引言

随着城市化进程的加速，城市排水系统面临着前所未有的挑战。暴雨频发、基础设施老化、排水能力不足等问题导致城市内涝频发，不仅影响市民的日常生活和出行安全，还可能造成巨大的经济损失和环境污染。山西省忻州市作为一座历史悠久的城市，近年来也深受内涝困扰。为了解决这一难题，忻州市政府启动了一体化预埋泵站项目，旨在通过现代化、智能化的排水设施，全面提升城市排水系统的效率和可靠性，有效缓解内涝问题。本文将详细介绍忻州一体化预埋泵站项目的背景、技术特点、实施过程、实际效果以及未来展望，为其他城市提供可借鉴的经验。

项目背景

城市排水系统现状

忻州市位于山西省中北部，地处黄土高原，气候属于温带大陆性季风气候，夏季降水集中，且常伴有短时强降雨。近年来，随着城市规模的扩大和硬化地面的增加，地表径流系数增大，雨水下渗能力减弱，导致排水系统压力剧增。同时，忻州市部分区域的排水管网建设年代久远，管径小、坡度不足，甚至存在淤积、破损等问题，排水能力严重不足。每逢暴雨，低洼地区和主干道交叉口极易形成积水，造成交通瘫痪、车辆被淹、商铺进水等严重后果。

内涝问题的成因分析

  1. 自然因素：忻州市夏季降水集中，且短时强降雨频发，降雨强度远超排水系统的设计标准。
  2. 人为因素：城市扩张导致不透水面积增加，雨水径流速度加快；部分区域排水设施维护不及时，淤积严重；新建区域排水系统设计标准偏低，无法应对极端天气。
  3. 系统性问题：排水系统缺乏统一规划，上下游衔接不畅；泵站等关键节点设施老化，抽排能力不足；缺乏智能化监控和调度手段，应急响应效率低。

项目立项与目标

针对上述问题，忻州市政府于2020年启动了“城市排水系统提质增效工程”，其中一体化预埋泵站项目是核心子项目之一。项目目标包括：

  • 提升排水能力：在关键内涝点建设一体化预埋泵站，提高雨水抽排效率，确保在设计降雨强度下不发生内涝。
  • 智能化管理：集成物联网、大数据等技术，实现泵站的远程监控、自动运行和智能调度。
  • 绿色可持续：采用节能设备和环保材料，降低能耗和碳排放，促进海绵城市建设。
  • 长效运维：建立完善的运维体系，确保设施长期稳定运行。

一体化预埋泵站技术详解

什么是预埋泵站？

一体化预埋泵站是一种集成了水泵、控制系统、管道、阀门等设备的模块化排水设施。与传统泵站相比，它采用工厂预制、现场组装的方式，具有建设周期短、占地面积小、集成度高、自动化程度高等优点。预埋泵站通常埋设于地下，地表仅露出检修口和控制柜，不影响城市景观，特别适合在城市建成区改造中应用。

核心技术特点

  1. 模块化设计：泵站主体结构（包括筒体、水泵、格栅等）在工厂内完成预制，现场只需进行基础施工和模块吊装，大幅缩短施工时间。
  2. 智能控制系统：集成PLC（可编程逻辑控制器）和物联网模块，可实时监测水位、流量、设备状态等参数，并根据预设逻辑自动启停水泵。支持远程监控和手机APP管理。
  3. 高效水泵：选用潜水轴流泵或潜水排污泵，具有大流量、高扬程、低能耗的特点。部分泵站还配备了变频调速功能，可根据实际需求调整水泵转速，节能效果显著。
  4. 环保材料：筒体采用玻璃钢或不锈钢材质，耐腐蚀、寿命长；管道采用HDPE（高密度聚乙烯）管，抗压、耐老化。
  5. 防淤设计：泵站底部设有自动清淤装置或格栅，防止杂物堵塞水泵，减少人工维护频率。

与传统泵站的对比

对比项 传统泵站 一体化预埋泵站
建设周期 6-12个月 1-3个月
占地面积 大（需独立泵房） 小（地下埋设，地表无建筑）
自动化程度 低（需人工操作） 高（自动运行，远程监控）
能耗 较高（固定转速） 较低（变频调速）
维护难度 高（需定期清淤、检修） 低（模块化设计，易更换）
环境影响 大（噪音、景观破坏） 小（地下埋设，低噪音）

