近年來，我國很多城市在雨水排水系統(tǒng)末端建設(shè)強排泵站時,增設(shè)初期雨水調(diào)蓄設(shè)施,將攜帶了雨天出流大部分污染負荷的初期雨水截流[1-31,于雨后利用污水管網(wǎng)設(shè)計充滿度以外的空余容積輸送至污水處理廠集中處理。大量初雨的排入將對中途污水提升泵站機組的穩(wěn)定運行造成一定影響,對配泵選型提出要求。于此同時,隨著城市化進程的加速，市政設(shè)施建設(shè)空間受限的情況逐漸成為常態(tài)!,如何在該類情形中,對泵站進行合理布置,保證各設(shè)施和機組穩(wěn)定有效運行，并與周邊環(huán)境最大程度地協(xié)調(diào)，也成為泵站設(shè)計過程中需要優(yōu)化解決的問題。本文以九星雨污水合建泵站為例，討論建設(shè)空間受限情形下,排水泵站與調(diào)蓄池合建的布置方案設(shè)計，以及應(yīng)對初期雨水排放進行的配泵優(yōu)化，

項目概況

九星雨(含初期雨水調(diào)蓄池)污水合建泵站位于上海市閔行區(qū)七寶鎮(zhèn)橫新港南側(cè)、虹莘路西側(cè)的九星東塊地區(qū),地區(qū)規(guī)劃定位為上海規(guī)模最大的綜合建材市場。目前泵站已開工建設(shè)，并計劃于2022年汛期前投入運行,建成后除解決所在地區(qū)雨、污水排水出路外,也為周邊相關(guān)雨水系統(tǒng)整體提標至P=5年一遇打下基礎(chǔ)。九星雨水泵站服務(wù)于九星東塊和虹井及平吉的部分區(qū)塊,匯水面積約265.9hm';系統(tǒng)暴雨設(shè)計重現(xiàn)期P=5a,設(shè)計規(guī)模250m'/s;雨水經(jīng)泵提升后排入北側(cè)的橫新港。初期雨水調(diào)蓄池服務(wù)于九星東塊規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的市政道路及部分虹莘路以東現(xiàn)狀小區(qū),設(shè)計規(guī)模2200m。污水泵站服務(wù)于九星東塊地區(qū),規(guī)劃平均日污水量5599m'/d:降雨過后,另有共計1686m/d的地塊初雨棄流經(jīng)污水管網(wǎng)進入泵站,該部分初雨棄流來自擬建于九星東塊地區(qū)星北路東側(cè)的初期雨水調(diào)蓄池;站內(nèi)污水經(jīng)泵提升后由壓力出水管接入沿外環(huán)線東側(cè)敷設(shè)的蘇州河六支流∅2400污水總管,最終至白龍港污水處理廠。

泵站布置優(yōu)化

建設(shè)條件

泵站規(guī)劃總用地面積為4503m,如圖1所示周邊限制因素較多。用地邊線東側(cè)13m處有4路平行于紅莘路敷設(shè)的 110 kV 高壓電力排管,對泵站雨、污水進水總管的布置造成一定影響:西北角用地邊線內(nèi)有1路220kV高壓架空線穿過,泵站建筑邊線距其懸臂投影線需大于15m;同時,泵站北側(cè)為待建幼兒園和大型綜合商辦,東側(cè)為現(xiàn)狀居住小區(qū)南側(cè)為規(guī)劃環(huán)衛(wèi)用地,均對泵站的建筑形式和布置提出了一定要求。

