设计案例 | 紧凑用地条件下城市应急备用水源地如何设计？
城市应急备用水源是饮用水安全保障的重要措施，《城镇水务2035年行业发展规划纲要》提出加快应急或备用水源建设，做好地表地下、河流湖库等多类水源统筹。目前，我国地下水资源量为8553.5亿m³，地下水作为重要的水资源组成部分，经科学评价和确定，合理的开发是可行并有必要的。为提升城市应对主水源突发污染等事件能力，保障供水安全，并缓解现阶段中心城区高峰时段供需矛盾具有一定意义。
对于地下水作为应急备用水源应用及水厂，其水质往往伴随铁锰超标问题，为高效、稳定去除铁锰，国内外学者开展了大量的研究，并加以工程实践，按照不同工程条件，可对各类技术进行灵活应用。与此同时，城市发展使得用地在某种程度上成为难以再生的宝贵资源，建设用地不足、用地指标远低于国家或行业相关标准的情况正逐渐成为常态，更加紧凑的总图布局也能因节约用地而为项目带来较好的可实施性和经济性。
本文原标题《紧凑用地条件下西安东北郊应急备用水源地项目工程设计》，发表于《净水技术》2021年第11期。
[作者简介] 雷春元（1967— ），男，硕士，高级工程师，研究方向为城市供水系统及水处理技术。
[通信作者] 钟燕敏（1977— ），女，硕士，正高级工程师，研究方向为城市供水系统及水处理技术。
本文基于西安东北郊应急备用水源地项目的水厂部分的设计经验，总结紧凑用地条件下，如何针对项目及地下水原水中锰离子微量超标等问题，采用简洁工艺、高效设施、叠合布置等方式，实现在满足生产、管理等要求的同时，做到运行管理便捷，为类似项目提供一定借鉴。
西安市的城市供水，经历了“以地下水为主”向“以地表水为主，地下水调峰应急”的格局转变。
东北郊水源地位于灞河东岸，根据《西安市城市总体规划》和《西安市“十三五”城市供水规划》，由于目前受水源限制，市区高峰供水水量紧张，东北郊水源地担负着向市区东郊区域的备用供水任务；在远期引汉济渭及配套工程通水后，本水源地将转变为兼具城市应急和备用功能的水源工程，在遭遇特大干旱、主水源突发污染事故等情况下，可作为城市供水的应急和备用水源，提高西安主城区供水安全保障程度。
西安东北郊应急备用水源地工程于2019年启动，开发东北郊水源地这一地下水水源，并建设水厂以满足应急供水和向市区调峰需求，充分发挥地下水源作为城市应急和备用水源的供水能力。
根据供水规划，本工程规模为10万 m³/d，包含新建地下水水源地以及净水厂、原水输水管线、清水管线等配套设施。
水源地分段村和东北郊两处，其中东北郊水源地原水产水量占本工程原水量76%，段村水源地原水产水量占本工程原水量24%。水厂选址位于浐灞生态区，用地条件受限，仅15亩，远小于同类工程用地面积和国家标准。
本工程76%的原水量都来自东北郊水源地，因此，原水水质分析结论仍应以东北郊水源地为主。
根据东北郊水源地2015年—2016年枯、丰二期探采结合井的水样检测结果，总体来看，东北郊水源地的浅层和深层承压井水质良好，基本符合国家《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ类标准的要求，浊度最高为3.7 NTU，总大肠菌群最高为260 MPN/100 mL，浅层承压井存在锰超标的情况。
地下水水源经开采并长期运行后，水质可能会受补给的影响而发生变化，因此，参考西安市长期运行的地下水源水质情况，地下水源地的原水水质综合状况较好，细菌总数、大肠杆菌群、浊度、锰等指标存在超标现象，浊度最高可能接近10 NTU。水质受有机污染的风险较小，但锰、氨氮、亚硝氮等指标的污染风险较高，其中，氨氮可能升高至1.0 mg/L，并存在嗅味和生物絮体爆发的风险。
通过原水水质分析，本工程主要特征污染物指标及设计取值如表1所示。
