城镇排水泵站计算与设计

　　摘要：本文结合作者多年的设计经验，通过理论研究及实践分析，对城镇排水泵站流量计算、扬程计算、水泵和泵房设计及泵站选址的相关内容进行了详细介绍，为市政排水设计工作者提供参考与借鉴。
　　
　　关键词：排水泵站，流量，扬程，水泵设计
　　
　　城镇排水规划设计中，为了控制管道埋深、满足污水厂进水或满足受纳水体水位标高要求，均需要设置不同形式的排水泵站。排水泵站根据排水性质的不同分为三类：污水泵站、雨水泵站及合流泵站。其中污水泵站、雨水泵站应用于分流制排水系统，分别用以提升排放污水、雨水；合流泵站应用于合流制或截流式合流制排水系统中，兼具有污水泵站和雨水泵站两者的特点，当无雨时，泵站提升污水，性质同污水泵站，当下雨时，泵站提升雨污混合水，性质同雨水泵站。
　　1泵站设计流量的确定
　　1.1污水泵站设计流量
　　污水泵站设计流量为最高日最高时污水流量，设计流量可以采用人口综合用水量指标和用地用水量指标为依据进行计算。
　　1）采用人口综合用水量指标按下式计算：
　　Qdr＝Qd+Qm
　　式中：Qdr－污水设计流量(L/s)
　　Qd－设计综合生活污水量(L/s)
　　Qm－设计工业废水量(L/s)
　　设计综合生活污水可按综合生活用水定额确定，折污系数取0.8~0.9；工业废水按生产工艺特点确定。
　　2）当设计区域内人口数据无法估算时，可采用用地用水量指标按下式计算：
　　Qdr＝ΣQfF
　　式中：Qdr－污水设计流量(L/s)
　　Qf－单位面积某类污水量[(L/(km2•s)]
　　F－某类服务面积（km2）
　　单位面积污水量可按各类性质用地的用水量定额确定，综合生活污水折污系数取0.8~0.9，工业废水折污系数取0.7~0.9。该用水量定额为规划指标，因其数值较大，设计采用时应酌情减小。
　　1.2雨水泵站设计流量
　　雨水设计流量计算有传统的推理公式法和新兴的数学模型法两种。推理公式计算简单，但精确度低与实际吻合度差；数学模型法计算精度高，能模拟降水过程，但计算较为复杂。目前雨水流量计算仍以推理公式为主，但数学模型法是雨水设计流量计算的发展趋势，以下为推理公式法为例推求雨水泵站设计流量。
　　1）雨水泵站设计流量按下式计算：
　　Qs=qΨF
　　式中：Qs－雨水设计流量（L/s）
　　q－设计暴雨强度[L/(s•hm2)]
　　Ψ－径流系数
　　F－汇水面积（hm2）
　　2）设计暴雨强度按下式计算：
　　      
　　式中：q－设计暴雨强度[L/(s•hm2)]
　　t－降雨历时（min）
　　T－设计重现期（a）
　　A1、C、n、b－参数，各地均有成熟的数据可使用，不必计算
　　3）计算过程中的注意问题：
　　设计重现期：一般地区采用1-3年，重要地区3~5年，特别重要地区10年或以上。设计重现期取大值，设计流量大，可以降低城镇积水频率，但会增加泵站及上游管道投资及运行费用，根据实际设计经验，除有特殊要求外，一般地区取值可按1年考虑。
　　径流系数：当服务范围较小时，可按地面种类取分类径流系数；当服务范围较大时，可按区域情况取综合径流系数。随着城市绿化率加大以及低影响开发理念贯彻，取值有逐年减小趋势。
　　
　　1.3合流泵站设计流量
　　合流泵站流量计算分为两种情况：一种为设在合流管道（截流井前）上的泵站，提升全部污水及雨水；一种为设在截流管道（截流井后）上的泵站，提升全部污水及截流雨水，或者提升溢流雨水。
　　1）合流管道上的泵站设计流量按下式计算：
　　Q=Qdr+Qs
　　式中：Q－合流设计流量(L/s)
　　Qs－雨水设计流量（L/s）
　　Qdr－截流井以前的旱流污水量（L/s）
　　2）截流管道上的泵站设计流量按下式计算：
　　溢流雨水：Q1=Qs-noQdr       
　　截流污水：Q2=(no+1)Qdr      
　　式中：Q1—溢流雨水设计流量（m3/s）
　　Q2—截流污水设计流量（m3/s）
　　Qs—雨水设计流量（m3/s）
