地下水应急水源地建设工程设计实例

张震芳，胡一越，彭广勇

(1．湖南省建筑设计院有限公司，长沙 410011；2．上海城建市政工程(集团)有限公司，上海 200065)

1 前 言

近年来水环境突发污染事故频发，水污染事故威胁城市供水安全，严重影响了社会的正常生产与生活。应急供水成为当前我国城市供水行业面临的一个新挑战。为了应对水源突发污染事件风险，保障城市供水的安全，必须主动采取相应措施，应对可能发生的水源突发污染事故，开发应急处理技术和工艺，建立健全应急处理设施，全面提升应对突发污染事件的能力[1-2]。尤其是对于单一供水水源地城市，建立健全应对突然污染导致的供水风险的策略、工程建设、处理工艺等是必要的基本手段。本文以南通市某区(主城区)地下水应急水源地设计建设工程为例进行总结凝练，提出地下水应急水源地设计建设思路和运行管理经验方法，以供参考。

南通市某区的主城区通过5条供水主线路(分别为通如引江供水工程、通州专线工程、通吕线通州段输水工程、通洋线通州段输水工程和通久线通州段输水工程)现已纳入南通市市域供水的范围，市域内正在运行的6座水厂(分别为崇海、狼山、洪港、芦泾、长青沙、海门长江水厂)均以长江为水源地，水源地单一，难以应对长江大面积突发性污染事件。为提升南通市某区供水水源的应急保障能力，南通市某区(主城区)提出建设地下水应急水源地工程。

2 应急水源规模分析

确定应急供水水源的规模是进行应急水源地建设的基本要素之一。本工程应急水源供水服务范围为南通市某区的主城区，服务人口为28.04万人。

本工程拟定应急供水时保障对象为：(1)在突发事件或其它非常情况引发供水危机时优先保证生活用水及重要生命线工程(医院、电力、通信、消防等)用水；(2)依据区域供水管网，应急供水覆盖全部供水服务范围；(3)应急供水规模应满足特大事故造成的极端应急状态下的城市供水的基本要求，不考虑高峰供水；(4)应急供水的居民生活用水，采用降低标准供应，保障基本生活之需。

据此，参考类似城市(“类似城市”指城市经济发展水平和用水定额相当的城市)应急供水水量[3]，确定本工程应急供水定额为80L/(人·d)，应急三产系数为0.22，未预见水量及漏损系数取0.15，根据上述参数，测算出应急需水量为3.15万m3/d。上述数据已获得当地政府批复。

考虑到主城区内现有深水井取水量为6 720m3/d，故南通市某区主城区地下水应急水源地建设工程的工程规模取2.5万m3/d。

本工程拟建位置试验井单井取水量为1 920m3/d，需要的深水井数量为13口，同时需设置2口备用井(备用井由建设单位另行择址建设)。

3 应急水源处理工艺流程

应急水源地处理工艺技术是保障应急供水的基本手段。在进行应急水源地规划设计建设的过程中，必须对水源地的水质进行深入的调研、监测，设计相应的处理工艺以及工程措施，以保证突然事件发生时，能快速启动，并确保供水水质安全。在本工程设计中，根据试验井水质检测报告，发现除铁元素含量(铁元素含量采用原子吸收法进行测定，检测结果为1.20mg/L)超过《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中的要求外，其余指标均满足标准要求。但需要注意的是，深水井内的水抽上地面一段时间后，原水的色度和浊度指标发生较大变化，具体的检测数据及方法见下表。

表 深井水色度和浊度比对分析表Tab. Colors and turbidity of measured deep well water

注：铂钴标准比色法来源于《生活饮用水标准检验方法 感官性状和物理指标》(GB/T 5750.4-2006)；浊度采用DR -3900型浊度计进行检验。

由表1可知，对抽出来的深井水立即进行色度与浑浊度的检测，与在空气中静置半小时后再进行色度与浑浊度的检测，检测数据显示该两项水质指标发生较大的变化。分析其原因，主要是由于铁元素超标，铁元素在深水井中以二价的铁离子存在，抽上地面后，迅速被空气中的氧气氧化成三价的铁离子，形成氢氧化铁沉淀，由于氢氧化铁呈黄色，导致深水井内的水抽上地面后在短时间内就发黄，变浑，导致色度和浑浊度、铁元素均超过《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求。

将在空气中氧化的水样经砂滤柱(砂滤柱采用粒径为0.6～1.2mm、厚度为1m的石英砂滤料)过滤后，再进行铁元素和浑浊度的检测，过滤前铁元素含量为1.2mg/L，浑浊度为8.20NTU，过滤后铁元素含量为0.05mg/L，浑浊度为0.14NTU。上述试验表明，采用传统的曝气除铁滤池能够有效的去除本工程水中的铁元素[4]，因此，本工程采用曝气除铁滤池，经过曝气除铁滤池氧化、过滤及后续消毒处理后，出水的所有指标能够满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求。

工艺流程为：深水井井群内的井水经深井潜水泵提升后，初期井水通过DN150排污出水管及其DN300连接管排至外河；经检测合格符合《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)要求的后期井水通过DN150清水出水管及其DN800连接干管输送至曝气除铁滤池，跌水、曝气、氧化、过滤除铁后重力自流至清水池，在清水池内接触消毒，经增压泵房增压后通过出泵站管线输送至市政供水管网上。

