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        農(nóng)村低洼地污水入河治理研究

        2021-04-16 09:55:58劉力鵬
        河北水利 2021年3期
        關(guān)鍵詞:自流坑塘輸水管

        □劉力鵬

        隨著國家推進新農(nóng)村建設(shè),農(nóng)村生活質(zhì)量大幅度提升,相應(yīng)農(nóng)村生活污水大幅度增加,農(nóng)村低洼地污(瀝)水的排水出路主要為河道,污水排放量日益的增加進一步破壞河道水體生態(tài)環(huán)境,對農(nóng)村及其下游環(huán)境造成不同程度的污染。如何對農(nóng)村低洼地污水入河現(xiàn)狀進行高效、環(huán)保地治理,已成為工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點。

        1.工程概況

        某渠位于華北平原,自西向東途徑多個市、縣及村莊,擔(dān)負(fù)著向下游灌區(qū)灌溉及城鎮(zhèn)供水的輸水任務(wù)。白村位于渠道南側(cè),地勢北低南高,西低東高。村北緊鄰渠道,原有入渠口1 個,村東外有城鎮(zhèn)污水管網(wǎng),村南現(xiàn)有一座坑塘。白村因周邊建有高速及其輔道,形成積水洼地。根據(jù)對白村排水口、地勢和排水歷史出路的現(xiàn)場查勘,其村排水入渠存在以下特點和問題。

        一是排水口和入渠水源。村內(nèi)排水管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施缺失。枯水、平水季節(jié)生活污水潑灑在庭院、菜園或道路上,依靠自然蒸發(fā)、下滲的形式消納;豐水季節(jié)村內(nèi)生活污水、小型垃圾隨雨水向北排入渠道。

        二是村莊地勢。白村因周邊修建道路、高速等建筑物,地勢較低,形成積水洼地,高速路面排水由其排水溝排入村北低洼地,村內(nèi)瀝水大部分也排入村北低洼地。當(dāng)有暴雨時,低洼地積水難易快速排走,積水溢出低洼地而淹村。

        三是排水出路。白莊地勢低,村北低洼地渠道是唯一的排水出路。

        2.治理方案

        根據(jù)白村排水入渠的特點和問題,設(shè)計提出“堵、收、導(dǎo)、水處理、蓄和用、排”的治理方案?!岸隆奔磳υ信盼郏r)口門實行封堵,從源頭上杜絕渠道的水污染?!笆铡奔磳υ湃肭奈郏r)水進行收集。“導(dǎo)”即將收集的污(瀝)水導(dǎo)入新建的小型污水處理設(shè)施。“蓄”即將污水處理設(shè)施處理后的水排入改造后的現(xiàn)有坑塘進行自然氧化和降解?!坝谩奔丛诜罎B坑塘中放養(yǎng)魚類、田螺等水生生物,種植水生經(jīng)濟植物,同時坑塘蓄水可用于農(nóng)田、苗圃和綠地的灌溉。“排”即將坑塘余水采用加壓泵站排至城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)。

        2.1 排水規(guī)模確定

        入渠水主要為豐水季節(jié)廚房、洗衣、洗漱用水和雨水的混合水體,雨污分流現(xiàn)階段很難做到,排水規(guī)模按雨污合流計算。

        2.1.1 設(shè)計瀝水量計算

        根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB50014-2006),白村設(shè)計排瀝流量采用推理公式法計算。計算公式如下:

        式中:

        Q—設(shè)計排瀝流量(L/s);

        q—設(shè)計暴雨強度[L/(s.hm2)],選取當(dāng)?shù)毓剑?/p>

        F—排水面積(hm2);

        ψ—徑流系數(shù),取0.4;

        P—重現(xiàn)期(a),參照規(guī)范村莊適當(dāng)降低,取1a;

        t—降雨歷時(min);

        t1—地面集水時間(min),一般采用5~15min;

        t2—管渠內(nèi)雨水流行時間(min);

