地下水應(yīng)急水源地建設(shè)工程設(shè)計實例

張震芳，胡一越，彭廣勇

(1．湖南省建筑設(shè)計院有限公司，長沙 410011；2．上海城建市政工程(集團)有限公司，上海 200065)

1 前 言

近年來水環(huán)境突發(fā)污染事故頻發(fā)，水污染事故威脅城市供水安全，嚴重影響了社會的正常生產(chǎn)與生活。應(yīng)急供水成為當(dāng)前我國城市供水行業(yè)面臨的一個新挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對水源突發(fā)污染事件風(fēng)險，保障城市供水的安全，必須主動采取相應(yīng)措施，應(yīng)對可能發(fā)生的水源突發(fā)污染事故，開發(fā)應(yīng)急處理技術(shù)和工藝，建立健全應(yīng)急處理設(shè)施，全面提升應(yīng)對突發(fā)污染事件的能力[1-2]。尤其是對于單一供水水源地城市，建立健全應(yīng)對突然污染導(dǎo)致的供水風(fēng)險的策略、工程建設(shè)、處理工藝等是必要的基本手段。本文以南通市某區(qū)(主城區(qū))地下水應(yīng)急水源地設(shè)計建設(shè)工程為例進行總結(jié)凝練，提出地下水應(yīng)急水源地設(shè)計建設(shè)思路和運行管理經(jīng)驗方法，以供參考。

南通市某區(qū)的主城區(qū)通過5條供水主線路(分別為通如引江供水工程、通州專線工程、通呂線通州段輸水工程、通洋線通州段輸水工程和通久線通州段輸水工程)現(xiàn)已納入南通市市域供水的范圍，市域內(nèi)正在運行的6座水廠(分別為崇海、狼山、洪港、蘆涇、長青沙、海門長江水廠)均以長江為水源地，水源地單一，難以應(yīng)對長江大面積突發(fā)性污染事件。為提升南通市某區(qū)供水水源的應(yīng)急保障能力，南通市某區(qū)(主城區(qū))提出建設(shè)地下水應(yīng)急水源地工程。

2 應(yīng)急水源規(guī)模分析

確定應(yīng)急供水水源的規(guī)模是進行應(yīng)急水源地建設(shè)的基本要素之一。本工程應(yīng)急水源供水服務(wù)范圍為南通市某區(qū)的主城區(qū)，服務(wù)人口為28.04萬人。

本工程擬定應(yīng)急供水時保障對象為：(1)在突發(fā)事件或其它非常情況引發(fā)供水危機時優(yōu)先保證生活用水及重要生命線工程(醫(yī)院、電力、通信、消防等)用水；(2)依據(jù)區(qū)域供水管網(wǎng)，應(yīng)急供水覆蓋全部供水服務(wù)范圍；(3)應(yīng)急供水規(guī)模應(yīng)滿足特大事故造成的極端應(yīng)急狀態(tài)下的城市供水的基本要求，不考慮高峰供水；(4)應(yīng)急供水的居民生活用水，采用降低標準供應(yīng)，保障基本生活之需。

據(jù)此，參考類似城市(“類似城市”指城市經(jīng)濟發(fā)展水平和用水定額相當(dāng)?shù)某鞘?應(yīng)急供水水量[3]，確定本工程應(yīng)急供水定額為80L/(人·d)，應(yīng)急三產(chǎn)系數(shù)為0.22，未預(yù)見水量及漏損系數(shù)取0.15，根據(jù)上述參數(shù)，測算出應(yīng)急需水量為3.15萬m3/d。上述數(shù)據(jù)已獲得當(dāng)?shù)卣鷱?fù)。

考慮到主城區(qū)內(nèi)現(xiàn)有深水井取水量為6 720m3/d，故南通市某區(qū)主城區(qū)地下水應(yīng)急水源地建設(shè)工程的工程規(guī)模取2.5萬m3/d。

本工程擬建位置試驗井單井取水量為1 920m3/d，需要的深水井?dāng)?shù)量為13口，同時需設(shè)置2口備用井(備用井由建設(shè)單位另行擇址建設(shè))。

3 應(yīng)急水源處理工藝流程

應(yīng)急水源地處理工藝技術(shù)是保障應(yīng)急供水的基本手段。在進行應(yīng)急水源地規(guī)劃設(shè)計建設(shè)的過程中，必須對水源地的水質(zhì)進行深入的調(diào)研、監(jiān)測，設(shè)計相應(yīng)的處理工藝以及工程措施，以保證突然事件發(fā)生時，能快速啟動，并確保供水水質(zhì)安全。在本工程設(shè)計中，根據(jù)試驗井水質(zhì)檢測報告，發(fā)現(xiàn)除鐵元素含量(鐵元素含量采用原子吸收法進行測定，檢測結(jié)果為1.20mg/L)超過《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)中的要求外，其余指標均滿足標準要求。但需要注意的是，深水井內(nèi)的水抽上地面一段時間后，原水的色度和濁度指標發(fā)生較大變化，具體的檢測數(shù)據(jù)及方法見下表。

