調(diào)蓄設施布局設計模型研究

柯 杭

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

受全球氣候變化影響，近年來極端天氣頻發(fā)，暴雨等極端自然災害對社會管理、城市運行和人民生產(chǎn)生活造成較大的安全隱患。城鎮(zhèn)雨水排水系統(tǒng)作為城市的重要基礎設施，在城市防汛安全和水環(huán)境提升方面承擔的責任日益加重。上海作為我國濱江臨海特大型城市，是國內(nèi)最早建設現(xiàn)代雨水排水設施的城市之一，雖然市政排水系統(tǒng)的建設和管理在國內(nèi)處于較領(lǐng)先地位，但與發(fā)達國家相比尚存在較大差距。目前全市中心城區(qū)采用強排、郊區(qū)采用自排的城鎮(zhèn)排水格局已基本形成，已建排水系統(tǒng)基本達到1 a 一遇標準，其中城市分中心或交通樞紐等高標地區(qū)的規(guī)劃標準為3～5 a 一遇，服務范圍僅占10%。一旦發(fā)生強降雨或連續(xù)性降雨事件，現(xiàn)狀排水能力很難滿足排水需要。

調(diào)蓄設施的建設是城市內(nèi)澇防治和徑流污染控制的重要工程措施，是已建排水系統(tǒng)能力提升的重要手段之一[1]。德國、日本等發(fā)達國家大力重視調(diào)蓄設施建設與運維，調(diào)蓄設施已成為其韌性排水系統(tǒng)的重要組成部分。為此，《上海市城鎮(zhèn)雨水排水規(guī)劃（2020—2035 年）》提出，通過綠色源頭削峰、灰色過程蓄排、藍色末端消納、管理提質(zhì)增效，實現(xiàn)排水系統(tǒng)基本達到3～5 a 一遇能力。規(guī)劃提出，對各類建設用地調(diào)蓄設施，按每平方公里1.2 萬m3雨水調(diào)蓄能力配置（從1 a 一遇提高到5 a 一遇的強排系統(tǒng)）。因此，規(guī)模化雨水調(diào)蓄設施建設將成為未來上海市排水工作的重點之一。

調(diào)蓄設施的規(guī)劃布局直接影響排水系統(tǒng)應對內(nèi)澇風險的水平[2]。當前，上海市調(diào)蓄設施類型主要是以截留初雨為目的的控污調(diào)蓄池且大多布置在排水系統(tǒng)末端，提標調(diào)蓄設施的應用案例及經(jīng)驗較為欠缺；研究中則多利用程序算法探討調(diào)蓄設施的布局優(yōu)化[3-5]，對工作基礎要求較高且需要可觀的算力支持與時間成本。現(xiàn)以上海市中心城區(qū)三個排水系統(tǒng)為例，利用計算機排水模型，尋找調(diào)蓄設施布局的一般規(guī)律，并提出評價指標和相應的布局設計方法，為提標調(diào)蓄設施的規(guī)劃布局設計提供參考。

1 研究區(qū)域和方法

選擇上海中心城區(qū)三個具有不同特點的排水系統(tǒng)，依據(jù)管道設計基礎資料，將管道、檢查井、泵站納入模型范圍，利用InfoWorks ICM 軟件建立排水系統(tǒng)數(shù)學模型，排水系統(tǒng)基本信息見表1 所列。典型降雨事件的降雨重現(xiàn)期設置為5 a 一遇，降雨雨型為雨峰系數(shù)r=0.405 的芝加哥雨型，降雨歷時取120 min（以上海市現(xiàn)行暴雨強度公式為基準）。