综上所述，本工程近期净水工艺以去除锰、除浊度、杀灭微生物为主要目标。同时，随着水源地长期运行，地下水氨氮、亚硝氮等指标存在升高风险，应留有适当预防措施。另外，工艺的选择，也应适应工程用地条件，做到简洁、节地。
由于地下水总体浊度较低，可直接采用砂滤进行除浊；细菌指标采用次氯酸钠投加确保出水卫生安全。对于锰的去除，是工艺选择的要点。
工程上常用的除锰工艺有化学氧化法（氯或高锰酸盐）、接触氧化法和生物氧化法等。由于生物氧化法一般滤速在5~6 m/h，本工程用地受限不适用，故拟采用化学氧化法和接触氧化法进行结合进行除锰，在接触氧化前增加化学氧化工艺，可提升接触除锰效果启动速度，同时可保障稳定的除锰效果。
化学氧化剂选择了消毒副产物生成风险低、可加速锰质滤膜生成、存储较为安全的高锰酸盐。待滤料表面形成成熟的锰质滤膜后，可少加或不再投加高锰酸盐氧化剂。
参考当地类似地下水源运行经验，工艺预留了可能发生的原水氨氮、亚硝酸盐氮升高的应对措施——曝气单元远期视需要可增加悬浮填料，以实现生物除氮。
综上分析，适合于东北郊水厂的净水处理工艺流程如图1所示。
设曝气接触氧化池1座，分可独立运行的2格，对称布置，下叠清水池，如图2、图3所示。为应对今后地下水水质可能发生的恶化情况，曝气池设计预留增加悬浮填料球填充的可能，以增强氨氮去除效果。接触氧化时间约为30 min，有效水深为5.3 m，设计最大气水比为0.5:1。曝气接触氧化池分为三道，设置上下翻水堰，分段曝气。
由于翻板滤池采用翻板阀排水，滤格内不设中央排水渠，较V型滤池节地约10%，因此本工程过滤采用1座翻板滤池，下叠清水池，如图4、图5所示。滤池共分6格，单格过滤面积为96 ㎡，设计滤速为7.6 m/h，强制滤速9.1 m/h。滤料采用均质石英砂滤料，D10＝0.85 mm，不均匀系数K80=1.4，厚度为1.3 m；承托层采用3.0~12.0 mm分层砾石，厚度为0.45 m。冲洗水源来自屋顶水箱，水冲强度调节通过冲洗水总管及单格滤池进水管上的电动调流阀门联合控制。
本工程共设有3座清水池，分别叠建于鼓风曝气池、翻板滤池、综合加药间下方，串联运行，总有效容积共14 600 m³，达到设计水量的14.6%。为节约用地，下叠清水池采用了5.5~6.3 m的有效水深。清水池兼用于消毒接触，内部廊道总长与单宽比不小于50。
3座清水池通过管路切换，可在任一座清水池进行清洗时对其进行超越。
设吸水井和二级泵房1座，时变化系数1.3，与配电间合建，其中变频器室上叠于吸水井上。泵房内设4组泵机，3用1备。单泵流量为1 810 m³/h，扬程为75 m，功率为560 kW，全变频。
综合加药间内设置高锰酸盐和加氯装置，与机修仓库、水质化验间、水源热泵机房合建，并下叠清水池。
高锰酸盐投加采用外购的1%商品液，最大加注量1.0 mg/L；高锰酸盐投加点设置在曝气池前、后，可以切换运行；次氯酸钠采用外购商品液稀释至5%投加。水厂设前加氯、主加氯和后补氯，全厂最大总加氯量为2.5 mg/L。
综合附属车间包含鼓风机房、脱水机房和排水池等。
鼓风机房位于综合附属车间北端，用于曝气接触池充氧和滤池反冲洗。
排水池下叠于鼓风机房和配电间下，分为独立2格，用于收集滤池反冲洗水和初滤水，提升废水至造粒流化床浓缩池处理。
脱水机房布置有用于浓缩的造粒流化床和离心脱水机等设备。脱水机房内设造粒流化床设备2套、离心脱水机1台。
水厂自动化系统为以PLC控制为基础的集散型控制系统，水厂设备的软硬件及系统配置按现场无人值守，水厂中心控制室集中管理运行的标准设计。水源地自动化系统按分散控制、集中管理进行考虑。
水厂占地面积15亩，因此，水厂总平采用了紧凑布置方式，布置如图6、图7所示。生产区曝气池、滤池及送水泵房位于厂区正中央，东侧为综合辅助车间，西北角上为加药间，清水池叠建于各单体下方。管理区为于西南角，设综合管理楼。
