城镇污水处理厂防洪标准和设计地面标高及排水方式的合理确定

50 给水排水 Vol135 No16 2009 城镇污水处理厂防洪标准和设计地面标高及排水方式的合理确定 赵 步 超 (北京中机创杰环境科技股份有限公司,北京 100098) 摘要 通过具体分析规范、 标准中与污水处理厂设计相关的防洪条文,指出了其不明确的地方, 总结了影响城镇污水处理厂防洪标准、 设计地面标高及排水方式的多种因素。以河北省徐水县一期 污水处理工程 (3 万m3 / d) 为例,介绍了在没有污水处理厂具体防洪规范及标准情况下如何科学、 合 理地确定污水处理厂的防洪标准、 设计地面标高及排水方式。污水处理厂防洪标准不应是简单的、 同一的,而应结合当地实际情况,通过风险 投资 效益来综合评价科学合理地确定污水处理厂的 防洪标准、 设计地面标高和排水方式等。 关键词 城镇污水处理厂 防洪标准 设计地面标高 设计洪水位 1 规范、 标准中与污水处理厂设计相关的防洪条文 分析 室外排水设计规范( GB 500142006) 6. 1. 1条规定:“厂区地形不应受洪涝灾害影响,防洪 标准不应低于城镇防洪标准,有良好的排水条 件。 ” 该条条文说明中指出 “厂址的防洪和排水问 题必须重视,一般不应在淹水区建污水处理厂, 当必须在可能受洪水威胁的地区建厂时,应采取 防洪措施。另外,有良好的排水条件,可节省建 造费用。新增条文规定防洪标准 不应低于城镇 防洪标准 。 ” 条文说明没有对 “可能受洪水威胁” 作进一步的 解释,比如没有明确指出在什么样的地形、 区域中可 能受洪水威胁,受多少年一遇的洪水威胁,受多大规 模的洪水危害,洪水的持续时间及遭受到怎样的破 坏等。 这就意味着每个设计者认识不同,对同一个污 水处理厂所设计的防洪标准可能不同,而污水处理 厂设计防洪标准又直接影响污水处理厂的基建投资 和运行费用。笔者认为 中华人民共和国水法 规定 的区域可作为 “可能受洪水威胁的地区”,见下面的 规定。 中华人民共和国水法 第四十一条规定:“在防 洪河道和滞洪区、 蓄洪区内,土地利用和各项建设必 须符合防洪的要求。 ” 中华人民共和国防洪法 第二十九条规定:“蓄 滞洪区是指包括分洪口在内的河堤背水面以外临时 贮存洪水的低洼地区及湖泊等。 ” 在可能受洪水威胁的地方建设污水处理厂不适 用于 室外排水设计规范,可以依据的只有 防洪标 准( GB 50201 94) 和 给水排水设计手册 第7 册 城镇防洪 。下面对 防洪标准 及 给水排水设 计手册 第7册 城镇防洪 中的城市防洪内容进 行分析。 防洪标准(GB 5020194)2. 0. 1条规定:“城 市应根据其社会经济地位的重要性或非农业人口的 数量分为四个等级,各等级的防洪标准按表1的规 定确定。 ” 表1 城市的等级和防洪标准 等级重要性 非农业人口 /万人 防洪标准 (重现期 )/ a 特别重要的城市 150 200 重要的城中等城市502010050 一般 205020 给水排水设计手册 第7册 城镇防洪 2. 5. 2条:“江河上游沿岸城市的防洪体系:一般多 由整治河道、 修筑堤防和修建调洪水库构成。在城 市上游修建水库调洪,可以有效地削减洪峰,减轻洪 水对城市的压力,减少河道整治和修筑堤防的工程 量,降低堤防的防洪标准,提高防洪体系的防洪标 准。例如:本溪市在上游没有修建观音阁水库之前, 给水排水 Vol135 No16 200951 只依靠堤防抗洪,防洪标准只能达到50年一遇。在 观音阁水库建成拦洪后,本溪市的防洪标准可以提 高到500年一遇。 ” 可见 给水排水设计手册 第7册 城镇防洪 2. 5. 2条指出了影响防洪标准最重要的一个因素, 即上流是否有调洪水库,水库可以滞蓄洪水,调节径 流,上例中由于水库的修建使本溪市的防洪标准从 50年一遇提高到500年一遇! 笔者认为现行 室外排水设计规范(G B 50014 2006)及其他标准中关于污水处理厂防洪的条文应该 细化和明确,理由为: (1)规范中的防洪规定容易使人理解为 “在厂 区地形不受洪涝灾害影响的情况下,其防洪标准也 应等于或高于城镇防洪标准。 (2)在可能受洪水威胁的地区建厂,必须参照 城镇防洪标准,而 防洪标准 及 给水排水设计手 册 第7册 城镇防洪 也未具体涉及污水处理厂 的防洪内容。 (3)污水处理厂的规模、 重要程度,处于河流的 位置(上游、 中游、 下游 ) , 是否处在河道、 泄洪区,排 入的河流是否有堤坝,上游是否有水库,水库的防洪 库容等,都是影响城镇污水处理厂设计防洪标准、 设 计地面高度及排水方式的因素,规范和标准都未明 确提出。 (4)没有明确的规范和标准,设计人员往往采 用较高的防洪标准及防洪措施,比如污水处理厂纳 入城镇防洪体系中并且排入的河流有防洪堤情况 下,还要求设计地面标高高于排入河流20年一遇或 30年一遇的洪水位0. 5 m ,在自然地面达不到设计 地面标高情况下必然加高自然地面,从而使污水处 理厂的基建投资大增。 (5)不同的防洪标准对应不同的排水河流的设 计洪水位,是设计进水泵房提升泵扬程的重要参数, 直接关系到污水处理厂建成后的运行费用。 下面通过河北省徐水县瀑河污水处理厂的实例 说明在没有污水处理厂具体防洪规范及标准情况下 如何科学、 合理地确定污水处理厂的防洪标准、 设计 地面标高及排水方式。 2 设计工程实例分析 2. 1 工程概况 河北省徐水县瀑河污水处理厂近期处理规模3 万m3/ d ,近期占地面积3.77 hm2,远期处理规模6万 m3/ d ,预留远期用地。 河北省徐水县瀑河污水处理厂的污水处理采 用Orbal氧化沟工艺(见图1) ,经处理后的尾水采 用紫外线消毒达标后就近排入瀑河,污泥处理采 用机械浓缩脱水工艺,泥饼外运卫生填埋。处理 后出水达到 城镇污水处理厂污染物排放标准 ( GB 18918 2002)一级A标准。 图1 污水处理厂工艺流程 2. 2 基础资料与踏勘 徐水县及周围的地形、 地貌资料:徐水县地势西 北高,东南低,县城位于堆积作用所形成的山前倾斜 平原区,自然坡度1 左右,最低点为距离县城东南 10 km处的大因镇的李家迪城村,海拔8 m。徐水 县古时修建过古城墙,就近掘土,城内形成9个大 坑,现除一个填平外其他8个为积蓄雨水之用,是徐 水县雨洪调蓄的重要措施。安新县位于徐水县东南 22 km ,其总地势自西北向东南略有倾斜,地势平 坦,地面自然坡度为12 000 ,西半部最高海拔 10 m ,东半部最低海拔5. 5 m。瀑河从徐水县穿过, 流入安新县的白洋淀。 污水处理厂地理位置及地形资料:位于县城南 部,瀑河东部,厂址原为农田,地势西北高,东南低, 地面自然标高13. 3014. 00 m ,厂址附近的自然坡 度1. 6,已纳入徐水县用地总体规划。 县水利局提供的水文资料:瀑河污水处理厂段 20年一遇设计洪水流量296 m3/ s ,设计洪水位 15. 39 m ,设计堤高17. 70 m。 县规划局提供的防洪规划资料:瀑河徐水县城 区以上段按50年一遇标准设防,城区以下段按20 年一遇标准设防。辖区内洪水防御采取堤防加固 和水土保持相结合的措施,加强在上游地区的植 52 给水排水 Vol135 No16 2009 树造林、 修建调蓄水库等措施,增强水土涵养能 力,控制水土流失。下游采取修建围堤、 加固现有 堤防、 疏通河道增大泄洪能力等方式,达到防洪减 灾目的。 瀑河水库资料:位于瀑河徐水县的上游,坝址位 于徐水县西北25 km处。水库控制流域面积263 km2。洪水标准为100年一遇洪水设计、2 000年一 遇洪水校核,是一座以防洪为主兼顾灌溉的中型水 利枢纽工程。瀑河水库加固扩建后,上库调蓄库容 达2. 35亿m3;下库防洪库容达0. 74亿m3。现多 年干旱,水库已没水。 踏勘情况:通过走访水利部门,询问当地的老 人,实地调查并核实了河流最高洪水位淹没情况和 厂区历史上洪水淹没情况,在 “638” 洪水时,瀑河 污水处理厂段中洪水位和现有堤岸顶持平,污水处 理厂址处并未被洪水淹没。 2. 3 污水处理厂防洪标准的确定 徐水县2010年规划人口10. 8万,依据表1 ,划 为 城市,防洪标准为2050 a ,考虑到瀑河对徐水 县城的防洪标准可达100年一遇,同时瀑河污水处 理厂段的堤坝防洪标准为20年一遇,对于污水处理 厂来说已经有水库和堤坝的双重保护了,笔者认为 污水处理厂自身的防洪标准可适当降低,以10年一 遇的洪水位设计或不考虑洪水的影响都可以。但这 种情况下,污水处理厂出水必须按20年一遇的洪水 位进行校核。 2. 4 设计地面标高的确定 徐水县污水处理厂为小型污水处理厂,所处地 形为山前倾斜平原区,非处于河道、 洼地,滞洪区、 蓄 洪区;瀑河污水处理厂段有瀑河堤坝,堤坝防洪标准 为20年一遇洪水;以瀑河20年一遇设计洪水量 296 m3/ s计算,仅瀑河水库的防洪库容就可完全截 留洪水2. 9 d ,全库容可截留296 m3/ s的洪水15 d ; 经踏勘,厂址处防洪和排涝较好。 