基于InfoWorks ICM的已建排水系統海綿改造研究

王 輝，張留瓅

（上海市城市排水有限公司，上海市 200090）

基于InfoWorks ICM的已建排水系統海綿改造研究

王 輝，張留瓅

（上海市城市排水有限公司，上海市 200090）

以InfoWorks ICM水力模型為手段，研究分析了作為上海市中心城區已建高度城市化地區的排水系統。借鑒海綿城市建設理念，因地制宜地開展低影響開發改造，同時加強管網清淤，優化系統運行方案，并模擬評價了海綿城市改造對解決初期雨水溢流污染、降低系統運行成本等綜合環境效益的改善與提升。

海綿城市；環境效應；排水系統；高度城市化地區

0　引言

近年來，隨著全球氣候變暖帶來的極端天氣的逐漸增加，加之管網標準偏低，造成了“城市看?！钡膬葷超F象頻發，影響了城市正常的運行。“海綿城市”概念的提出，代表著生態雨洪管理思想和技術從學界走向了管理層面，并在實踐中得到了更為有利的推廣。海綿城市是新時期治水思路的豐富和完善，既要注重地下管網的建設與優化運行，也要自覺降低開發強度，保留和恢復恰當比例的生態空間，這對于解決我國城市內澇頻發、水生態惡化等突出問題，改善城市人居環境，促進城鎮化健康發展，具有重要的作用和意義。

1　研究對象與目標

成都路排水系統為上海市中心城區較為常見的合流制排水系統，規劃服務面積3.26 km2，設計重現期1 a，徑流系數0.8。系統泵站為成都北泵站，采用泵截方式對旱流污水進行截流，截流污水經截流總管最終排入合流一期；系統雨水經提升后排入蘇州河。泵站內同時設有一座雨水調蓄池，有效調蓄容積7 400 m3。強對流天氣下，該系統出流具有以下兩個基本特征：其一，降雨管道出流較降雨發生滯后時間隨著降雨強度尤其是集中強度的增加而減小，導致在極端天氣下，系統高峰流量較快出現，為系統內及系統間的運行調度帶來較大壓力；其二，系統初期雨水及溢流污水污染嚴重，以COD為例，初期雨水濃度為412 mg/L，超V類地表水10倍以上，該系統雨水排放口位于蘇州河市區段中下游，當系統內發生降雨溢流事件時對下游蘇州河甚至黃浦江水質都產生較大沖擊。圖1為成都路排水系統及周邊排水系統關系圖。

圖1　成都路排水系統及周邊排水系統關系圖

針對目前系統運行中存在的問題，基于系統運行現狀及地貌、功能區劃等特征，采用水力模型手段，充分挖掘系統節能減排、提高系統水安全、保護水環境的潛在效益，分析系統內如何開展城市海綿改造，并對改造后系統環境效應進行評估與分析。

2　模型構建

2.1模型基礎數據

（1）管網、泵站數據

基于上海市城市排水行業數據庫及其管理信息系統中的成都路系統管網、調控設施數據等，對系統的管道、檢查井、泵站、調蓄池等排水設施要素進行了分析，并對缺失、可疑數據進行了實地踏勘測量，利用InfoWorks ICM模型軟件構建了包括檢查井、管道、水泵、調蓄池等要素在內的成都路系統城市綜合流域排水模型。

（2）地形數據

根據華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室解釋的中心城區土地利用/土地覆被資料等，研究區域內地形數據主要包括地面高程、地表建筑和構筑物、地表類型等信息。根據系統內實際情況，研究區域用地性質主要為居民用地，兼有商務、教學、辦公、公共綠地及少量廠房等。

（3）系統運行數據。主要包括系統泵站近三年的實時監測數據、地表積水統計數據等。在數據整理過程中，去偽存真，對可疑數據進行現場確認及復測，確保了模型基礎數據的真實性與有效性。

2.2模型參數選取

（1）模型的邊界

成都路系統與周邊排水系統聯系緊密，受外圍排水系統影響相對較大，系統出水均通過成都北泵站實現。

（2）模型的初始水位條件

根據近三年成都北泵站集水池觀測水位及現場踏勘成果，集水池初始水位在-5～-3.19 m之間。

（3）水力數學模型的選擇

根據研究區域的特點和分布，對InfoWorks ICM軟件提供的產、匯流數學模型進行了比較，并最終確定：不透水表面的產流模型采用固定徑流系數模型（Fixed PR Model）；透水表面的產流模型采用霍頓滲透模型（Horton Infiltration Model）；匯流模型采用SWMM模型（非線性水庫法）；管道計算模型采用圣·維南方程組。