当夜间供水低峰时，也可将市政供水管网的自来水通过井群DN800的连接干管接至曝气除铁滤池，重力流至清水池，在供水高峰期时通过增压泵房增压后供至市政供水管网。

其流程如图1所示。

图1 工艺流程Fig.1 Water treatment process

4 应急水源工程设计

工程建设内容：(1)新建13口深水井(每口取水量为1 920m3/d，总取水量2.5万m3/d，另外两口备用深水井由建设单位择址另建)。(2)新建处理规模为2.5万m3/d的曝气除铁滤池1座。(3)新建单座有效容积为2 500m3的清水池2座。(4)新建规模为2.5万m3/d的增压泵房1座(K时为1.5)。(5)新建规模为2.5万m3/d的次氯酸钠加注间1座。(6)配套新建DN800的出泵站管线3.67km以及综合楼、门卫、进场道路等其他附属设施。

4.1 深水井设计

单个深水井设计取水能力为1 920m3/d，井室净尺寸3.8m(长)×2.5m(宽)×1.6m(深)。出水管分为两路，一路为排污管，一路为清水出水管，深水井出水管管路上的阀门均设于井室内。深水井井群内的井水通过深井潜水泵提升，深井潜水泵安装在动水位以下25m。

每个深水井DN150的清水出水管均接至一根DN800的井群连接干管上，然后输送至曝气除铁滤池；每个深水井DN150的排污出水管均接至一根DN300的井群连接干管上，然后就近排至外河。

4.2 曝气除铁滤池设计

曝气除铁滤池设计规模：2.5万m3/d。

曝气池进水管管径DN800，接自13口深水井DN150清水出水管汇集的DN800干管。

曝气池跌水高度：1.5m；曝气池跌水后直接进入除铁滤池进水渠。

除铁滤池分为三格，每格过滤面积为12.9m×6m，正常过滤时滤速为4.49m/h，强制滤速为6.73m/h，滤层上水深1.70m。采用较慢的滤速主要是为了保证除铁滤池在运行前期也有较好的除铁效果[5]，因为本工程为应急供水工程，并不经常运行。

除铁滤池承托层采用2～32mm砂石，厚度0.6m，过滤层采用粒径0.6～1.2mm的石英砂，粒径d10为0.85mm，不均匀系数K80为1.4，厚度1.0m。

除铁滤池采用大阻力配水系统。

除铁滤池在晚间供水低峰时进行反冲洗，反冲洗周期为48h，反冲洗强度为17m3/m2·h。

4.3 次氯酸钠加注间设计

建设规模2.5万m3/d。

消毒采用次氯酸纳溶液，次氯酸纳投加点为5处，一处设在曝气除铁滤池进水总管上，投加量2mg/L(有效氯)，两处设在清水池进水管上(每座清水池进水管上一处)，投加量2mg/L(有效氯)，两处设在清水池出水管上(每座清水池出水管上一处)，投加量1mg/L(有效氯)。

5 项目实施和运行管理经验

在进行应急水源的建设过程中，对水源地进行有效的运行维护管理是确保应急时快速启动的重要保障。以地下水作为应急水源，为防止地下水的过度开采，保证应急供水的水量和水质要求，需完成的主要工作有：(1)进行地下水资源调查评价，明确各含水层允许开采量和现状开采量，计算得出地下水开采潜力指数，当潜力指数>0时，地下水才具备开采潜力。(2)开凿试验井，进行水文地质参数分析与抽水试验、水位恢复试验，发掘富水性较好的含水层，确定单井抽水量。鉴于施工成本因素，试验井作“探采结合井”处理，即按勘探孔钻探，钻进至预定深度后测井，确定含水层位置，然后扩孔，按生产井要求成井，进行洗井和抽水试验，之后保留作将来的生产井使用。(3)对地下水水质进行检测，并通过合适的处理工艺确保出水水质达标。(4)采用管井取水时应设置备用井，备用井的数量宜参照10%～20%的设计水量所需井数确定，但不得小于1口井。

深水井的实施是保证项目有效运行的关键，深水井井体施工流程如图2所示。

图2 深水井井体施工流程[6]Fig.2 Deep well construction process

根据项目实际情况，得出运行经验主要有：(1)进行深水井的定期抽水工作。每15d每口深水井进行一次抽水，每次抽水时间2h。为避免形成短时的水位降落漏斗，井群的抽水尽可能地轮流分散进行；(2)深水井维护。深水井每(正常)使用2～3年需进行一次维护保养，主要工作为洗井，目的是疏通过滤器和清理沉淀管内的泥沙。本项目深水井非正常使用，保养周期宜定为1年2次。同样，井群轮流进行养护。(3)增设回水管。为了防止清水池长期不用导致的开裂，特从增压泵房出水管上增加一路回水管。为防止清水池内的水变质，清水池内的水停留时间也不宜超过48h。(4)进行深井潜水泵的年度保养工作。

通过上述工程及管理措施，可防止深水井滤水管堵塞导致的取水量下降，使得本工程深水井和应急供水泵站处于常备用状态，一旦需要启用，可随时投入运行。

6 结 论

为了应对水源突发污染事件风险，保障城市供水的安全，建立维护应急水源地是其中有效的保障手段。本文通过对南通市某区(主城区)地下水应急水源地设计、建设以及工程运行管理经验为实例进行总结凝练，提出以下结论建议：

6.1 以地表水为单一水源的城市，应客观正视水质下降和存在突发性水源污染的现状，提前合理规划，建设应急水源地作为城市供水备用方案；

6.2 对地下水应急水源地应高度重视水质安全保障的措施，需通过管理措施使得深水井和应急供水泵站处于常备用状态，本工程相关设计和运行经验可供相似情况城市参考。