調(diào)蓄池對雨水系統(tǒng)排澇能力的影響

上海雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)很低。大部分雨水系統(tǒng)建設(shè)的重建期為一年零一個周期，不能滿足新規(guī)劃提出的重要區(qū)域的排水標(biāo)準(zhǔn)為3.5年一遇。為配合上海市西北副中心的建設(shè),真如系統(tǒng)改造規(guī)劃擬利用調(diào)蓄池將系統(tǒng)內(nèi)重要地塊的排水標(biāo)準(zhǔn)從1年一遇提高到3年一遇。該系統(tǒng)具備上海市排水系統(tǒng)的典型特點:小區(qū)水泵強(qiáng)排水方式、與相鄰系統(tǒng)存在連通、雨水系統(tǒng)與污水系統(tǒng)存在混接。研究調(diào)蓄池在真如系統(tǒng)改造中的應(yīng)用效果可為其他排水系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)改造提供經(jīng)驗。本文利用排水系統(tǒng)模型對真如雨水系統(tǒng)進(jìn)行水力模擬,評估在不翻排現(xiàn)有管道、不增加現(xiàn)有泵站規(guī)模的條件下,提高系統(tǒng)局部排水標(biāo)準(zhǔn)所需的調(diào)蓄池容積。并與翻排管道對比,分析利用調(diào)蓄池降低工程改造費用的作用。1研究領(lǐng)域1.1真西水泵系統(tǒng)真如系統(tǒng)為已建成的分流制雨水系統(tǒng)。服務(wù)面積345hm2,原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為1年一遇。系統(tǒng)采用城市小區(qū)強(qiáng)排水方式,雨水由真西泵站提升排入桃浦河。泵站配置SCADA系統(tǒng),可實時采集、傳輸降雨量、前池水位及開、關(guān)泵數(shù)據(jù)。真如雨水系統(tǒng)和污水系統(tǒng)存在一定程度的混接。為控制初期雨水和混接污水直排河道造成污染,同時防止暴雨期間服務(wù)區(qū)域發(fā)生積水,真西泵站的運行采用多模式操作規(guī)程:旱天采用高水位運行方式,控制混接污水入流以及地下水入滲,并設(shè)置截流泵輸送污水到合流污水管道,杜絕旱天排江;雨天采用低水位運行方式,通過預(yù)抽空加大系統(tǒng)調(diào)蓄容積,保證暴雨期間服務(wù)區(qū)域的安全。根據(jù)上海市西北副中心改造規(guī)劃,真如排水系統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)(西北副中心的行政辦公中心)面積約47hm2,設(shè)計重現(xiàn)期需提高到3年一遇。1.2真如系統(tǒng)與真光系統(tǒng)的連接上海市城區(qū)大多數(shù)雨水系統(tǒng)與相鄰系統(tǒng)是相互連通的?，F(xiàn)場調(diào)查表明,相鄰的真光系統(tǒng)與真如系統(tǒng)相通,真光泵站的運行對真如雨水系統(tǒng)的水力狀況有較大影響。為了使模型真實反映實際情況,同時簡化模型復(fù)雜度,將真如和真光兩個雨水系統(tǒng)一起納入模型評估范圍。在真如系統(tǒng)模擬中考慮真光排水系統(tǒng)的影響,對提高模型精度具有明顯作用。2調(diào)蓄池體積計算采用英國Wallingford公司開發(fā)的InfoWorksCS模型軟件,根據(jù)普陀區(qū)管道現(xiàn)狀勘測數(shù)據(jù)和副中心排水系統(tǒng)改造規(guī)劃方案,建立包括真如、真光雨水系統(tǒng)支管、干管、泵站在內(nèi)的計算機(jī)水力模型。在以泵站實際運行的SCADA數(shù)據(jù)率定模型的基礎(chǔ)上,規(guī)劃調(diào)蓄池的體積。InfoWorksCS提供多種數(shù)學(xué)模型可供選擇,本文研究采用的水文水力模型如下:(1)徑流體積模型。非滲透表面采用固定徑流系數(shù)模型:初期損失之后的徑流量為與前期狀況無關(guān)的固定值。定義凈雨量的一個固定百分比作為徑流量。滲透表面采用霍頓滲透模型(經(jīng)驗公式),用于滲透表面和半滲透表面的產(chǎn)流計算。主要參數(shù)為初始下滲率、穩(wěn)滲率和衰減率。(2)匯流模型。選用美國環(huán)保局暴雨管理模型SWMM的匯流方法:用運動波方程和非線性水庫方法計算流入節(jié)點的流量過程線。(3)管道水力模型按圣·維南方程組求解。3模型的基本配置3.1滲透量確定及用地類型劃分劃分3種產(chǎn)流表面:路面、屋面、滲透面。