總體布置優(yōu)化

綜合用地限制、運營管理和設(shè)備維修的便利性、及與社區(qū)定位的協(xié)調(diào)性等各因素,泵站最終采用半地下合建的形式,主體建構(gòu)筑物位于場地中央,總平面尺寸37.0mx351m,污水泵房設(shè)于雨水泵房北側(cè),初雨調(diào)蓄池設(shè)于雨水泵房下部,雨水泵站進水閘門井設(shè)于泵房東側(cè)。泵房下部工藝深度188m:設(shè)備間、變配電間、管理用房等附屬建筑合建于泵房上部,建筑面積約2202 m',最大建筑高度16 m,為階梯式局部3層;外立面以底層的深色外磚墻搭配二、三層的白色仿石材涂料及玻璃幕墻,通過色彩的明暗對比和肌理的疏密序列打造建筑質(zhì)感。此外，站內(nèi)最大限度拓展綠化空間,除構(gòu)、建筑物及道路外的空地均布置綠化:圍墻處的外圍景觀以大樹環(huán)繞種植,用優(yōu)美的林緣線打造自然內(nèi)外屏障,也使得在技術(shù)措施之余,站內(nèi)設(shè)施可能產(chǎn)生的噪聲、臭氣等對外影響被削減至最小;靠近主體建構(gòu)筑物的設(shè)備區(qū)景觀則以灌木搭配草坪為主,為工作人員營造良好環(huán)境。泵站總平布置見圖1。

雨水配泵選型與上部建筑布置優(yōu)化

九星雨水泵站需配備8臺單機功率約288kW的軸流泵,該單泵功率下,目前常用的潛水和干式抽芯軸流泵在投資和檢修維護方面各占優(yōu)勢(50,所需水泵間亦大小相當,但綜合考慮總裝機容量后,機電設(shè)備的配套需求使得整體的占地和造價產(chǎn)生較大差異:根據(jù)軸流泵的總體裝機容量和市政供線情況,機組母排進線需由10kV市政供線接入，首先對于電機位于水下的潛水軸流泵而言,更高的電機防護要求使得其10kV母排進線在接入泵站開關(guān)柜后,各單泵配電均需至獨立的250kV變壓器轉(zhuǎn)為低壓，再經(jīng)獨立的低壓配電柜接人各水泵的電機,供其在低壓條件下安全運行;變壓器和低壓配電柜需分開設(shè)置,并有較高的散熱需求,共需建筑面積約150m，設(shè)備購置價格約150萬。而置于水泵間上部的干式抽芯泵,機組可在10kV的高壓條件下直啟工作,其進線能夠自市政供線接人后,在不經(jīng)軟啟動的情況下自開關(guān)柜直接接人各水泵電機,省去了水泵專用變壓器間、低壓配電柜間的占地以及額外的通風散熱設(shè)施。在本工程較高集約化布置要求下,綜合考慮工程造價,水泵變配電需求導(dǎo)致的差異,泵站最終選擇干式抽芯軸流泵作為雨水主泵。

下部空間優(yōu)化利用

冷卻水泵間及檢修樓梯泵站利用雨水泵房北側(cè)、調(diào)蓄池頂部的地下空倉,布置干式抽芯軸流泵需配備的冷卻設(shè)施,并結(jié)合設(shè)置樓梯,一并解決電纜夾層、污水泵閥門安裝平臺、冷卻水泵間及調(diào)蓄池的日常維護及檢修需求,具體見圖 2、圖 3。

九星雨水泵房集水池共2倉,每倉各對應(yīng)1臺柵條間距 70 mm 的回轉(zhuǎn)鏈板式格柵,調(diào)蓄池通過名艙格柵后設(shè)置的DN800截流管入流,其起停由管道上的速閉閥控制,人流設(shè)施后安有頂部與泵站設(shè)計低水位齊平的擋水堰，以控制調(diào)蓄池進水水位人流設(shè)施利用雨水泵房進水區(qū)擴散角多余空間進行布置(詳見圖2),考慮到調(diào)蓄池的清通養(yǎng)護及放空泵的運行維護,雨水格柵的柵條間距仍過大;此外，調(diào)蓄池上部空倉布置有雨水泵冷卻水泵間等設(shè)備用房,調(diào)苦池疊層布于雨水泵房下方,若速閉閥損壞,無法停止進水,則會對機組的安全運行造成一定的風險;故于兩側(cè)的 DN800 截流管前各增設(shè)1艘隔間,設(shè)置間隙 20 mm的提籃格柵和 DN800 速閉閘,以保證調(diào)蓄池的穩(wěn)定運行。