        A1、C、b、n—參數(shù),根據(jù)統(tǒng)計方法進行計算確定。

        路面排水流量的計算依據(jù)《公路排水設(shè)計規(guī)范》公式:

        式中:

        Q—設(shè)計徑流量(m3/s);

        φ—徑流系數(shù);

        qp,t—設(shè)計重現(xiàn)期和降雨歷時內(nèi)的平均降雨強度(mm/min);

        F—匯水面積(km2)。

        設(shè)計瀝水量是坑塘和加壓泵站設(shè)計的依據(jù)。設(shè)計瀝水量由徑流深乘以排水面積推求。考慮當(dāng)?shù)刎S水季節(jié)中6、9 兩個月為玉米和小麥的灌溉季節(jié),按7、8 兩個月的徑流深計算排水量。

        2.1.2 設(shè)計污水量計算

        入渠污水主要為生活污水,村莊生活污水產(chǎn)生量按如下公式計算:

        式中:

        K—生活污水排放系數(shù),0.8;

        q—農(nóng)村居民生活用水標(biāo)準(zhǔn),40L/d·人;

        n—村莊居民數(shù)。

        實際排入渠道的設(shè)計污水最大瞬時流量:

        式中:

        s—地貌系數(shù),0.5(實際排入渠的比例)。

        設(shè)計污水量按7、8 兩個月的實際入渠污水最大瞬時流量進行計算。

        2.1.3 排水規(guī)模

        “收、導(dǎo)”工程設(shè)計流量取瀝水設(shè)計流量和污水設(shè)計最大瞬時流量疊加值:

        式中:

        Q設(shè)—排水設(shè)計流量,m3/s;

        Q—雨水設(shè)計流量,m3/s;

        QS—污水設(shè)計最大瞬時流量,m3/s。

        “蓄”工程設(shè)計水量取整治后現(xiàn)有坑塘的容量。

        表1 排水規(guī)模計算結(jié)果表

        表2 重力自流輸水管道計算結(jié)果表

        “處理”工程主要采用污水處理站,其緊鄰坑塘,收集的生活污水經(jīng)調(diào)節(jié)池調(diào)質(zhì)后,進入污水站處理,經(jīng)處理后的生活污水進入改造后的坑塘?xí)捍?,其設(shè)計規(guī)模按7、8 兩個月污水實際入渠的最大瞬時流量進行計算。

        “排”工程即加壓泵站工程,其作用是將坑塘余水排至村外城鎮(zhèn)污水管網(wǎng),其規(guī)模采用24h 暴雨10 年一遇標(biāo)準(zhǔn)。排水規(guī)模計算結(jié)果見表1。

        2.2 工程布置設(shè)計

        與當(dāng)?shù)卮迕駵贤芍?,暴雨時,村北低洼地和現(xiàn)有坑塘?xí)M溢淹村。村南現(xiàn)有坑塘,經(jīng)整治后坑塘設(shè)計蓄水量7410m3,坑塘不足以容納設(shè)計排瀝水量。經(jīng)現(xiàn)場查勘,排水口封堵后,村排水出路可選村外城鎮(zhèn)污水管網(wǎng),但從地勢來看,村內(nèi)地勢比村外城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)接入點低,不滿足重力自流排水方案。由此,經(jīng)建設(shè)方、設(shè)計單位及村負(fù)責(zé)人現(xiàn)場調(diào)研、討論,確定本村排水方案為重力自流+泵站加壓組合排水,即以村北低洼地為起點,向南至現(xiàn)有坑塘為重力自流排水,經(jīng)坑塘后泵站加壓,沿村路至村外城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)接入點為泵站加壓排水。

        收水工程:白村現(xiàn)狀為路面排水,封堵后設(shè)計亦采用路面排水,在低洼處設(shè)匯水口進行收水。

        導(dǎo)水工程:導(dǎo)水線路總長700m,其中重力自流管道長181m,泵站加壓管道長480m,在彎道處和銜接處設(shè)置檢查井、跌水井,用于管道之間、管道與建筑物之間的連接。