前兩者為非滲透表面,產(chǎn)流公式采用固定徑流系數(shù)法;后者用霍頓滲透公式計算降雨產(chǎn)生的滲透量。具體產(chǎn)匯流參數(shù)值經(jīng)率定后確定。根據(jù)真如系統(tǒng)現(xiàn)狀和規(guī)劃方案,劃分5種用地類型:居住用地、行政辦公用地、商務(wù)設(shè)施用地、公共文體用地、綠地。通過航拍圖分析及現(xiàn)場調(diào)查,確定服務(wù)面積的用地類型及比例。各類用地的產(chǎn)流表面組成見表1。3.2流量和沉淀3.2.1地下水漏失地真如系統(tǒng)的雨水管道與污水管道存在一定程度的混接,而且系統(tǒng)處于流沙型地質(zhì)區(qū)域,根據(jù)該地區(qū)部分管道CCTV檢測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)部分管道存在缺陷,導(dǎo)致地下水滲漏。因此,模型中旱天入流基礎(chǔ)量應(yīng)包括混接污水量和地下水滲入量。模型采用管道恒定入流量表示旱天入流基礎(chǔ)量。根據(jù)真西泵站旱天截流量及系統(tǒng)服務(wù)面積,估計旱流量為2080m3/(km2·d),并根據(jù)各管段服務(wù)面積確定對應(yīng)入流量。通過模擬旱天截流泵的運行,對照真西泵站前池旱天水位,對模型入流量進(jìn)行調(diào)整,使系統(tǒng)的旱天水位保持在2.5~2.9m實際運行水位。3.2.2影響較大的因素管道沉積物厚度會減小管道斷面面積,對水力狀況產(chǎn)生較大影響。真如系統(tǒng)已經(jīng)建成多年,管道有一定厚度沉積物?？紤]當(dāng)前的養(yǎng)護(hù)水平,并參考上海市管道檢測與修復(fù)課題的研究結(jié)果,設(shè)置管道內(nèi)沉積物厚度見表2。3.3井深具有的儲水容量模型僅將雨水支管與干管納入模型,沒有計入雨水井、連接支管及街坊管道,這部分管道及井深具有的儲水容量須加以補(bǔ)償,以反映排水系統(tǒng)的真正容量。本研究采用WaPUGusernote15方法自定義參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。該方法假設(shè)集水區(qū)面積沿管道長度線性分布,不論真實的管道系統(tǒng)如何連接,都相當(dāng)于用假設(shè)的連接管連接屋面/路面到模型管道。4降雨事件模型率定和產(chǎn)流參數(shù)模型的率定是對模型待定參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使得模擬結(jié)果與實測值相符合的過程。從真西泵站的SCADA系統(tǒng)2005年數(shù)據(jù)庫中挑選20050628、20050708和20050921三次降雨事件的數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定。就出流峰值、體積、形狀和前池水位來說,SCADA統(tǒng)計的泵站出流量以及前池實際水位,與模擬流量、模擬水位基本吻合。圖1、圖2為20050628降雨事件模擬結(jié)果與實測值的比較。經(jīng)率定后的產(chǎn)流參數(shù)見表3。模型的驗證是對率定后的模型,采用不同的降雨事件進(jìn)行模擬,考察模型的正確性。以20050706和20050730兩場降雨事件對模型進(jìn)行了驗證,模擬結(jié)果與實際情況基本符合。5調(diào)整儲水池的水流量模型5.1排水系統(tǒng)排水方案優(yōu)化短歷時設(shè)計暴雨常用于管網(wǎng)水力模擬,輔助排水系統(tǒng)設(shè)計。通過考察設(shè)計暴雨產(chǎn)生的徑流洪峰是否造成排水系統(tǒng)積水漫溢,評價不同方案的管網(wǎng)排水能力。本文研究采用的設(shè)計暴雨分別為重現(xiàn)期1年一遇和3年一遇,對應(yīng)的最大小時降雨強(qiáng)度分別為35.5mm和49.6mm。設(shè)計暴雨采用模式雨型,峰值時間為降雨歷時的0.37,總降雨歷時2h,各時段對應(yīng)的暴雨強(qiáng)度由上海市暴雨強(qiáng)度公式推得。5.2雨水抽回系統(tǒng)模型的建立調(diào)蓄池采用線外地下式,入流方式采用可動閘門,避免晴天旱流入池。調(diào)蓄池降雨開閘,雨停關(guān)閘,用水泵將儲存的雨水抽回雨水管道系統(tǒng)。模型通過實時控制方案設(shè)置閘門開口高度加以實現(xiàn)。調(diào)蓄池選址位于高標(biāo)區(qū)上游北側(cè)綠地下,見圖3。