3　模型的率定與驗證

成都路排水系統模型的率定驗證主要選取了一年一遇標準降雨、超標準降雨以及低于標準降雨的3種類型降雨事件共計7場完整降雨系列，針對系統產匯流水量和成都北泵站降雨情況、集水池水位、開泵情況開展，確保了構建的模型在一定精度范圍內與實際管網、泵站運行狀態相吻合。

4　模擬評估

4.1低影響開發措施

根據上海市提出的貫徹落實《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設指導意見》的實施意見，考慮到該系統位于發展較為成熟的城市化地區，因此選取了施工對系統及周圍環境影響小、可操作性強，同時環境效益較為明顯的生態化措施及運行管理措施，強調尊重和利用本地特性，以生態系統為根基，盡可能改善系統內雨水收集、下滲及利用。主要措施見表1。

表1　成都路系統擬海綿化改造措施

4.2運行管理優化

4.2.1調蓄池原運行方案

目前，成都北泵站在三臺截流泵全開狀態下，集水池水位上升超過-5.0 m時，開啟一臺防汛泵，輸送至調蓄池；在上述工況下，集水池水位繼續上升超過-5.0 m時，開啟第二臺防汛泵，輸送至調蓄池；當集水池水位降至-6.0 m時停泵，或按時間規則，即兩臺防汛泵開啟時間累加為50 min時停泵。

4.2.2調蓄池擬優化方案

根據上海市氣象降雨強度預報信息，預先對排水系統管網抽空，預留管網調蓄容量的基礎上，將成都北泵站調蓄池開泵水位從-5.0 m分別調整至-4.5 m及4.0 m，開泵狀態調整為兩臺雨水泵同時啟動向調蓄池輸送，總開泵時間50 min，其他水泵運行狀態不變。

4.3綜合環境效益評價

利用InfoWorks ICM模型，模擬了成都路排水系統經低影響開發改造后，在一年一遇降雨條件下，通過調整系統運行方案，在確保水安全的前提下，評價其綜合環境效益的提升。

4.3.1減少雨水泵開泵臺數及總開泵時間

系統在進行海綿措施改造前，一年一遇降雨情況下，由于徑流總量較大且集中，為保證系統水安全，成都北泵站需開啟11臺雨水泵排除雨水。海綿措施改造后，降雨徑流高峰時，雨水泵最多開啟7臺，比改造前少開4臺；總開泵時間亦由原540 min減少至475 min及477 min。因此海綿措施的實施，降低了系統徑流高峰流量，緩解了系統末端泵站的運行壓力，同時降低了系統運行能耗。泵機運行情況見表2。

表2　海綿措施改造前后泵機運行情況分析表

4.3.2降低雨水溢流峰值及溢流總量

海綿改造后，一年一遇設計降雨下，雨水溢流峰值降低約36%，溢流總量削減約10%～11%。系統通過低影響開發措施對雨水的蓄滲及攔截、管網的調蓄，顯著降低了地面雨水徑流總量及匯流時間，大大削減了系統初期雨水溢流對河道水質的影響。模擬結果見圖2和圖3。

圖2　成都北泵站進水峰值流量模擬結果

圖3　成都北泵站進水峰值流量及雨水溢流模擬結果

5　結　論

通過采用InfoWorks ICM水力模型，對擬海綿改造后的成都路排水系統進行了模擬評估，結果表明，在已建系統采取路面滲透鋪裝、屋頂綠化、下凹式綠地、管網清淤以及運行調度優化等綜合海綿措施后，一年一遇降雨情況下，可降低系統末端最大開泵臺數4臺，并有效縮減泵站總運行時間約60 min，同時降低徑流總量36%，減少系統初期雨水溢流總量11%。由此可見，海綿措施的實施，對于減低初期雨水河道污染、降低泵站運行成本具有重要的現實指導意義。

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TU992

B

1009-7716（2016）07-0170-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.049

2016-03-27

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07304-003-06）

王輝（1982-），女，河北石家莊人，碩士，工程師，主要從事市政排水與污泥處理處置研究。