项目实施过程

选址与规划

项目团队首先对忻州市内涝点进行了全面排查，结合历史积水数据、地形高程和排水管网图，确定了10个关键内涝点作为泵站建设位置。这些点包括：

  • 火车站广场：地势低洼，暴雨时积水严重，影响旅客出行。
  • 和平路与长征街交叉口：主干道交汇点，排水不畅导致交通瘫痪。
  • 新建路商业区：商铺密集，内涝造成经济损失大。

每个泵站的选址均经过水文模拟和专家论证，确保其能有效覆盖周边排水区域。

设计与施工

  1. 设计阶段：根据各点的汇水面积、降雨强度和排水要求，设计泵站的流量和扬程。例如，火车站广场泵站设计流量为1.5立方米/秒，扬程8米，配备3台潜水轴流泵（2用1备）。
  2. 预制生产：泵站主体在工厂内完成预制，包括筒体、水泵安装、管道连接和控制系统集成。工厂内进行严格的质量检测，确保每个模块符合设计标准。
  3. 现场施工：
    • 基坑开挖：根据泵站尺寸开挖基坑，深度约5-6米，确保泵站埋设后地表平整。
    • 基础浇筑：浇筑混凝土基础，预留管道接口和电缆通道。
    • 模块吊装：使用起重机将预制模块吊装至基坑，精确对位后固定。
    • 管道连接：连接进出水管和市政管网，进行密封性测试。
    • 电气接线：连接电源和控制线路，安装传感器和监控设备。
    • 调试运行：进行单机调试和联动调试，模拟降雨场景测试泵站自动启停功能。
  4. 施工周期：每个泵站的现场施工周期约为2-3周，远短于传统泵站的数月时间。

智能化系统集成

每个泵站均配备了智能控制系统，其架构如下：

  • 感知层：安装超声波液位计、流量计、振动传感器等，实时采集水位、流量、设备状态数据。
  • 控制层：PLC根据预设逻辑（如水位达到阈值时启动水泵）自动控制水泵启停，并支持手动干预。
  • 网络层：通过4G/5G或光纤将数据上传至云平台，实现远程监控。
  • 应用层：云平台提供可视化界面，管理人员可通过电脑或手机APP查看各泵站运行状态、历史数据，并接收报警信息。

实际效果与案例分析

内涝缓解效果

项目于2021年汛期前完成全部10个泵站的建设并投入使用。2021年7月，忻州市遭遇了近十年最强降雨，最大日降雨量达120毫米。在传统内涝点，如火车站广场，过去积水深度可达50厘米，积水时间超过6小时。而新建的一体化预埋泵站发挥了关键作用：

  • 快速抽排：泵站自动启动，3台水泵全开，流量达1.5立方米/秒，积水在30分钟内降至10厘米以下，1小时内完全排干。
  • 智能调度：云平台根据各泵站水位数据，动态调整水泵运行策略，避免了相邻泵站同时满负荷运行导致的能源浪费。
  • 零故障运行：整个汛期，10个泵站均未发生故障，设备完好率100%。

经济效益分析

  1. 直接经济效益：

    • 减少财产损失：据忻州市应急管理局统计，2021年汛期因内涝造成的直接经济损失较往年下降约70%，主要得益于低洼商铺和车辆未被淹。
    • 降低运维成本：一体化泵站的自动化运维减少了人工巡检和清淤需求，年运维成本较传统泵站降低约40%。
    • 节能效果：变频调速技术使水泵能耗降低约25%，按每个泵站年耗电量计算，10个泵站年节电约15万度，折合电费约10万元。

  2. 社会效益：

    • 提升市民满意度：市民对城市排水系统的满意度从项目前的65%提升至90%以上。
    • 改善交通和商业环境：内涝点交通恢复时间缩短80%，商业区正常营业时间增加，促进了本地经济发展。
    • 增强城市韧性：项目为忻州市应对极端天气提供了基础设施保障，提升了城市整体抗灾能力。