綠地具有可利用地下空間,且地處高標(biāo)區(qū)上游,在此建造調(diào)蓄池可以削減上游來水洪峰,減小進(jìn)入高標(biāo)區(qū)管道的流量,使高標(biāo)區(qū)內(nèi)按1年一遇設(shè)計的管道能夠排放3年一遇暴雨徑流。5.3調(diào)蓄池的體積分別采用1年一遇和3年一遇設(shè)計暴雨對真如改建系統(tǒng)進(jìn)行水力模擬。以3年一遇設(shè)計降雨下高標(biāo)區(qū)節(jié)點不發(fā)生積水為原則,確定調(diào)蓄池體積。5.3.1高標(biāo)區(qū)管網(wǎng)暴雨徑流模擬分析對于重現(xiàn)期1年一遇以上的暴雨,為使管道系統(tǒng)本身容積發(fā)揮應(yīng)有作用,應(yīng)通過預(yù)抽空提高管網(wǎng)系統(tǒng)降雨時的容蓄能力,并使系統(tǒng)保持低水位運行。模型通過實時控制方案予以實現(xiàn),使真西雨水泵站前池水位不超過0m,真光雨水泵站前池水位不超過0.5m。經(jīng)模擬,當(dāng)調(diào)蓄池體積達(dá)10000m3時,高標(biāo)區(qū)管網(wǎng)能夠排放3年一遇暴雨徑流。然而模擬結(jié)果表明,此時高標(biāo)區(qū)及其上游區(qū)域都達(dá)到了3年一遇排水能力。調(diào)蓄池體積過大,原因是未對進(jìn)入高標(biāo)區(qū)的流量進(jìn)行控制,調(diào)蓄了整個高標(biāo)區(qū)及其上游區(qū)域的超標(biāo)水量,這與僅提高局部地塊排水標(biāo)準(zhǔn)的改造目標(biāo)不符,增加了工程規(guī)模。5.3.2雨水直排系統(tǒng)控制策施由管道系統(tǒng)現(xiàn)狀可知,通入高標(biāo)區(qū)的管道主要是高標(biāo)區(qū)上游的干管,以及與相鄰真光系統(tǒng)連通的支管。真光和真如系統(tǒng)相通處,真光系統(tǒng)管道標(biāo)高高于真如系統(tǒng),導(dǎo)致雨水從真光大量流入真如,加大了真如高標(biāo)區(qū)雨水管道的負(fù)荷。采用輔助工程性措施對進(jìn)入高標(biāo)區(qū)的流量進(jìn)行限制,可減小所需調(diào)蓄容積。在模型中,對上游干管設(shè)置可調(diào)節(jié)堰,控制上游來水,使上游區(qū)域排水能力維持在1年一遇;對連通管道采取增加閥門調(diào)控方式,限制正常情況下真光系統(tǒng)的雨水流入真如高標(biāo)區(qū)域。實際工程中,國外已有多種限流器可供選擇。加入控制措施后的模型仍按低水位實時控制模擬,結(jié)果表明當(dāng)調(diào)蓄池容積達(dá)3000m3(按47hm2折算,調(diào)蓄深度為6mm)時,高標(biāo)區(qū)能夠承受3年一遇暴雨。同時,高標(biāo)區(qū)上游調(diào)節(jié)堰的設(shè)置也不會對上游區(qū)域1年一遇降雨的排放造成限制。6工程性控制措施為分析調(diào)蓄池在降低改造工程費用方面的作用,將建造調(diào)蓄池與翻排高標(biāo)區(qū)及其下游管道進(jìn)行達(dá)標(biāo)改造方案的成本進(jìn)行對比。通過模型計算確定翻排方案所需翻排管道的范圍及規(guī)模,并加大泵站配泵能力。模擬結(jié)果表明,若不采用工程性控制措施對上游及其真光系統(tǒng)來水進(jìn)行控制,使高標(biāo)地區(qū)達(dá)到3年一遇標(biāo)準(zhǔn)所需翻排規(guī)模相當(dāng)大。在加入工程性控制措施之后,改造規(guī)模及投資可大幅減小。表4列出了3種方案的建造成本估算。由表4可知,若不采用工程性控制措施(設(shè)置調(diào)節(jié)堰、閘門)對流入高標(biāo)區(qū)的徑流加以限制,達(dá)標(biāo)改造的成本相當(dāng)高。加入工程性措施后,投資可以減少一半。表4僅列出了翻排管道所需安裝新管的造價,尚未計入開挖拆除舊管所需成本,以及泵站加大規(guī)模所需建設(shè)費用。總之,從造價來看,建造調(diào)蓄池比翻排管道節(jié)省投資50%以上,而且考慮到翻排管道對交通市容造成的負(fù)面影響以及相應(yīng)的社會成本,可能存在的管位不足等問題,調(diào)蓄池用于已建系統(tǒng)改造的優(yōu)勢是非常明顯的。7調(diào)蓄池的應(yīng)用(1)水力模擬結(jié)果表明,調(diào)蓄池體積為3000m3(折合調(diào)蓄深度6mm)時,真如高標(biāo)區(qū)排水標(biāo)準(zhǔn)能從1年一遇提高到3年一遇。(2)采用可調(diào)節(jié)堰等工程性措施調(diào)控上游