優(yōu)化布置小結(jié)

面對受限頗多的外部條件和苛刻狹小的用地空間,合建泵站在采用雨水、調(diào)蓄池上下合建,及雨、污水泵站共用地下結(jié)構(gòu)和管理設(shè)施的集約化總體布置方案的前提下，還能夠通過機組選型、下部空間優(yōu)化等手段,進一步精簡建筑面積、提高機組運行效率并使之與工程投資做到最大化的平衡。

其中,就機組選型而言,主泵機組的配電需求會對建筑面積和工程投資產(chǎn)生一定影響,宜在設(shè)計初期綜合強電專業(yè)的配電方案確進行確定。如對于九星泵站主泵機組的單機功率、總裝機容量和周邊市政供電情況而言,采用干式抽芯泵能使各方達到平衡和最優(yōu)化。而若單機功率升高至330kW以上:在水泵機組數(shù)量不變的情況下，其總裝機容量的上升將使得水泵的直啟動對市政電網(wǎng)造成一定沖擊，故而需在開關(guān)柜和機組間增設(shè)軟啟動設(shè)備,其增加的建筑面積與潛水離心泵低壓啟動時所需的變配電設(shè)備相近,而費用則增加將近約330萬,因此在該工況下,選用潛水離心泵就成了較優(yōu)方案。如若單機功率不變,水泵臺數(shù)增加至10臺,則總裝機容量增大至需由13kV市政供線接人,水泵的高壓直啟動對市政電網(wǎng)將不再造成沖擊,此時干式抽芯泵的造用又將成為最優(yōu)方案。

其次,集約化布置的合建泵站,地下空間情況復(fù)雜,宜提前預(yù)判各部分設(shè)施的運行維護需求,充分利用地下空倉進行檢修設(shè)施及閥管布置,保證各主體部分的日常檢修和穩(wěn)定運行。

最后,宜在詳盡的現(xiàn)場調(diào)查基礎(chǔ)上,對主體建筑外立面的造型、材質(zhì)及色彩進行設(shè)計,以做到與周邊環(huán)境最大程度的和諧。并因地制宜地進行綠化景觀布置,外圍景觀可以高大植物如樹木或竹類為主,除在空間上形成自然隔斷外,也可使得噪聲、臭氣等對外影響被削減至最小:主體建、構(gòu)筑物附近則可以低矮植物為主,營造綠色優(yōu)美的工作環(huán)境。3 污水泵站配泵優(yōu)化

運行條件分析

九星污水泵站平時接納九星東塊地區(qū)的旱流污水,雨天降雨結(jié)束后,除地區(qū)污水外還有地塊初期雨水棄流排入。泵站集水池內(nèi)的污水經(jīng)潛水泵提升后,于設(shè)于泵站內(nèi)的A#井與雨水泵站下部設(shè)置的初期雨水調(diào)蓄池放空泵出水管匯合,經(jīng)壓力出水管接人蘇州河六支流∅2400污水總管,壓力出水管設(shè)計管徑DN400,長度共計約585m。泵站進、出水路由示意如圖4。

為保證控污設(shè)施的運行效果”，系統(tǒng)初期雨水棄流應(yīng)于降雨過后24h內(nèi)排空,考慮到污水泵站及下游管網(wǎng)設(shè)備配置及運行的穩(wěn)定性，調(diào)蓄池均擬于每場降雨后按16h的放空時間錯峰排放。結(jié)合前文中所列各水量分析,污水泵房及出水壓力管在旱天及降雨過后24h內(nèi)共有5種不同的運行工況，分別如表1和表2所示。污水泵房集水池水位根據(jù)《城鎮(zhèn)排水泵站設(shè)計標準》(DGJ08-22-2018)[8]中的相關(guān)要求,結(jié)合上位污水規(guī)劃計算得到;污水泵房出水管接入外環(huán)線總管處(井B)水位根據(jù)相關(guān)管理單位提供的資料確定。

