海綿城市下一種便于沖洗淤泥的調(diào)蓄池設(shè)計(jì)

王明明，史志立，王 東

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065）

海綿城市是一個(gè)新興的城市水資源管理概念，可以讓城市更好地適應(yīng)暴風(fēng)雨等強(qiáng)降水自然災(zāi)害，其遵照生態(tài)優(yōu)先等原則，在確保城市防澇安全的前提下，盡可能地讓雨水在城市區(qū)域儲(chǔ)存、滲透和凈化，合理地利用和保護(hù)雨水資源[1]。作為城市建設(shè)方式和發(fā)展理念轉(zhuǎn)型的重要標(biāo)志，目前，全國制定了海綿城市建設(shè)方案的城市已有130 多個(gè)[2]。

雨水調(diào)蓄池主要用于調(diào)蓄和儲(chǔ)存雨水，是海綿城市排水系統(tǒng)的一部分，能緩解城市洪澇災(zāi)害，提高雨水利用率，是海綿城市建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容[3]。在每次降雨調(diào)蓄和放排空之后，調(diào)蓄池底會(huì)沉積一層淤泥，需要耗費(fèi)大量的人力、物力清除。從保護(hù)水環(huán)境的角度考慮，須盡快地除去池內(nèi)的淤泥，否則在下一次降雨時(shí)，污染物會(huì)被帶入水體，同時(shí)淤積的沉積物會(huì)影響調(diào)蓄池的功能[4]。因此，調(diào)蓄池的清洗設(shè)計(jì)是雨水調(diào)蓄池設(shè)計(jì)中非常重要的內(nèi)容。

1 現(xiàn)階段常見的調(diào)蓄池沖洗方式

調(diào)蓄池內(nèi)調(diào)蓄的初雨或合流污水含有大量的固體懸浮物（SS），由于調(diào)蓄池排空時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)蓄池底部不可避免地會(huì)發(fā)生沉積。這就需要對(duì)池底進(jìn)行沖洗，以避免淤泥長(zhǎng)時(shí)間沉積在底部。調(diào)蓄池沖洗設(shè)備主要利用水力沖刷作用，對(duì)底部進(jìn)行沖洗。其主要設(shè)備有如下幾種類型。

1.1 水力翻斗沖洗

水力翻斗設(shè)置在調(diào)蓄池頂部，由開口向翻斗注水，達(dá)到設(shè)計(jì)的注水量后，翻斗和翻斗內(nèi)的水的合成重心偏向翻斗的開口，此時(shí)翻斗傾翻，水從翻斗的開口傾瀉而出，從而將調(diào)蓄池池底的固體污染物沖走[5]。該沖洗方式單位水量沖洗勢(shì)能大，操作方便，但存在沖洗水量小、沖洗距離短、需外接水源等缺點(diǎn)，渠道寬度也受到一定的限制[6]。

1.2 水力沖洗門

水力沖洗門設(shè)置在調(diào)蓄池底部，通過蓄存水的勢(shì)能突然釋放形成沖刷。該沖洗方式需要設(shè)置存水池、蓄水廊道，存水池深度蓄水有限制，沖洗水位一般為2～3 m，沖洗強(qiáng)度較弱，沖洗長(zhǎng)度一般不大于150 m。沖洗門一般是進(jìn)口設(shè)備，初期投資較高[6]。設(shè)備位于水下，易被污染損壞[7]。

1.3 真空沖洗

真空沖洗系統(tǒng)的調(diào)蓄池由存水室、雨水儲(chǔ)存區(qū)和沖洗水排放區(qū)組成。當(dāng)儲(chǔ)存區(qū)中的水位升高時(shí)，真空泵啟動(dòng)，將存水室中的空氣抽空，調(diào)蓄池中的水在大氣壓的作用下壓入存水室，存儲(chǔ)系統(tǒng)被抽空的同時(shí)，真空閥便會(huì)打開，存水室內(nèi)的真空被破壞，此時(shí)存水室的水依靠重力迅速釋放勢(shì)能，在調(diào)蓄池底部產(chǎn)生水平?jīng)_洗波，對(duì)池底進(jìn)行清洗。真空沖洗設(shè)備具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單、沖洗水量大、沖洗勢(shì)能大等特點(diǎn)，真空室施工質(zhì)量要求略高，適合于大型調(diào)蓄池[5]。