表1 排水系統(tǒng)基本信息一覽表

對排水系統(tǒng)進行現(xiàn)狀排水狀況模擬計算，在此基礎上，分別選擇不同管徑的節(jié)點位置，設置不同大小的調(diào)蓄設施。在設置單個調(diào)蓄設施的方案之外，另設置2～3 個調(diào)蓄設施并存的方案，以考察分散調(diào)蓄容量的效果。在模型中，調(diào)蓄設施通過溢流堰進水，溢流堰高與上游排水管管頂齊平。模擬的初始時刻，調(diào)蓄設施的狀態(tài)為全空，并且在計算時長（6 h）內(nèi)，調(diào)蓄設施只進水不出水。不同方案下調(diào)蓄設施的效益采用四項指標進行對比：總調(diào)蓄容量、容積利用率、總積水量、最大積水量。其中，前兩項可反映成本水平，后兩項可反映積水削減效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 排水系統(tǒng)①調(diào)蓄設施布局討論

排水系統(tǒng)①的現(xiàn)狀排水狀況顯示400 個節(jié)點中有343 個節(jié)點出現(xiàn)不同程度積水。所有管道均處于超負荷狀態(tài)，即：系統(tǒng)①的積水特點是系統(tǒng)全域大范圍積水且積水程度普遍較重。選擇4 個節(jié)點位置進行單個調(diào)蓄設施的設置。調(diào)蓄設施位置及節(jié)點管徑、泵站位置見圖1 所示。單個調(diào)蓄設施的模擬結(jié)果見表2 所列。計算結(jié)果表明，調(diào)蓄設施在現(xiàn)有的進水條件下均能實現(xiàn)100%的容積利用率。不同位置的調(diào)蓄設施對總積水量和最大積水量的削減效果有顯著差別，其中位置2 在現(xiàn)有方案中的效果最優(yōu)，在調(diào)蓄容量為4 800 m3時，對總積水量和最大積水量的削減率分別達到34%、38%。

表2 排水系統(tǒng)①在不同調(diào)蓄設施布局下的結(jié)果一覽表

圖1 排水系統(tǒng)①調(diào)蓄設施位置示意圖

在位置1 之外，另外尋找兩處管徑為DN600 的節(jié)點位置，將5 000 m3的調(diào)蓄容量平均分配到這幾處位置，形成分散調(diào)蓄方案。計算結(jié)果表明：當分散為2 處調(diào)蓄設施時，總積水量和最大積水量的削減率分別達到50%、44%；當分散為3 處調(diào)蓄設施時，總積水量和最大積水量的削減率進一步提高至56%、45%。

2.2 排水系統(tǒng)②調(diào)蓄設施布局計算

排水系統(tǒng)②的現(xiàn)狀排水狀況顯示：752 個節(jié)點中有285 個節(jié)點出現(xiàn)輕微程度積水，主要集中在系統(tǒng)東部地面標高較低的管段（長度約1.2 km），97%的管道均處于超負荷狀態(tài)，即系統(tǒng)②的積水特點是系統(tǒng)小范圍積水且積水程度較輕。選擇6 個節(jié)點位置進行單個調(diào)蓄設施的設置，調(diào)蓄設施位置及節(jié)點管徑、泵站位置見圖2 所示。單個調(diào)蓄設施的模擬結(jié)果見表3 所列，與系統(tǒng)①顯著不同，在位置1 以外的調(diào)蓄設施雖然在降雨期間實現(xiàn)了100%的容積利用率，但在積水削減方面基本無作用。由于設置于系統(tǒng)②的主要積水區(qū)域內(nèi)，位置1 實現(xiàn)了現(xiàn)有方案內(nèi)的最優(yōu)效果，在調(diào)蓄容量為4 500 m3時，對總積水量和最大積水量的削減率分別達到25%、52%。

表3 排水系統(tǒng)②在不同調(diào)蓄設施布局下的結(jié)果一覽表

圖2 排水系統(tǒng)②調(diào)蓄設施位置示意圖

將4 800 m3的調(diào)蓄容量平均分配到位置1 和位置2，形成系統(tǒng)②的分散調(diào)蓄方案。計算結(jié)果顯示，總積水量和最大積水量的削減率分別為21%、39%，比在位置1 設置單個調(diào)蓄設施的效果有所降低，說明位置1 和位置2 對削減積水的貢獻并不對等，將調(diào)蓄容量分配到位置2 反而影響了方案效果。