典型案例：火车站广场泵站

问题描述：火车站广场是忻州市的门户，地势低洼，周边汇水面积约5公顷。过去每逢暴雨，广场积水严重，旅客需涉水进出，车辆无法通行，严重影响城市形象和旅客体验。

解决方案：建设一体化预埋泵站，设计流量1.5立方米/秒，配备3台潜水轴流泵。泵站埋设于广场地下，地表仅有一个检修口和控制柜。智能控制系统实时监测水位，当水位超过30厘米时自动启动水泵，水位降至10厘米时自动停止。

实施效果：2021年7月暴雨期间，广场积水深度从过去的50厘米降至15厘米以内，积水时间从6小时缩短至1小时。旅客出行基本不受影响，交通秩序井然。此外，泵站运行数据实时上传至市排水管理平台，管理人员可远程监控，及时处理异常情况。

挑战与解决方案

技术挑战

  1. 地质条件复杂：忻州市部分区域地下水位高，土壤松软，基坑开挖易塌方。解决方案：采用钢板桩支护和降水井降水，确保施工安全。
  2. 管网衔接问题：新建泵站需与现有排水管网对接，但部分老旧管网资料缺失。解决方案：采用管道探测机器人进行实地探测，精确确定接口位置和高程。
  3. 设备选型：不同内涝点的汇水面积和降雨强度差异大，需定制化设计。解决方案：基于水文模型进行模拟，为每个泵站量身定制水泵参数和控制系统。

管理挑战

  1. 跨部门协调：排水系统涉及市政、水务、交通等多个部门，协调难度大。解决方案：成立由市政府牵头的项目领导小组，建立定期联席会议制度，明确各部门职责。
  2. 资金压力：项目总投资约5000万元，资金筹措是关键。解决方案：采用“政府投资+社会资本合作（PPP）”模式，吸引企业参与建设和运营，减轻财政压力。
  3. 运维能力不足：传统排水部门缺乏智能化运维经验。解决方案：与设备供应商合作，开展技术培训，建立专业运维团队，并引入第三方运维服务。

环境挑战

  1. 噪音控制：泵站运行时可能产生噪音，影响周边居民。解决方案：选用低噪音水泵，并在泵站周围设置隔音屏障，确保噪音符合国家标准。
  2. 生态影响：施工期间可能对周边绿化造成破坏。解决方案：采用绿色施工技术，减少扬尘和噪音，并在施工后及时恢复绿化。

未来展望

技术升级方向

  1. AI智能调度：引入人工智能算法，基于历史降雨数据和实时气象预报，预测内涝风险，提前启动泵站，实现“预测性排水”。
  2. 数字孪生技术：构建忻州市排水系统的数字孪生模型，模拟不同降雨情景下的排水效果，优化泵站布局和运行策略。
  3. 可再生能源应用：在泵站顶部安装太阳能光伏板，为泵站供电，进一步降低能耗，实现“零碳排水”。

推广与复制

忻州一体化预埋泵站项目的成功经验已引起周边城市的关注。项目团队正在总结技术标准和管理经验，形成可复制的“忻州模式”，计划在山西省内其他城市推广。同时，项目数据已接入省级智慧水务平台，为区域排水系统协同调度提供支持。

长期运维机制

为确保泵站长期稳定运行，忻州市将建立“市级统筹、区级负责、企业运营”的运维体系。市级部门负责制定标准和监督考核，区级部门负责日常巡查，专业企业负责设备维护和故障处理。同时，建立泵站运行数据档案，定期分析运行效率，持续优化管理策略。

结论

忻州一体化预埋泵站项目是城市排水系统升级的成功实践，通过采用模块化、智能化、绿色化的技术手段，有效解决了内涝难题，提升了城市排水能力。项目不仅带来了显著的经济和社会效益，还为其他城市提供了可借鉴的经验。未来，随着技术的不断进步和管理模式的创新，一体化预埋泵站将在更多城市得到应用，为构建韧性城市、应对气候变化做出更大贡献。对于忻州市而言，这只是城市排水系统现代化征程的第一步，后续还需持续投入和优化，以实现排水系统的全面升级和可持续发展。