1.4 智能噴射器沖洗系統(tǒng)

智能噴射器沖洗系統(tǒng)一般安裝于調(diào)蓄池底部，利用高速的氣液混合物對(duì)調(diào)蓄池底部進(jìn)行沖洗攪拌，不僅可以自動(dòng)全面沖洗，而且可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地沖刷。噴射器有較多移動(dòng)部件，需要維護(hù)的設(shè)備較多，不易于維護(hù)[5]。設(shè)備位于水下，易被污染損壞，不易檢修，并且需建造沖洗水儲(chǔ)水池，運(yùn)行成本較高[7]。

2 設(shè)計(jì)原理

國內(nèi)外采取的清洗方式并無明顯異同，本文主要針對(duì)水流直接沖刷清洗的方式，對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)對(duì)調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，利用蓄水所具有的水頭，從正面和底部?jī)蓚€(gè)方向沖擊淤泥。打開閘門正式?jīng)_水前，先打開閥門，利用底部管道將水引至池底，豎直沖擊淤泥，使淤泥隆起，不僅減小了淤泥與池底的接觸面積，降低了摩擦力，還增大了正面水流沖擊淤泥的面積。預(yù)處理使得正式?jīng)_水時(shí)，淤泥在正面水流沖擊的作用下更容易被帶走。沖洗原理如圖1所示。

圖1 沖洗原理圖

改進(jìn)后調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)如圖2所示，從上游至下游有雨箱、水位傳感器及其自動(dòng)化系統(tǒng)、閘門、閥門、底部管道、蓄水室、沖水豎管和尾水槽。

圖2 調(diào)蓄池平面圖

雨箱主要提供沖洗需水，水箱有上下兩部分開口，分別通過閘門和閥門控制水流，上部開口為清洗水流進(jìn)入沖水廊道提供通道，開口下緣與廊道最高點(diǎn)齊平，能夠提供完全覆蓋廊道的水流；下部開口連接底部入水管道，管道延伸分布至廊道中，其上有豎向分支細(xì)管連接至沖水廊道表面，為節(jié)約空間和節(jié)省水頭，按梅花樁形交錯(cuò)分布布置。

水位傳感器及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用國外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。底部管道利用連通器原理，在水箱中蓄有較高水頭的水時(shí)，打開閥門開關(guān)，在水頭差的作用下，在豎管出口處產(chǎn)生射流，水流產(chǎn)生的向上的沖擊力將使得受沖擊底泥局部隆起，底泥間的內(nèi)力將沖擊力傳遞至周圍底泥。

閘門、閥門均由自動(dòng)化系統(tǒng)控制其啟閉。當(dāng)雨箱中的水位到達(dá)一定高度時(shí)，其就會(huì)將信息反饋到控制中心，控制閘門和閥門的啟閉。沖水廊道與閘門連接，設(shè)計(jì)為一斜坡，坡度保證沖水廊道中水的流態(tài)，便于后續(xù)銜接，同時(shí)也能保證水流有足夠的沖擊力作用于底泥。尾水槽主要接收來自上游的清洗水流，起到緩沖作用并將其向外排出。具體實(shí)施過程如下。

第一次暴雨前，閘門處于開啟狀態(tài)，調(diào)蓄池底部的兩個(gè)閥門和后閘門關(guān)閉，等待暴雨停止后關(guān)閉前閘門，開啟后閘門，放空調(diào)蓄池，此時(shí)雨箱中保持第一次暴雨結(jié)束后的水位。