表 深井水色度和濁度比對分析表Tab. Colors and turbidity of measured deep well water

注：鉑鈷標準比色法來源于《生活飲用水標準檢驗方法 感官性狀和物理指標》(GB/T 5750.4-2006)；濁度采用DR -3900型濁度計進行檢驗。

由表1可知，對抽出來的深井水立即進行色度與渾濁度的檢測，與在空氣中靜置半小時后再進行色度與渾濁度的檢測，檢測數(shù)據(jù)顯示該兩項水質(zhì)指標發(fā)生較大的變化。分析其原因，主要是由于鐵元素超標，鐵元素在深水井中以二價的鐵離子存在，抽上地面后，迅速被空氣中的氧氣氧化成三價的鐵離子，形成氫氧化鐵沉淀，由于氫氧化鐵呈黃色，導(dǎo)致深水井內(nèi)的水抽上地面后在短時間內(nèi)就發(fā)黃，變渾，導(dǎo)致色度和渾濁度、鐵元素均超過《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)的要求。

將在空氣中氧化的水樣經(jīng)砂濾柱(砂濾柱采用粒徑為0.6～1.2mm、厚度為1m的石英砂濾料)過濾后，再進行鐵元素和渾濁度的檢測，過濾前鐵元素含量為1.2mg/L，渾濁度為8.20NTU，過濾后鐵元素含量為0.05mg/L，渾濁度為0.14NTU。上述試驗表明，采用傳統(tǒng)的曝氣除鐵濾池能夠有效的去除本工程水中的鐵元素[4]，因此，本工程采用曝氣除鐵濾池，經(jīng)過曝氣除鐵濾池氧化、過濾及后續(xù)消毒處理后，出水的所有指標能夠滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)的要求。

工藝流程為：深水井井群內(nèi)的井水經(jīng)深井潛水泵提升后，初期井水通過DN150排污出水管及其DN300連接管排至外河；經(jīng)檢測合格符合《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-2017)要求的后期井水通過DN150清水出水管及其DN800連接干管輸送至曝氣除鐵濾池，跌水、曝氣、氧化、過濾除鐵后重力自流至清水池，在清水池內(nèi)接觸消毒，經(jīng)增壓泵房增壓后通過出泵站管線輸送至市政供水管網(wǎng)上。

當(dāng)夜間供水低峰時，也可將市政供水管網(wǎng)的自來水通過井群DN800的連接干管接至曝氣除鐵濾池，重力流至清水池，在供水高峰期時通過增壓泵房增壓后供至市政供水管網(wǎng)。

其流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Water treatment process

4 應(yīng)急水源工程設(shè)計

工程建設(shè)內(nèi)容：(1)新建13口深水井(每口取水量為1 920m3/d，總?cè)∷?.5萬m3/d，另外兩口備用深水井由建設(shè)單位擇址另建)。(2)新建處理規(guī)模為2.5萬m3/d的曝氣除鐵濾池1座。(3)新建單座有效容積為2 500m3的清水池2座。(4)新建規(guī)模為2.5萬m3/d的增壓泵房1座(K時為1.5)。(5)新建規(guī)模為2.5萬m3/d的次氯酸鈉加注間1座。(6)配套新建DN800的出泵站管線3.67km以及綜合樓、門衛(wèi)、進場道路等其他附屬設(shè)施。

4.1 深水井設(shè)計

單個深水井設(shè)計取水能力為1 920m3/d，井室凈尺寸3.8m(長)×2.5m(寬)×1.6m(深)。出水管分為兩路，一路為排污管，一路為清水出水管，深水井出水管管路上的閥門均設(shè)于井室內(nèi)。深水井井群內(nèi)的井水通過深井潛水泵提升，深井潛水泵安裝在動水位以下25m。

每個深水井DN150的清水出水管均接至一根DN800的井群連接干管上，然后輸送至曝氣除鐵濾池；每個深水井DN150的排污出水管均接至一根DN300的井群連接干管上，然后就近排至外河。

4.2 曝氣除鐵濾池設(shè)計

曝氣除鐵濾池設(shè)計規(guī)模：2.5萬m3/d。

曝氣池進水管管徑DN800，接自13口深水井DN150清水出水管匯集的DN800干管。

曝氣池跌水高度：1.5m；曝氣池跌水后直接進入除鐵濾池進水渠。

除鐵濾池分為三格，每格過濾面積為12.9m×6m，正常過濾時濾速為4.49m/h，強制濾速為6.73m/h，濾層上水深1.70m。采用較慢的濾速主要是為了保證除鐵濾池在運行前期也有較好的除鐵效果[5]，因為本工程為應(yīng)急供水工程，并不經(jīng)常運行。

