陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西西安 710001
摘要：通过对工程所处地理位置和环境的研究，从单级库区回用、景观水及中水回用和单级库区回用系统等方面对护城河水体循环进行了设计。
关键词：护城河；水体循环；泵站；输水管道
1工程概况
以西安市护城河工程为例。护城河占地面积约56万㎡，河道中心环线周长14.6km，横断面为梯形，上口宽14.5m（D78尚勤门）～54m（D101东门北），河底宽7.0m（尚勤门及北门桥）～24.6 m（D53西北角），深4.0m（D34）～15.5m(东南角)。河道东南角高、西北角低，河底落差11.3m，河堤外岸地形起伏较大，高差达21.6m[1]。
2气象水文
西安市属东亚暖温带半湿润大陆性季风气候区，主要特点是：四季分明，冬长夏短，冬夏温差大,雨热同季，夏季常出现暴雨，冰雹和旱情，冬季寒冷干燥，春秋季气温波动大的气候特点。多年平均气温为13.3℃，绝对最高气温41.7℃，绝对最低气温-20.6℃，市郊区多年平均风速2.2m/s，多东北（NE）向，土壤冰冻最大深度45cm[2]。降雨量极不均匀，平均降水量为597.2mm，最小年降水量285.2mm（1995年），最大年降水量876.8mm（1983年），雨季集中在7、8、9三个月份，约占全年降水的53%，在雨季常发生暴雨。西安市最大蒸发量发生在6月，最小蒸发量发生在12月，5～8月蒸发量占全年蒸发量59.2%，11～3月蒸发量仅占全年蒸发量18.0%[3]。
3水体循环设计
为了节约水资源，促进护城河水体的流动性，减少补水量，延缓水质富营养化，在本次改造设计中，结合护城河总体布置及地形特点，设计两种水体循环回用方案：①单级库区抽水回用方案；②治理范围内景观水及中水循环回用方案。单级库区回用方案拟通过在5#坝、8#坝、7#坝、6#坝的坝下游建立小型泵站系统，经过水泵加压，将流入下游蓄水库区的水抽入上一级蓄水区，通过坝面溢流下泄，形成动态瀑布景观。景观及中水循环回用方案通过在城河西北角新建水源补充泵站，将上游库区溢流下泄的景观水和污水处理达标中水，通过管道输送至东门北库区，作为景观水补充水量损耗，进一步节约水资源，减少原水利用，提高景观水的利用率，减少景观水排放对污水处理厂的压力。
3.1单级库区回用设计
治理段共新建5#～8#共4座溢流坝，将治理段分为4级库区。治理段护城河水面长、分级多。在新鲜活水水源引入有限的情况下，为实现每级坝面动态溢流瀑布景观，设计拟将逐级坝下库区水回用、抽送至上一级坝后库区，再通过坝面溢流。
3.2景观水及中水回用方案
护城河西门～北门～东门一期改造段长7.5km，西北角河道设计景观水位392.7m，6#坝库区景观水位401.70m，两者间水面高差9m，水体具备在重力作用下，从东门库区经东、北河道自流至城河西北角最低点。为了循环回用景观水，减少库区补水量，维持河道逐级坝面动态溢流景观效果，设计从护城河西北角设泵站、并沿护城河覆设管道抽水至东门北，再由东门北自流至西北角，实现水体循环回用。
3.3单级库区回用系统设计
3.3.1总体方案
设计拟在5#、6#、7#坝、8#下游库区距坝轴线均20m处设置一体化预制泵站，站内设潜水泵，通管道将水抽送至各级坝后上游库区，输水管道长度均为150m，沿河床底板面敷设。管道过坝段，沿坝肩岸坡绕过布置。
护城河内、外岸环城公园宽窄不一，外岸紧靠环城路，西城河外岸环城公园较为宽阔，北城河和东城河外岸紧邻环城路场地狭长。循环取水泵站头部、线路控制阀井布置结合场地地形，从施工要求考虑，确定将东城河6#坝段、北城7#、8#坝段循环泵站、输水管道及控制阀井等建筑物布置在河道内岸，而5#坝段则布置在河道外岸，几个坝段的工程布置形式基本一致，主要建筑物包括：循环泵站、控制阀井、输水管道等。
3.3.2泵站设计
为充分体现护城河水体流动水景观效果，水体翻越坝面时，坝顶水深不小于5cm。为确保坝顶溢流水深，泵站抽水流量不得小于拦水坝顶的下泄水量。坝面下泄流量按下面公式计算：
式中：Q—流量；b—堰宽；g—重力加速度；h1—堰上水深；H0—计入行进流速的堰上水头；σ淹—淹没系数。