        污水處理站:為減少占地難度,選址緊鄰現(xiàn)有坑塘,采用占地面積小的一體化設(shè)計。

        防滲坑塘工程:采用村南現(xiàn)有坑塘,在現(xiàn)有坑塘的基礎(chǔ)上進行整治,選取重力自流輸水管道出口設(shè)計水位作為坑塘最高設(shè)計水位,選取坑塘滿足10 年一遇排瀝要求的水位作為坑塘設(shè)計水位。

        加壓泵站:加壓泵站以防滲坑塘為前池,選取坑塘設(shè)計水位為泵站前池設(shè)計水位,選取管網(wǎng)接入點地面高程作為泵站加壓輸水管道末端設(shè)計水位。

        2.3 收水工程設(shè)計

        白村通過修建匯水口來收集瀝污水。匯水口采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。為防止淤堵,在匯水口處設(shè)置攔污柵,根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB50265 -2010),采用人工清污時,流速宜取0.6~0.8m/s,由此確定匯水口斷面尺寸,凈尺寸2.0×1.1m(寬×高)。

        2.4 導(dǎo)水工程設(shè)計

        2.4.1 管道材質(zhì)選擇

        一是重力自流輸水管道材質(zhì)選擇。重力自流輸水管道主要有鋼筋混凝土管道、玻璃鋼管道和埋地塑料排水管道。本工程重力自流輸水管道采用造價最低的鋼筋混凝土排水管。

        二是泵站加壓輸水管道材質(zhì)選擇。泵站加壓輸水管道主要有焊接鋼管(SP)、球墨鑄鐵管(DIP)及聚乙烯給水管(PE)。DN400 以下管徑的各種管材延米價格最高的是鋼管,聚乙烯給水管居中,價格最低的是球墨鑄鐵管;DN400(含DN400)以上管徑的各種管材延米價格最高的是聚乙烯給水管,鋼管居中,價格最低的是球墨鑄鐵管,由此選取球墨鑄鐵管作為本工程加壓輸水管道。

        2.4.2 管道水力計算

        一是重力自流輸水管道。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB50014-2006),雨水管道和合流管道應(yīng)按滿流計算,最小設(shè)計流速為0.75m/s,非金屬管道最大設(shè)計流速為5.0m/s。管道內(nèi)水流大體分以下情況:

        當(dāng)管道進、出口都未淹沒時,管道的局部水頭損失較小,沿程水頭損失為主,此時按長管進行計算,計算公式如下:

        式中:

        Q—設(shè)計流量(m3/s);

        A—水流有效斷面面積(m2);

        v—流速(m/s);

        R—水力半徑(m);

        I—水力坡降;

        n—粗糙系數(shù),取0.014。

        當(dāng)管道進口淹沒時,管道的局部水頭損失增大,損失不可忽略,此時按短管進行計算;

        當(dāng)管道出口沒有淹沒時,為自由出流,計算公式如下:

        式中:

        Q—設(shè)計流量(m3/s);

        μc—管道系統(tǒng)流量系數(shù);

        A—管道斷面面積(m2);

        d—管道內(nèi)徑(m);

        l—管道計算段長度(m);

        λ—沿程水頭損失系數(shù);

        g—重力加速度(m/s2);

        Σξ—管道計算段中各局部水頭損失系數(shù)之和;

        H0—包括行近流速水頭的作用水頭。

        當(dāng)管道出口淹沒時,為淹沒出流,計算公式如下:

        式中:

        Σξ—包括管道出口水頭損失系數(shù)的計算段各局部水頭損失系數(shù)之和;

        Z0—當(dāng)管道出口包括行進流速的上下游水面高程差(m);其它符合意義同前。重力自流輸水管道計算結(jié)果見表2。

        二是泵站加壓輸水管道。根據(jù)《水力計算手冊》,水泵壓水管的經(jīng)濟流速為1.5~2.5m/s,根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》,水泵出水管流速宜為0.8~2.5m/s,擬定泵站加壓輸水管道經(jīng)濟流速為1.5m/s,由此計算經(jīng)濟管徑為0.38m,確定泵站加壓輸水管道管徑為0.4m。