第二次暴雨，等雨箱中的水上升到一定高度（根據(jù)實(shí)際情況水位傳感器預(yù)設(shè)的壓力所對(duì)應(yīng)的高度），保證了水有較大的勢(shì)能?？刂葡到y(tǒng)將根據(jù)水位傳感器的電信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)依次執(zhí)行開啟調(diào)蓄池底部的前閥門和前后閘門動(dòng)作（前閥門和前后閘門的開啟間隔時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況，如調(diào)蓄池的長(zhǎng)度、大小及管道的長(zhǎng)度粗細(xì)等設(shè)置延時(shí)，以確保豎向管道始終保持較大的壓強(qiáng)），對(duì)調(diào)蓄池底部進(jìn)行雙向沖洗。

沖洗完成后，開啟前閘門，關(guān)閉后閘門進(jìn)行本次暴雨的蓄水。待本次暴雨結(jié)束后進(jìn)行泄水。如此一來，在暴雨每次來臨，調(diào)蓄池進(jìn)行蓄水時(shí)都會(huì)利用天然雨水高效沖洗上次暴雨所堆積的淤泥。另外，為了防止淤泥堵塞管道，調(diào)蓄池每次泄水完成以后可以打開前后閥門，同時(shí)稍微開啟前閘門進(jìn)行管道的沖洗。沖洗完成后，等待下一次蓄水。

往復(fù)循環(huán)以上操作即可實(shí)現(xiàn)調(diào)蓄池的蓄水和自動(dòng)沖洗。

3 結(jié)果分析

利用模型試驗(yàn)，設(shè)置對(duì)照組和試驗(yàn)組。對(duì)照組將豎管封堵，只打開前閘門和后閘門，模擬原有的單向沖洗方式。試驗(yàn)組打開豎管，模擬改進(jìn)后的雙向沖洗方式。池底大致均勻鋪設(shè)1 cm 厚、60 cm 長(zhǎng)的黏土，每組沖洗15 次，記錄直到池底淤泥完全沖洗干凈時(shí)的用水量。

由初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到，采用改進(jìn)后的雙向沖洗單次用水量大約是單向沖洗的1/3，節(jié)約了大量水。此外，改進(jìn)后的調(diào)蓄池沖洗效果更好，運(yùn)行管理更加方便，一定程度上減少了勞動(dòng)力的投入。

4 結(jié)論

能源時(shí)代，節(jié)約能源就是創(chuàng)造能源，節(jié)能是未來的發(fā)展主流。我國是一個(gè)用水量較多但又干旱缺水嚴(yán)重的國家，發(fā)展高效節(jié)水、經(jīng)濟(jì)用水是急需尋求突破的問題[8]。該設(shè)計(jì)最大化利用天然水頭，有效提高了原型調(diào)蓄池的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。無需提供外部動(dòng)力，符合當(dāng)代節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，可以推廣運(yùn)用到污水沉淀池、沖沙池等的建設(shè)中。

目前，我國的海綿城市建設(shè)還處于發(fā)展期，技術(shù)與發(fā)展尚不成熟，已建的大部分海綿城市都屬于試點(diǎn)[9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)試點(diǎn)建設(shè)的海綿城市中有許多城市仍然有內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生。因此，對(duì)海綿城市任何一個(gè)部分的優(yōu)化改進(jìn)，都將推動(dòng)其加快發(fā)展，達(dá)到目標(biāo)要求。改良后的調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，底部管道部分設(shè)計(jì)成本低，自動(dòng)化程度高，便于維護(hù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將自動(dòng)控制原理應(yīng)用到海綿城市中，有利于科學(xué)、實(shí)時(shí)地進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)進(jìn)行故障排除，提高運(yùn)行可靠性，推動(dòng)海綿城市更快更好建設(shè)，其具有較好的應(yīng)用前景。