综合上述防洪因素的分析,结合排涝的需要,笔 者认为以14. 30 m作为设计地面标高较合适(原自 然地面标高为13. 3014. 00 m)。这样可以既达到 防洪排涝要求,又可以达到减少填方费用,降低基建 投资的目的。 投资效益分析:由原设计地面标高15. 80 m(20 年一遇洪水位+0.5 m)减为14.30 m后,一期填方费 用在设计运距11 km的情况下就减少了205万元。 2. 5 污水处理厂排水方式的确定 污水处理厂出水在常年大多数时间里能够自流 排入水体。排放的水位不应选取多年最高水位,因 为其出现时间短,易造成常年水头浪费,而应选取经 常出现的高水位作为排放水位,当水体水位高于设 计水位时,可进行短时间的提升排放。 由于瀑河上游有水库防洪,即使遇到20年一遇 的暴雨,瀑河也未必有20年一遇的洪水,由于污水 处理厂采用自流排放,若以20年一遇的洪水位设 计,提升泵的扬程偏大,造成水头浪费。 由于水库的修建使瀑河出现20年一遇的洪水 概率非常小,笔者认为污水处理厂采用自排与抽排 结合的方式较好,此种排放方式应用得也比较多,比 如韶关市第二污水处理厂一期工程、 杭州七格污水 处理厂一期工程、 上海竹园第一污水处理厂工程、 长 沙市第一污水处理厂、 南宁市江南污水处理厂二期 工程等。下面按一期3万m3/ d规模对优化后的方 式进行投资效益分析。 提升1 m污水的电机总功率为(假设水泵及电 机的效率均为70 %) :P=gQ H / ( 12) = 1 000 9. 8(30 000/ 86 400)1/ (1 0000. 70. 7) = 6. 95(kW)。 每天提升1 m污水的电耗为6. 9524 = 166.8(kWh) ,按目前电费0. 73元/ (kW h) 计算 可得,全年提升1 m污水的电费至少为4.44万元。 原设计为污水一次提升,处理水借重力可以排入 20年一遇洪水时的瀑河中(洪水位为15. 39 m) ,最后 一个构筑物设计水面标高为15. 90 m ,提升泵的静扬 程为17.33 m。 瀑河污水处理厂常水位标高约为11. 11 m ,参考 已有的工程实例,可设计瀑河污水处理厂段水位 13.25 m为开泵水位(以5年一遇河道洪水位作为开 泵控制水位,20一遇河道洪水位进行校核 ) , 推算出最 后一个构筑物出水井水面标高13. 76 m,比原来设计 15.90 m降低2.14 m,提升泵的静扬程也降低2.14 m。 设计优化后全年可节省电费4. 442. 14 = 9. 5 (万元)。一期提升泵房后的构筑物标高的降低增加 的挖方投资估算为13万元,一期拟设2台Q= 给水排水 Vol135 No16 200953 625 m3/ h ,h= 5 m的潜污泵于出水井中,2台泵的 价格共为8万元,加设液位计控制。增加的土建、 设 备投资约21万元,通过计算,两年多节省的电费即 可回收潜污泵的投资,其余的23年运营期中可节省 电费9. 523 = 218(万元)。 3 结语 污水处理厂的设计地面标高关系基建投资,排 入河流的洪水位及排水方式又决定着污水处理厂的 电耗,对于氧化沟工艺,电耗占运行费用的比例很 大,所以降低电耗是降低运行费用的关键。 城镇污水处理厂的自然地形、 所处河段、 河堤与 城市的防洪能力、 上游是否有水库等又是决定污水 处理厂防洪标准、 设计地面标高及排水方式的因素, 尤其上游水库是其中最为重要的因素。 这就是说,防洪标准不应是 “同一的”,而应具体 问题具体分析。所以在进行污水处理厂设计时必须 全面考虑上述因素,结合当地的实际情况,通过风 险 投资 效益来综合评价,科学、 合理地确定污水 处理厂的防洪标准、 设计地面标高、 排水方式等,以 降低基建投资和节省运行费用。 参考文献 1 GB 500142006 室外排水设计规范 2 中国市政工程东北设计研究院编.给水排水设计手册(第7册)城 镇防洪.第2版.北京:中国建筑工业出版社,2006 3 GB 5020194 防洪标准 4 中华人民共和国水法,2002 5 中华人民共和国防洪法,1997 6 唐受印,戴友芝等编.水处理工程师手册.北京:化学工业出版 社,2006 7 郑兴灿编.城市污水处理技术决策与典型案例.北京:中国建筑工 业出版社,2007 8 朱元甡.上海防洪(潮)安全风险分析和管理.水利学报,2002(8) : 2128 9 何圣兵,崔洪升等编.污水处理项目建设程序与工程设计.北京: 中国建筑工业出版社,2008 人工湿地