        2.5 防滲坑塘設(shè)計

        防滲坑塘利用村南現(xiàn)有坑塘,整治后設(shè)計蓄水量0.741 萬m3,邊坡1∶2.5,采用576g/m2的土工膜進行防滲,上覆80cm 厚壤土層??紤]上下交通,在坑塘東、南側(cè)各留一道臺階,寬1.5m 采用M10 漿砌石砌筑,水泥砂漿抹面??紤]泵房及配電室對外交通,在坑塘頂設(shè)2m 寬泥結(jié)碎石路面,厚20cm。同時考慮村民安全,在泥結(jié)碎石路面外側(cè)設(shè)防護圍欄,在圍欄明顯處設(shè)禁止游泳、禁止攀爬標(biāo)志牌。

        管道在入坑塘處采用“八字”式管道出水口。出水口采用漿砌石結(jié)構(gòu)防護。出水口兩側(cè)采用“八字”翼墻結(jié)構(gòu),翼墻為變截面。翼墻出口接漿砌石流槽,流槽坡比同坑塘,流槽底寬3m、深0.5m,流槽出口設(shè)消力池。消力池按照《水閘設(shè)計規(guī)范》進行計算,確定池長5m,寬3m,深0.5m。

        2.6 污水處理站設(shè)計

        適用于小型分散式城鎮(zhèn)生活污水處理的工藝有A/O 工藝、MBR 膜生物反應(yīng)器、SBR 工藝、曝氣生物濾池工藝及生物接觸氧化工藝。從管理、投資和運行3 個方面對上述工藝進行比較,選取適合農(nóng)村生活污水處理的A/O 工藝,確定污水處理站型式,包括格柵、調(diào)節(jié)池、地埋式生活污水一體化等生產(chǎn)性構(gòu)筑物。

        2.7 加壓泵站設(shè)計

        泵站10 年一遇瀝水排除時間為24h,確定泵站設(shè)計流量為0.169m3/s。泵站進水口最高設(shè)計水位為23.8m,設(shè)計水位為23.76m,最低運行水位為19.5m,泵站加壓輸水管道末端設(shè)計水位為25.5m。

        泵站利用整治后坑塘為前池,地下部分由進水口、泵室、閥門井和壓力管道組成,地上部分由泵房與配電室組成。

        進水口由漿砌石翼墻、鋼筋混凝土U 型渠和混凝土排水管組成。漿砌石翼墻采用重力式擋墻,八字墻布置。翼墻 后 接U 型 渠,U 型 渠 采用DN1000 混凝土排水管與泵室連接。為防止水中污物破壞水泵運行,在U 型渠進口設(shè)攔污柵。

        泵室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),頂板設(shè)吊物孔,以便水泵檢修。泵室設(shè)2 臺200QW300-10-15 型潛水排污泵,水泵出水管后接480m 長壓力管道,采用DN400 球墨鑄鐵管。為便于壓力管道閥門檢修,在水泵出水管和壓力管道連接處設(shè)閥門井。

        泵房為單層框架結(jié)構(gòu),位于泵室和閥門井上方,層高6m。泵房頂部設(shè)一臺電動葫蘆,功能上滿足設(shè)備專業(yè)及操作人員的使用要求。

        配電室為單層磚混結(jié)構(gòu),層高4.5m,主要用于放置電氣專業(yè)的相關(guān)設(shè)備,功能上滿足電氣專業(yè)的使用要求,包括高壓配電室、低壓配電室以及變壓器室。

        3.結(jié)論

        農(nóng)村低洼地污水入河治理涉及村居民自身利益,治理方案需結(jié)合當(dāng)?shù)卮寰用竦囊庖姡虻刂埔说拇_定,如此才能高效、環(huán)保地進行污水入河治理。此文以白村為例,詳細地闡述了農(nóng)村低洼地污水入河治理的設(shè)計方案,以期為同類工程提供借鑒。

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