为满足厂区内管线埋设需求和方便运行检修，在二级泵房南侧道路下设地下管沟，用于安装大口径生产管路及控制阀门。
水厂通过高度集约化设计，实现了应急备用水源地项目水厂制水规模目标，也在一定程度上增加了投资和运营成本，但分析表明，投资是可接受的。
本次工程直接费用合计48 097.02万元，建设项目总投资为65 238.53万元。其中，水厂部分工程费用为18 033.04万元，折合吨水投资指标为1 803.20元/m³。
根据测算，东北郊水厂达产后，单位制水成本为2.123元/m³。其中，单位制水可变成本为0.64元/ m³。
水厂在1.0×104 ㎡用地条件下布置了10×104 m³/d规模具备曝气、过滤、消毒、调蓄功能的地下水水厂，用地指标为0.1 ㎡/（m³∙d-1），仅是《城市给水工程规划规范》（GB 50282—2016）表7.0.6中地下水厂指标0.30 ㎡/（m³∙d-1）的三分之一，并充分满足了净水、调蓄、运行、管理等要求，实现了土地和地下空间的高效利用。
对水厂部分不同用地条件的经济性进行了比较，由表2可知由于紧凑用地条件下水厂虽然工程费用有所增加，但征地及拆迁费用显著降低，且埋深增加对年运行费用影响有限，故在经济性方面，考虑到日益紧张的土地资源成本，紧凑用地形式的布置具有显著优势。
（1）作为重要的水资源组成，西安以东北郊和段村地下水作为城市常规水源的补充，作为应急水源和备用水源，既符合限制地下水资源开发的方针，又可提升城市应对常用水源突发事件能力、缓解现阶段地表水在高峰时段的不足，可供其他城市应急或备用水源建设作为借鉴。
（2）结合原水水质特点和当地地下水水厂运行经验，水厂工艺选用了“高锰酸盐预氧化/曝气氧化池+砂滤池+氯消毒”，并为远期可能产生的原水水质变化，预留了将曝气氧化池转变为生物接触氧化池的工程措施。
（3）由于用地限制，以及项目定位为城市供水的应急和备用，单体设计采取了叠建和加大池深等方式，土建投资和日常运行费用较常规的水厂略有增高，但考虑征地费用后经济性较为显著，工程建设项目总投资65238.53万元，单位制水成本为2.123元/m³，其中单位制水可变成本0.64元/m³。
（4）本工程用地指标仅0.1 ㎡/（m³∙d-1），远低于国家规范要求的用地指标。在紧凑用地条件下，设计采用以下多重措施，实现在满足生产、管理等要求的同时，做到运行管理便捷，真正做到“空间叠合，功能完备”。在保障供水及水质安全的前提下采用简洁工艺；采用翻板滤池、造粒流化床、叠螺机等节地高效池型和设备设施；采用加大池深、单体叠建方式进行地下空间高效利用；借鉴综合管廊思路，在管线密集区域设置地下管沟，便于施工、检修；设备及控制采用较高自动化水平，适应叠建设施运行需求，并提升控制效率。
为方便阅读，本文对原文有所删减，可以扫描下方二维码阅读原文。
本文引用格式
雷春元, 钟燕敏, 倪木子. 紧凑用地条件下西安东北郊应急备用水源地项目工程设计[J]. 净水技术,2021,40(11):147-152.
LEI C Y, ZHONG Y M, NI M Z. Engineering design of the Dongbeijiao emergency and standby water supply source project in Xi′an under
compact land use conditions[J]. Water Purification Technology, 2021, 40(11):147-152.
排版：西贝
校对：万梓薇
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