调蓄池对雨水系统排涝能力的影响

调蓄池对雨水系统排涝能力的影响

上海雨水排水系统的设计标准很低。大部分雨水系统建设的重建期为一年零一个周期，不能满足新规划提出的重要区域的排水标准为3.5年一遇。为配合上海市西北副中心的建设,真如系统改造规划拟利用调蓄池将系统内重要地块的排水标准从1年一遇提高到3年一遇。该系统具备上海市排水系统的典型特点:小区水泵强排水方式、与相邻系统存在连通、雨水系统与污水系统存在混接。研究调蓄池在真如系统改造中的应用效果可为其他排水系统的达标改造提供经验。本文利用排水系统模型对真如雨水系统进行水力模拟,评估在不翻排现有管道、不增加现有泵站规模的条件下,提高系统局部排水标准所需的调蓄池容积。并与翻排管道对比,分析利用调蓄池降低工程改造费用的作用。1研究领域1.1真西水泵系统真如系统为已建成的分流制雨水系统。服务面积345hm2,原设计标准重现期为1年一遇。系统采用城市小区强排水方式,雨水由真西泵站提升排入桃浦河。泵站配置SCADA系统,可实时采集、传输降雨量、前池水位及开、关泵数据。真如雨水系统和污水系统存在一定程度的混接。为控制初期雨水和混接污水直排河道造成污染,同时防止暴雨期间服务区域发生积水,真西泵站的运行采用多模式操作规程:旱天采用高水位运行方式,控制混接污水入流以及地下水入渗,并设置截流泵输送污水到合流污水管道,杜绝旱天排江;雨天采用低水位运行方式,通过预抽空加大系统调蓄容积,保证暴雨期间服务区域的安全。根据上海市西北副中心改造规划,真如排水系统高标准地区(西北副中心的行政办公中心)面积约47hm2,设计重现期需提高到3年一遇。1.2真如系统与真光系统的连接上海市城区大多数雨水系统与相邻系统是相互连通的。现场调查表明,相邻的真光系统与真如系统相通,真光泵站的运行对真如雨水系统的水力状况有较大影响。为了使模型真实反映实际情况,同时简化模型复杂度,将真如和真光两个雨水系统一起纳入模型评估范围。在真如系统模拟中考虑真光排水系统的影响,对提高模型精度具有明显作用。2调蓄池体积计算采用英国Wallingford公司开发的InfoWorksCS模型软件,根据普陀区管道现状勘测数据和副中心排水系统改造规划方案,建立包括真如、真光雨水系统支管、干管、泵站在内的计算机水力模型。在以泵站实际运行的SCADA数据率定模型的基础上,规划调蓄池的体积。InfoWorksCS提供多种数学模型可供选择,本文研究采用的水文水力模型如下:(1)径流体积模型。非渗透表面采用固定径流系数模型:初期损失之后的径流量为与前期状况无关的固定值。定义净雨量的一个固定百分比作为径流量。渗透表面采用霍顿渗透模型(经验公式),用于渗透表面和半渗透表面的产流计算。主要参数为初始下渗率、稳渗率和衰减率。(2)汇流模型。选用美国环保局暴雨管理模型SWMM的汇流方法:用运动波方程和非线性水库方法计算流入节点的流量过程线。(3)管道水力模型按圣·维南方程组求解。3模型的基本配置3.1渗透量确定及用地类型划分划分3种产流表面:路面、屋面、渗透面。前两者为非渗透表面,产流公式采用固定径流系数法;后者用霍顿渗透公式计算降雨产生的渗透量。具体产汇流参数值经率定后确定。根据真如系统现状和规划方案,划分5种用地类型:居住用地、行政办公用地、商务设施用地、公共文体用地、绿地。通过航拍图分析及现场调查,确定服务面积的用地类型及比例。各类用地的产流表面组成见表1。3.2流量和沉淀3.2.1地下水漏失地真如系统的雨水管道与污水管道存在一定程度的混接,而且系统处于流沙型地质区域,根据该地区部分管道CCTV检测结果,发现部分管道存在缺陷,导致地下水渗漏。因此,模型中旱天入流基础量应包括混接污水量和地下水渗入量。模型采用管道恒定入流量表示旱天入流基础量。根据真西泵站旱天截流量及系统服务面积,估计旱流量为2080m3/(km2·d),并根据各管段服务面积确定对应入流量。通过模拟旱天截流泵的运行,对照真西泵站前池旱天水位,对模型入流量进行调整,使系统的旱天水位保持在2.5~2.9m实际运行水位。3.2.2影响较大的因素管道沉积物厚度会减小管道断面面积,对水力状况产生较大影响。真如系统已经建成多年,管道有一定厚度沉积物。考虑当前的养护水平,并参考上海市管道检测与修复课题的研究结果,设置管道内沉积物厚度见表2。3.3井深具有的储水容量模型仅将雨水支管与干管纳入模型,没有计入雨水井、连接支管及街坊管道,这部分管道及井深具有的储水容量须加以补偿,以反映排水系统的真正容量。本研究采用WaPUGusernote15方法自定义参数进行补偿。该方法假设集水区面积沿管道长度线性分布,不论真实的管道系统如何连接,都相当于用假设的连接管连接屋面/路面到模型管道。