　　Qdr—旱流污水设计流量（m3/s）
　　no—截流倍数，取值1~5
　　1.4设计流量校核
　　1）泵站设计流量应分别计算远期流量和近期流量，设计流量应按远期取值，近期校核设计水位及流速。泵站土建规模按远期流量设计，水泵等设备按近期流量安装。
　　2）根据1.1~1.3计算的泵站设计流量需用泵站进水管道的设计流量进行校核，泵站设计流量应与进水管道设计流量相符。对于已建成的进水管道，当计算泵站流量大于管道流量时，应考虑管道改造的可能性，如果管道有改造计划，则设计流量取计算数值，如果管道不存在改造条件，应采用管道流量作为泵站设计流量。
　　3）泵站设计流量的确定应充分调查分析区域内现有排水泵站的实际运行情况及流量数据，以此为参考依据，对计算流量进行适当调整，使泵站建成后运行更加符合实际情况。
　　4）泵站设计流量应与下游管渠的排水能力相适应，设计时需对下游管渠排水情况进行调查分析，必要时进行改造，使之满足泵站设计流量要求。
　　2泵站设计扬程的确定
　　2.1集水池及出水设计水位
　　集水池水位及污水出水管道、雨水受纳水体水位直接影响泵站设计扬程，扬程计算前应准确合理确定以上两个水位。
　　1）集水池设计水位
　　集水池设计最低水位可以按进水管道的管底高程确定，也可低于该水位，最低水位应能满足水泵正常运行要求。污水泵站集水池设计最高水位按充满度计算，与设计充满度下管内水位相平；雨水及合流泵站集水池设计最高水位与进水管管顶相平，由于雨水管道多为压力状态下下运行，雨水最高水位可高于进水管管顶，但不得使管道上游地面冒水。
　　最高水位与最低水位之差应能满足集水池最小有效容积要求：污水泵站集水池有效容积≥最大一台泵5min出水量，雨水及合流泵站集水池有效容积≥最大一台泵30s出水量，污水泵站还应满足单台泵开启次数不大于6次/h。
　　2）出水设计水位
　　污水泵站及合流泵站出水水位即下游管道的设计水位，包括最小流量水位，平均流量水位、最大流量水位。
　　雨水泵站出水水位即受纳水体的水位，包括低水位、常水位、高水位。
　　2.2泵站设计扬程
　　泵站设计扬程按下式计算：
　　Hp=Hs+Σh+ha
　　式中：Hp－设计扬程(m)
　　Hs－静扬程(m)
　　Σh－进出水管路及水泵水头损失（m）
　　ha－安全水头（m），0.3~0.5m
　　1）雨水泵的静扬程Hs应根据受纳水体常水位与集水池设计水位差确定，此时水泵扬程Hp为雨水泵设计扬程。
　　以受纳水体低水位与集水池设计最高水位之差为静扬程计算的Hp为最低工作扬程；以受纳水体高水位与集水池设计最低水位之差为静扬程计算的Hp为最高工作扬程。
　　2）污水泵及合流泵的净扬程Hs应根据平均流量时出水管渠水位与集水池设计水位差确定，此时水泵扬程Hp为污水泵及合流泵设计扬程。
　　以设计最小流量时出水管渠水位与集水池设计最高水位之差为静扬程计算的Hp为最低工作扬程；以设计最大流量时出水管渠水位与集水池设计最低水位之差为静扬程计算的Hp为最高工作扬程。
　　3）为了保证泵站安全运行，集水池设计水位可按最低水位取值，也可酌情高于该水位。
　　4）泵站实际运行时扬程处在最低扬程与最高扬程之间，最低工作扬程和最高工作扬程作为选泵的参考依据。
　　5）设计扬程和水泵选型及管路设计有关，两者应相互校核。
　　3水泵设计
　　3.1水泵配置
　　1）水泵选型直接影响泵房布置及运行管理，选泵型号应与集水池最小容积相互协调校核，且能满足最大流量与最小流量的运行要求。
　　2）水泵型号不宜太多，应尽量选用同一型号，台数不应少于2台。当最小流量与设计流量相差很大时，可配置两种不同规格的水泵。
　　3）污水和合流泵站因全年运行应设备用泵，工作泵台数≤4台时，备用泵宜为1台；工作泵台数≥5台时，备用泵宜为2台。雨水泵站因只有在雨季运行，可在旱季检修，通常不设备用泵，但重要立交道路的雨水泵站应设备用泵。
　　3.2水泵选型
　　1）水泵选型应满足设计扬程时在高效区运行，最高工作扬程与最低工作扬程时、单台运行或联合运行时，水泵均应能处在安全、稳定的运行范围内。
