）=698.58万元，该项目净现值大于0。

经济内部收益率计算公式如下：

式中：B为投入金额；C为收益金额；t为时间；EIRR为经济内部收益率。

采用试算法计算上述内部收益率，首先假设一个折现率i值，将i、B、C、n的值代入经济净现值公式进行计算，计算出计算期内净效益现值累计值NPV，若求得NPV=0，说明假设的i即为所求的经济内部收益率，若求得的NPV不为0，再重新假设i代入计算，直到NPV=0为止。

该项目建成后，经济评价结果见表4。

表4 经济评价结果表

由经济评价分析计算结果可以看出，经济内部收益率11.21%大于经济基准收益率8%，经济净现698.58万元大于零，经济效益费用比1.46大于1.0，故该工程在经济上是合理的。

4 结论和建议

由于城市建设步伐的加快，扶风县城市配套管网普及率低，有大量污水未经处理排入附近河流，致使相关河流不同程度的受到污染。因此，扶风县建设污水处理厂，同时相应改造和建设配套管网工程。根据工程设计要点分析，工程设计合理可行。根据经济效益，扶风县污水排水管网工程投资收益率较高，投资回收年限短，同时该项目各项设计合理可行，是一个技术条件优良、投资条件优越、经济效益和社会效益显著的工程项目，具备建设的条件。