4降雨事件模型率定和产流参数模型的率定是对模型待定参数进行调整,使得模拟结果与实测值相符合的过程。从真西泵站的SCADA系统2005年数据库中挑选20050628、20050708和20050921三次降雨事件的数据对模型进行率定。就出流峰值、体积、形状和前池水位来说,SCADA统计的泵站出流量以及前池实际水位,与模拟流量、模拟水位基本吻合。图1、图2为20050628降雨事件模拟结果与实测值的比较。经率定后的产流参数见表3。模型的验证是对率定后的模型,采用不同的降雨事件进行模拟,考察模型的正确性。以20050706和20050730两场降雨事件对模型进行了验证,模拟结果与实际情况基本符合。5调整储水池的水流量模型5.1排水系统排水方案优化短历时设计暴雨常用于管网水力模拟,辅助排水系统设计。通过考察设计暴雨产生的径流洪峰是否造成排水系统积水漫溢,评价不同方案的管网排水能力。本文研究采用的设计暴雨分别为重现期1年一遇和3年一遇,对应的最大小时降雨强度分别为35.5mm和49.6mm。设计暴雨采用模式雨型,峰值时间为降雨历时的0.37,总降雨历时2h,各时段对应的暴雨强度由上海市暴雨强度公式推得。5.2雨水抽回系统模型的建立调蓄池采用线外地下式,入流方式采用可动闸门,避免晴天旱流入池。调蓄池降雨开闸,雨停关闸,用水泵将储存的雨水抽回雨水管道系统。模型通过实时控制方案设置闸门开口高度加以实现。调蓄池选址位于高标区上游北侧绿地下,见图3。绿地具有可利用地下空间,且地处高标区上游,在此建造调蓄池可以削减上游来水洪峰,减小进入高标区管道的流量,使高标区内按1年一遇设计的管道能够排放3年一遇暴雨径流。5.3调蓄池的体积分别采用1年一遇和3年一遇设计暴雨对真如改建系统进行水力模拟。以3年一遇设计降雨下高标区节点不发生积水为原则,确定调蓄池体积。5.3.1高标区管网暴雨径流模拟分析对于重现期1年一遇以上的暴雨,为使管道系统本身容积发挥应有作用,应通过预抽空提高管网系统降雨时的容蓄能力,并使系统保持低水位运行。模型通过实时控制方案予以实现,使真西雨水泵站前池水位不超过0m,真光雨水泵站前池水位不超过0.5m。经模拟,当调蓄池体积达10000m3时,高标区管网能够排放3年一遇暴雨径流。然而模拟结果表明,此时高标区及其上游区域都达到了3年一遇排水能力。调蓄池体积过大,原因是未对进入高标区的流量进行控制,调蓄了整个高标区及其上游区域的超标水量,这与仅提高局部地块排水标准的改造目标不符,增加了工程规模。5.3.2雨水直排系统控制策施由管道系统现状可知,通入高标区的管道主要是高标区上游的干管,以及与相邻真光系统连通的支管。真光和真如系统相通处,真光系统管道标高高于真如系统,导致雨水从真光大量流入真如,加大了真如高标区雨水管道的负荷。采用辅助工程性措施对进入高标区的流量进行限制,可减小所需调蓄容积。在模型中,对上游干管设置可调节堰,控制上游来水,使上游区域排水能力维持在1年一遇;对连通管道采取增加阀门调控方式,限制正常情况下真光系统的雨水流入真如高标区域。实际工程中,国外已有多种限流器可供选择。加入控制措施后的模型仍按低水位实时控制模拟,结果表明当调蓄池容积达3000m3(按47hm2折算,调蓄深度为6mm)时,高标区能够承受3年一遇暴雨。同时,高标区上游调节堰的设置也不会对上游区域1年一遇降雨的排放造成限制。6工程性控制措施为分析调蓄池在降低改造工程费用方面的作用,将建造调蓄池与翻排高标区及其下游管道进行达标改造方案的成本进行对比。通过模型计算确定翻排方案所需翻排管道的范围及规模,并加大泵站配泵能力。模拟结果表明,若不采用工程性控制措施对上游及其真光系统来水进行控制,使高标地区达到3年一遇标准所需翻排规模相当大。在加入工程性控制措施之后,改造规模及投资可大幅减小。表4列出了3种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(设置调节堰、闸门)对流入高标区的径流加以限制,达标改造的成本相当高。加入工程性措施后,投资可以减少一半。表4仅列出了翻排管道所需安装新管的造价,尚未计入开挖拆除旧管所需成本,以及泵站加大规模所需建设费用。总之,从造价来看,建造调蓄池比翻排管道节省投资50%以上,而且考虑到翻排管道对交通市容造成的负面影响以及相应的社会成本,可能存在的管位不足等问题,调蓄池用于已建系统改造的优势是非常明显的。7调蓄池的应用(1)水力模拟结果表明,调蓄池体积为3000m3(折合调蓄深度6mm)时,真如高标区排水标准能从1年一遇提高到3年一遇。(2)采用可调节堰等工程性措施调控上游