四座坝的最大溢流宽度为26m，坝体溢流为非淹没状态，坝顶水深5cm，计入行进流速的堰上水头为6.5cm。经计算各级水泵的抽水流量应不小于0.5m3/s（1880m3/h）才满足坝面形成溢流效果，因此确定四级库区回用抽水泵站的设计流量取值均为0.5m3/s。
泵站出水压力输水管道作为循环系统的重要流道，影响着工程投资、运行电费及输水安全性，需结合工程经验，选用经济合理、性能安全可靠的管材。设计经复核后选定DN800口径，结合本工程特点，对钢管、球墨铸铁、HDPE三种常用管材投资费用+泵站运行抽水电费进行性价比较，主管DN800三种管材涉及费用比较详见下表1。
表1 不同管材费+运行电费比较表
三种管材中PE管重量轻，安装简易，管道内壁糙率小，沿损小。缺点是耐热、抗冻性能差，多用于中低压输水。钢制管道强度高，可承受的压力较高，管材及管件容易加工，管道敷设方便，对地形适应性较强，钢管接口形式比较灵活，可以焊接、法兰等连接。钢管的缺点是内外防腐要求严，必要时需要做阴极保护。球墨铸铁管性能与钢管相似，具有柔韧性，适应突发力强，且抗弯强度比钢管大，使用过程中管段不易弯曲变形，能承受较大负荷，其接口为承插胶圈柔性接口。具有伸缩性和曲折性，较适应基础不均匀沉陷，但脆性比钢管大。结合以上管材及运行电费比较结论，钢管和PE管费用相当、球墨铸铁管最经济，结合施工难易及耐久性，本次推荐球墨铸铁管材。
泵站选址首先应服从护城河治理总体景观规划要求，泵站头部距离拦河溢流坝址轴线均按20m控制，泵站采用正向进水，侧向出水。井筒直径3.8m，高度8.0m，井内设置下人爬梯满足检修交通需要。考虑井筒排空或检修需要在井筒进水管上增设检修阀井一座。井筒及阀井由供货商统一提供，材质为聚氨酯复合材料。因抽水流量相同，泵站进出水管道直径均为DN800、均按三台潜水电泵一列式布置在井筒内设计，按潜水泵启动运行最小淹没深度控制水泵的安装高程。泵站运行时，为防止故障断电所导致的出水管路水柱倒流情况，在三台水泵后出水支管上均安装止回阀一台，止回阀后设检修阀一台。三台水泵DN400出水支管在井筒内并成单根DN800母管出水。井筒泵站设现地控制箱实现对阀门及水泵的启停控制。进水阀井及井筒底座均采用C25砼底板，厚度400mm。阀井位置位于护城河坡面，井筒埋设开挖临时坡比为1:0.75。井筒临河侧及开挖坡面按古法箍城砌砖层防护设计。井筒顶部预留方形平台，确保井筒内主要设备检修起吊更换需要。
根据地质资料，四座泵站的井筒建基面均为粉质粘土，设计按夯实后铺设0.5m厚碎石垫层处理。
3.3.3输水管道设计
每座泵站的输水管道出泵站后均沿护城河岸坡埋设，出1#控制阀井过坝后到河床后按明管布置，每节管道设球墨铸铁管箍及管座一道，将管道固定于河床上，防止漂管移位，管箍下部采用预埋螺栓锚固在河底砼内。
4水质问题分析
由于受水体封闭、蒸发量较多以及流动性不足等问题影响，导致该段水体均出现了富营养化，若为解决该段水体富营养化问题进行频繁大量地换水，这对严重缺水的西安市是很大的问题。建国门～朱雀门段护城河前期建设过程中引入北石桥污水处理厂再生水作为补水水源，这样可以很好地节约水资源。但大峪水库地表水与北石桥污水处理厂再生水中的氮磷均容易引起建成段富营养化问题。补水水源氮磷单项营养指数如表2所示。
表2 补水水源氮磷单项营养状态指数表
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由表1可知，补水水源中大峪水库地表水总氮、再生水总氮与总磷的单因子营养状态指数均大于建成段的综合营养状态指数，这说明补水水源中超出相应标准的氮磷对建成段的富营养化贡献很大。因此对水源水质的提升改造对护城河建成段以及后期改造段的护城河的富营养化的改善十分必要。
5结论
本文以西安护城河为例，以西安护城河工程概况和当地水文气象出发，对护城河水体循环进行了设计，设计内容包括单级库区回用设计、3.2景观水及中水回用方案设计和3.3单级库区回用系统设计。
参考文献
[1]庞泽宇,王婷.西安市护城河水质调查及富营养化评价[J].陕西水利,2019(07):110-111+113.
[2]鞠恺.西安护城河水污染状况分析及控制途径探究[D].西安建筑科技大学,2011.
[3]龙怡静.以再生水为水源的景观水体藻类水华爆发条件与控制策略研究[D].西安理工大学,2020.