　　2）水泵类型：排水泵站常用水泵类型有离心泵、轴流泵、混流泵，其中离心泵流量小扬程高，多用于污水及合流泵站；轴流泵、混流泵流量大扬程低，多用于雨水泵站。近些年潜水排污泵、潜水轴流泵及潜水混流泵的出现，为排水泵站设计提供了新的工艺，潜水泵具有安装检修方便、运行效率高噪音低、适应性能强等优点，因此目前排水泵站设计广泛采用，但因其电机长期浸没水中，对电机及线路要求严格。设计时污水泵站一般采用潜水排污泵，雨水泵站一般采用潜水轴流泵、潜水混流泵。水泵选型时应综合考虑泵站特点确定采用泵的类型，使泵站能高效低耗运转，满足排水及环境保护要求。
　　4泵房设计
　　泵房形式取决于泵站性质、建设规模、水泵选型和数量、进出水情况、施工方法及水文地质条件等因素，应从设计、造价、施工、运行管理等方面综合考虑确定。泵房形式分为以下类：
　　1）按地面上是否有建筑物分为半地下式泵房和全地下式泵房。半地下式泵房设备分为地上及地下两部分，地下设水泵等设施，地上设机器间、变配电及其它辅助设施，该种形式泵站优点是具有良好的运行管理条件，缺点是容易造成噪声臭味污染，地上建筑物容易影响景观；全地下式泵房设备全部设于地下，地面以上没有建筑物，该种形式泵站优点是可减少占地或者不存在占地问题，不影响地面景观，减少了噪声、臭味污染，缺点是设备全部密闭于地下，运行管理条件差，地下潮湿通风条件差，对设备及人员安全造成威胁，需增加通风除臭及有毒有害气体检测装置，运行费用高。目前半地下式泵房仍是常采用的形式，全地下式泵房只有在用地紧张或不允许建地上建筑物的情况下采用。
　　2）按启泵前能否自动充水分为自灌式泵房和非自灌式泵房。自灌式泵房水泵启动不需要引水，操作方便、启动快，但泵房深度大，增加施工难度及投资；非自灌式泵房水泵启动需要引水，操作繁琐，启动慢，但泵房深度小，便于施工。设计采用潜水泵时均为自灌式安装，它既具有自灌式泵房的优点，也避免了其缺点。
　　3）按水泵是否浸入水中分为干式泵房和湿式泵房。干式泵房养护管理条件好，水泵及设备能保持干燥不易损坏，但其结构复杂，安装要求高；湿式泵房结构简单，但其养护管理条件差，设备受水腐蚀浸泡易损坏。
　　4）按泵房形状分为圆形泵房和矩形泵房。圆形泵房适用于规模较小的泵站，因其池壁受力性能好，沉井施工多采用此形式；矩形泵房适用于规模较大的泵站。
　　5泵站选址
　　泵站选址应遵循以下原则：
　　1）泵站选址应符合城市总体规划要求。
　　2）泵站选址应考虑环保要求。尽量设置独立建筑物且远离居民区，当必须位于居民区时，应采取降噪除臭等措施，以减少对居民影响。
　　3）尽量靠近受纳水体或下游排水系统。雨水泵站靠近受纳水体可减少后续管道的长度，使雨水及时排入水体，防止雨水倒灌；污水管道靠近下游排水系统可最大限度增加泵站服务面积，提高泵站效率及减小下游再设泵站可能性。
　　4）少拆迁少占地。泵站占地面积原则上应满足泵站用地指标要求，该用地指标较取值大，在实际设计中，为了节省用地，在满足泵站正常运行的情况下可根据实际情况予以减少。
　　5）应考虑便于施工，选择地势较低且地质条件较好的地区。还应结合施工工艺进行选址，如采用开挖施工或沉井施工。
　　6）泵站设计防洪标准应按于城市防洪标准确定，且不得位于受洪水威胁的地段。设计站内地坪应不低于城市防洪标高，当不能满足时，应有防止洪水进入措施。
　　7）泵站建筑物及其它设施应和周围环境相协调、统一，使泵站融入周围环境，成为城市景观。
　　6结语
　　排水泵站的流量设计、扬程设计、水泵设计、泵房设计及泵站选址等是泵站设计的主要内容，只有正确的选用参数及计算数据，充分调查了解地域特点及排水情况，有效的解决设计中的关键性问题，才能使泵站设计更加合理。
　　参考文献：
　　《室外排水设计规范》（GB50014-2006，2011年版）中国计划出版社，2011.12
　　《给水排水设计手册》（第5册，第二版，城镇排水）中国建筑工业出版社，2004.2。