一種新型雨水泵站的應用研究

王紹華， 張 棟

（天津市市政工程設計研究院，天津 300392）

隨著城市化快速發(fā)展，自然環(huán)境日益惡化，極端天氣頻發(fā)，城市內(nèi)澇問題日益突出。為有效應對內(nèi)澇風險，《室外排水設計規(guī)范》于2014年進行了修訂，修訂版大幅提高了雨水系統(tǒng)設計重現(xiàn)期并且取消了降雨歷時計算公式中的折減系數(shù)m[1]。據(jù)相關文獻[2]，當折減系數(shù)為1時，設計重現(xiàn)期為1 a的不同時刻設計流量相當于折減系數(shù)為2時重現(xiàn)期1.531～4.028 a的標準，這就直接導致泵站進出水管徑及泵站建設用地大幅增加。然而，由于城市建設用地日益緊張，排水泵站占地面積受到了嚴重制約，傳統(tǒng)泵站直進直出的布置形式難以實施，而不合理的尺寸布置不僅影響水泵性能的有效發(fā)揮，同時會導致泵站建設成本增加[3]，如何有效解決上述矛盾，成為雨水泵站設計中的關鍵因素。

天津市某雨水泵站在設計過程中，采用新型的進出水布置方式，有效解決了上述問題。

1 工程概況

天津市建成區(qū)由于歷史原因，雨水系統(tǒng)標準偏低，局部還存在雨水空白區(qū)，嚴重影響了城市建設和發(fā)展。根據(jù)規(guī)劃需要建設1座雨水泵站，設計流量13.5 m3/s，解決A、B兩地塊雨水排放問題。受雨水管道布置和土地利用的限制，泵站選址位于A、B兩個地塊之間且出水管方向與進水管道方向一致。見圖1。

圖1 雨水系統(tǒng)

雨水主干管管徑A地塊為2 200 mm、B地塊為3 000 mm，A地塊管道埋深為5.88 m、B地塊為6.50 m；泵站出水管徑3 200 mm；地面設計高程4.000 m。

2 泵站布置形式的選擇

2.1 傳統(tǒng)形式泵站

傳統(tǒng)雨水泵站布置形式會將兩個地塊的雨水主干管匯合為一根泵站進水管進入泵站前池，采用直進直出、直進側(cè)出方式，配合壓力轉(zhuǎn)彎井的布置，實現(xiàn)泵站出水管道排水方向的調(diào)整。見圖2。

由圖2可知，采用傳統(tǒng)布置形式的雨水泵站，占地面積約3 168 m2并且由于泵站DN3 000 mm進水管與DN3 200 mm出水管交叉，為避免管線碰撞，需要將DN3 000 mm進水管道埋深由6.5 m增加至9.5 m，導致泵站靜揚程增加3 m。

圖2 傳統(tǒng)雨水泵站布置

2.2 新型進出水形式泵站

為解決傳統(tǒng)形式雨水泵站設計的弊端，結(jié)合泵站進出水管道的特點，設計出一種新型進出水形式的雨水泵站。見圖3。

圖3 新型雨水泵站

雨水經(jīng)進水管道1進入進水閘井2，其后使用閘門3控制進水，隨后雨水通過格柵井4進入集水池6，經(jīng)水泵8提升至出水層中的水泵出水池9。池內(nèi)空氣通過池頂?shù)膹秃吓艢忾y14快速排除，雨水經(jīng)出水閘井10排入壓力出水池12，最后雨水經(jīng)出水管道13排入下游水體[4]。

采用兩側(cè)進水，中間出水的布置形式。平面布局上，將雨水泵站的兩根進水管分別布置在泵池兩側(cè)，將出水管布置于泵池中部，這樣就避免了進出水管線交叉的問題，降低了泵站設計揚程；豎向布局上，將泵池分為兩層，下層為進水區(qū)，主要作為泵站集水池使用，提供安裝水泵的空間，上層為出水區(qū)，用于布置壓力出水池、蝶閥井等構(gòu)筑物，充分利用了上部空間。

應用新型雨水泵站的庭院布置見圖4。

圖4 新型雨水泵站布置

結(jié)合用地形狀，通過優(yōu)化設計，泵站占地面積減少至約2 737 m2，比傳統(tǒng)方案節(jié)約占地13.6%。

3 新型雨水泵站的設計優(yōu)勢

新型雨水泵站除了節(jié)約土地成本，解決進出水管線高程沖突問題，其設計優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

1）節(jié)約工程投資。采用新型進出水方式的泵池埋深10 m，由于距周邊建筑較近，設計采用25 m灌注樁+18 m雙排水泥攪拌樁止水帷幕方式進行基坑支護。經(jīng)測算，泵站工程建設費用為4 362.98萬元。

如采用傳統(tǒng)形式雨水泵站，泵池埋深需調(diào)整為13 m，相應的灌注樁、雙排水泥攪拌樁及土方也需調(diào)整。調(diào)整后泵站的工程建設費用為4 896.48萬元。

采用新型進出水方式的泵池可節(jié)約工程建設費用533.5萬元。

2）節(jié)約泵站能耗。采用新型進出水方式的泵站有6臺水泵，單泵設計流量2.27 m3/s，設計揚程11 m，單泵功率350 kW。如采用傳統(tǒng)形式雨水泵站，由于進水管線埋深增加3 m，相應的水泵站揚程也要增加3 m，單泵功率增加至450 kW。

該區(qū)域全年有效降水共38場，總降水量480.40 mm[5]。見圖 5。

圖5 典型平水年降水量

由于降水主要集中在5—9月，其他時間雨水泵站基本不開啟，因此，選取5—9月的降水量計算泵站年用電量。

由圖5可知，5—9月降水總量438.5 mm，徑流系數(shù)按照0.55計算，則泵站服務的雨水系統(tǒng)每年產(chǎn)生的雨水徑流總量Q=438.5×0.55×（60.9+82.9）×10=34.68×10（4m3）。

地下水滲入量按照10%計算，則雨水泵站每年排水總量為38.1×104m3。水泵每年開啟時間46.68 h。新型泵站每年可節(jié)約電能4 668.26 kW·h。

4 結(jié)語

新型進出水方式雨水泵站充分利用泵站進出水管線的特點對泵站池形進行優(yōu)化，采用兩側(cè)進水，分層設計的方法，解決了同側(cè)進出水泵站進出水管道高程沖突問題并將出水蝶閥井集成于泵池內(nèi)，達到節(jié)約占地、節(jié)約投資、節(jié)約運行能耗的目的。