分析各設(shè)計條件可知，污水泵房的流量在工況 1、4、5 下與工況 2、3下相差較大,如其在工況 1下與工況2下相差2倍有余;此外,泵房壓力出水管管路較長,使得因流量變化造成的水頭損失變化增大,從而導(dǎo)致水泵在不同工況下的揚程變化也隨之增大。故該工程在方案階段采用了兩種配泵方案進行比選，以合理配泵,使機組能在各工況下均高效節(jié)能地運行。

配泵方案優(yōu)化比選

配泵方案1

采用變頻器調(diào)節(jié)水泵運行參數(shù),擬配3用1備共4臺同種規(guī)格的潛水離心泵。以工況1的流量作為總配泵流量,進行揚程計算,得到需配備的單泵電機功率 15 kW。對各工況下水泵的運行參數(shù)進行校核,結(jié)果如表3,可見降雨過后24h內(nèi),泵站出水壓力管內(nèi)的流量差異較小，機組的平均工作揚程變化范圍在7%以內(nèi);而旱天時,泵站出水壓力管內(nèi)的流量差異增大,平均及低峰流量時(工況2、3)水泵的工作揚程已偏離所配水泵的工作曲線,且對應(yīng)的流量偏低。因此該方案中,為保證泵站旱天平均和低峰流量時的正常運行,有3臺水泵需加設(shè)變頻裝置，

配泵方案2

采用大、小泵搭配,應(yīng)對不同工況的需要。分別以工況1和工況2的流量作為大、小泵的總配泵流量,進行揚程計算,得到該方案共配置3大(1臺冷備用)2小5臺潛水離心泵,大、小泵電機功率分別為 15 kW和5.5 kW。對各運行工況下水泵的運行工況進行校核,結(jié)果如表4,可見,大、小泵對應(yīng)的各工況下,泵站出水壓力管內(nèi)流量差異均不大，水泵的平均工作揚程變化范圍分別在7%及2%以內(nèi)，機組能夠在各工況下均平穩(wěn)運行,僅在工況2有1臺大泵需為2臺小泵作備用時,由于小泵的工作揚程較低偏離了大泵的工作曲線,需有1臺大泵采用變頻。

配泵方案比選

首先,從投資的角度而言,兩者差別不大。方案1需配備3個變頻器,相應(yīng)增加約5%的電機費用及控制柜的維護措施;方案2僅需配備一個變頻器,但另需增加1臺潛水泵作為冷備用。其次，從長期運行穩(wěn)定性的角度而言,方案2更有優(yōu)勢。根據(jù)《上海市城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》上海年平均降雨日約132天,且約60%集中在5~9月,由此可見若采用方案1的配泵方式,則污水泵房在晴天平均及低峰流量時,都需要依靠變頻運行;而方案2則將運行工況進行分類,分別配置不同規(guī)格的大、小泵，從而保證了所配機組在各工況下均能夠穩(wěn)定地在高效區(qū)運行。結(jié)合以上分析,該工程最終以方案2作為污水泵房的配泵方案。

結(jié)語

九星雨污水合建泵站在空間受限的情形下，通過機組選型、下部空間優(yōu)化等手段,結(jié)合因地制宜的總平布置,在保證各設(shè)施和機組在安全有效運行的前提下,做到總體的集約化布置和與周邊環(huán)境最大程度地協(xié)調(diào)。同時,通過污水配泵優(yōu)化，應(yīng)對初期雨水排放對污水提升泵站機組的運行及養(yǎng)護帶來的影響。以期為類似工程的設(shè)計和建設(shè)提供參考。