2.3 排水系統(tǒng)③調(diào)蓄設施布局計算

排水系統(tǒng)③的現(xiàn)狀排水狀況顯示，705 個節(jié)點中有266 個節(jié)點出現(xiàn)積水，其中265 個節(jié)點的積水程度較輕，最大積水出現(xiàn)在系統(tǒng)西南角最上游節(jié)點處，積水量達298 m3，占系統(tǒng)總積水的87%，即系統(tǒng)③的積水特點是單點積水嚴重且位置處于管網(wǎng)最上游處。選擇6 個節(jié)點位置進行單個調(diào)蓄設施的設置，調(diào)蓄設施位置及節(jié)點管徑、泵站位置見圖3 所示。單個調(diào)蓄設施的模擬結(jié)果見表4 所列，計算結(jié)果顯示，在所有方案中調(diào)蓄設施都在降雨期間實現(xiàn)了100%的容積利用率，但在積水削減方面基本無作用。

圖3 排水系統(tǒng)③調(diào)蓄設施位置示意圖

表4 排水系統(tǒng)③在不同調(diào)蓄設施布局下的結(jié)果一覽表

2.4 調(diào)蓄設施布局評價指標及規(guī)劃設計方法

對比系統(tǒng)①、②、③的調(diào)蓄設置布局計算結(jié)果可知，在排水系統(tǒng)積水削減上，調(diào)蓄位置（相對于調(diào)蓄容量）是主要決定因素。用于排水能力提標的調(diào)蓄設施的理想設置位置與節(jié)點管徑不存在對應關(guān)系，由于節(jié)點處管徑大小可一定程度代表節(jié)點在排水系統(tǒng)中所處位置，說明調(diào)蓄設施在排水系統(tǒng)中的相對位置不是決定調(diào)蓄設施布局的關(guān)鍵；調(diào)蓄設施與積水位置的相對關(guān)系則顯著影響了調(diào)蓄設施積水削減的效果，并且在積水位置上游處設置調(diào)蓄設施通常能取得較好的效果。因此，參考文獻資料中已有的研究成果[1]，引入下列指標用于調(diào)蓄設施布局的定量評價：

以排水系統(tǒng)①為例，計算其不同調(diào)蓄設施設置位置的指標值，結(jié)果見表5 所列，位置2 的指標數(shù)值最高，說明該處設置調(diào)蓄設施的潛在效果最佳，這一結(jié)果也和上文中模型計算結(jié)果一致。

表5 排水系統(tǒng)③在不同調(diào)蓄設施布局下的結(jié)果一覽表

據(jù)此提出調(diào)蓄設施布局規(guī)劃設計方法：

（1）建立排水模型，對系統(tǒng)的現(xiàn)狀排水能力進行計算。

（2）根據(jù)用地條件，篩選出有條件設置調(diào)蓄設施的點位作為備選點位。

（3）計算備選點位的調(diào)蓄設施布局評價指標（積水削減潛力）。

（4）指標值較高的位置可推薦為優(yōu)先設置調(diào)蓄設施的位置。

（5）考慮調(diào)蓄設施建設運維成本基礎上，制定適當程度的分散調(diào)蓄方案。

3 結(jié) 語

本文通過排水特點各異的三個排水系統(tǒng)的模型研究，發(fā)現(xiàn)提標調(diào)蓄設施的布局主要取決于排水系統(tǒng)的積水位置，將調(diào)蓄設施設置于積水位置上游處可獲得良好的積水削減效果。為此，提出調(diào)蓄設施布局評價指標及相應的調(diào)蓄設施布局規(guī)劃設計方法，應用算例表明在獲得系統(tǒng)現(xiàn)狀排水能力的基礎上應用評價指標可迅速便捷地篩選出調(diào)蓄設施布局的優(yōu)先位置，為規(guī)劃階段的調(diào)蓄設施布局提供依據(jù)。