除鐵濾池承托層采用2～32mm砂石，厚度0.6m，過濾層采用粒徑0.6～1.2mm的石英砂，粒徑d10為0.85mm，不均勻系數(shù)K80為1.4，厚度1.0m。

除鐵濾池采用大阻力配水系統(tǒng)。

除鐵濾池在晚間供水低峰時進行反沖洗，反沖洗周期為48h，反沖洗強度為17m3/m2·h。

4.3 次氯酸鈉加注間設(shè)計

建設(shè)規(guī)模2.5萬m3/d。

消毒采用次氯酸納溶液，次氯酸納投加點為5處，一處設(shè)在曝氣除鐵濾池進水總管上，投加量2mg/L(有效氯)，兩處設(shè)在清水池進水管上(每座清水池進水管上一處)，投加量2mg/L(有效氯)，兩處設(shè)在清水池出水管上(每座清水池出水管上一處)，投加量1mg/L(有效氯)。

5 項目實施和運行管理經(jīng)驗

在進行應(yīng)急水源的建設(shè)過程中，對水源地進行有效的運行維護管理是確保應(yīng)急時快速啟動的重要保障。以地下水作為應(yīng)急水源，為防止地下水的過度開采，保證應(yīng)急供水的水量和水質(zhì)要求，需完成的主要工作有：(1)進行地下水資源調(diào)查評價，明確各含水層允許開采量和現(xiàn)狀開采量，計算得出地下水開采潛力指數(shù)，當(dāng)潛力指數(shù)>0時，地下水才具備開采潛力。(2)開鑿試驗井，進行水文地質(zhì)參數(shù)分析與抽水試驗、水位恢復(fù)試驗，發(fā)掘富水性較好的含水層，確定單井抽水量。鑒于施工成本因素，試驗井作“探采結(jié)合井”處理，即按勘探孔鉆探，鉆進至預(yù)定深度后測井，確定含水層位置，然后擴孔，按生產(chǎn)井要求成井，進行洗井和抽水試驗，之后保留作將來的生產(chǎn)井使用。(3)對地下水水質(zhì)進行檢測，并通過合適的處理工藝確保出水水質(zhì)達標。(4)采用管井取水時應(yīng)設(shè)置備用井，備用井的數(shù)量宜參照10%～20%的設(shè)計水量所需井?dāng)?shù)確定，但不得小于1口井。

深水井的實施是保證項目有效運行的關(guān)鍵，深水井井體施工流程如圖2所示。

圖2 深水井井體施工流程[6]Fig.2 Deep well construction process

根據(jù)項目實際情況，得出運行經(jīng)驗主要有：(1)進行深水井的定期抽水工作。每15d每口深水井進行一次抽水，每次抽水時間2h。為避免形成短時的水位降落漏斗，井群的抽水盡可能地輪流分散進行；(2)深水井維護。深水井每(正常)使用2～3年需進行一次維護保養(yǎng)，主要工作為洗井，目的是疏通過濾器和清理沉淀管內(nèi)的泥沙。本項目深水井非正常使用，保養(yǎng)周期宜定為1年2次。同樣，井群輪流進行養(yǎng)護。(3)增設(shè)回水管。為了防止清水池長期不用導(dǎo)致的開裂，特從增壓泵房出水管上增加一路回水管。為防止清水池內(nèi)的水變質(zhì)，清水池內(nèi)的水停留時間也不宜超過48h。(4)進行深井潛水泵的年度保養(yǎng)工作。

通過上述工程及管理措施，可防止深水井濾水管堵塞導(dǎo)致的取水量下降，使得本工程深水井和應(yīng)急供水泵站處于常備用狀態(tài)，一旦需要啟用，可隨時投入運行。

6 結(jié) 論

為了應(yīng)對水源突發(fā)污染事件風(fēng)險，保障城市供水的安全，建立維護應(yīng)急水源地是其中有效的保障手段。本文通過對南通市某區(qū)(主城區(qū))地下水應(yīng)急水源地設(shè)計、建設(shè)以及工程運行管理經(jīng)驗為實例進行總結(jié)凝練，提出以下結(jié)論建議：

6.1 以地表水為單一水源的城市，應(yīng)客觀正視水質(zhì)下降和存在突發(fā)性水源污染的現(xiàn)狀，提前合理規(guī)劃，建設(shè)應(yīng)急水源地作為城市供水備用方案；

6.2 對地下水應(yīng)急水源地應(yīng)高度重視水質(zhì)安全保障的措施，需通過管理措施使得深水井和應(yīng)急供水泵站處于常備用狀態(tài)，本工程相關(guān)設(shè)計和運行經(jīng)驗可供相似情況城市參考。