基于LID與泵排聯合調控的城市排水能力提升研究

熊 麗 君

(上海市環境科學研究院，上海 200233)

0 引 言

長三角平原河網城市地區不透水面積比例高，排水管網設計重現期偏低，暴雨時容易積水，加上人口密度大，建筑密度高，城市水生態安全受到威脅[1-2]。目前國內大部分城市排水系統歷史設計重現期標準為1 a一遇降雨。近年來，國家大力推進海綿城市建設，對排水系統提標改造提出了新要求[3-4]，以上海市為例，排水系統改造中心城區應滿足5 a一遇降雨的排水標準，其他地區滿足3 a一遇降雨的排水標準[5]。

由于平原地區地勢差異不明顯，排水系統末端雨水大多通過泵強排模式排入河道[6]，提標改造通常有4種方法：① 增大管道容量使雨水能夠快速排至下游；② 改造錯接雨水管網的污水點以增大管道有效容量；③ 增強末端雨水泵的泵排能力使雨水快速從管網排出；④ 增加地表雨水分散下滲或滯蓄能力，減少匯入排水管網的地表徑流。前3種為灰色方案，第4種為綠色方案，即低影響開發(Low Impact Development，LID)，主要從源頭減少城市降雨徑流，延緩徑流峰值，減輕城市積水[2，7-8]。排水系統提標改造研究大多針對灰色方案，如采用調蓄管道截留[9]，調整系統局部邊界、增設排水系統總管、擴大泵站規模[10-11]，增設調蓄池[12]等。近年來，隨著海綿城市的推進，對于綠色設施雨水削減效果也開展了大量研究，如Randall等[13]驗證了LID對年降雨量削減的有效性，有利于研究區域實現海綿城市目標；Hu等[1]發現北京市某院區雨水花園、綠色屋頂、透水路面改造后達到1.5～2 a一遇的排水需求[14]。對于城市積水控制，研究者認為灰綠系統組合能夠達到更好的效果，兩者結合能夠在城市防洪方面發揮重要作用[15-18]，如上海市某排水系統通過上游積水管道和LID改造后可達到5 a一遇降雨不積水的要求[19]。

平原河網城市建筑密集、人口眾多，交通繁忙，大面積開挖地面進行管道擴容和污水管網混接改造的施工非常困難，應盡可能采用綠色環保、節約能源的措施，增加雨水滯蓄和下滲能力。另外，城市積水不僅與區域徑流量有關，還與排水系統泵站排泄能力相關。在區域設計LID基礎上，優化排水系統雨水泵排模式，提升排水能力，兩者結合對平原城市地區的排水系統進行提標改造，對于有效控制城市積水、避免路面開挖擴容管道更為經濟有效。因此，本文以上海市中心城區田林排水系統為研究對象，基于GIS和SWMM模型，結合城市土地利用布設LID方案，探明LID與泵排模式調控對排水系統提標改造的效果，可為減輕城市積水、改善河道水環境質量、提升排水能力提供科學借鑒。

1 研究區域概況

以長江經濟帶下游平原城市上海市徐匯區田林排水系統為研究對象，該系統為分流制雨水系統，區域面積374 hm2，人口密度230人/hm2，不透水面積比例為72%。根據國家GB/T 21010-2017《土地利用現狀分類》，區域共劃分17種土地利用類型，主要用地類型為居住用地、公共設施用地和工業用地(見圖1)。該系統設計暴雨重現期為1 a，四周河道環繞，具有相對獨立性，排水系統末端配有6臺雨水泵(2.3 m3/s)，2臺污水截流泵(0.25 m3/s)，雨天溢流(放江)開啟水位2.60 m，關閉水位-1.26 m，降雨量、前池水位與泵運行由數據采集與控制系統(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)實時采集。

2 研究方法

2.1 模型及參數

SWMM模型綜合考慮地表徑流、污水混接、旁側管道入流等因素，水量模擬效率較好[20-21]。本研究中綠地下滲采用Horton模型，徑流采用非線性水庫模型進行蓄滿產流模擬，水文參數包括最大入滲率、最小入滲率和地表截留系數等；管道匯流采用圣維南方程的動力波計算，時間步長為1 min。根據區域徑流匯流路徑、排水管網走向及土地利用邊界，共劃分58個子匯水區，不透水面積比例為33.0%～88.5%，排水管網概化成566條管段、560個節點(見圖1)。子匯水區及管網的特征參數采用ArcGIS和SWMM、實測或參考前人監測數據計算獲得，水文參數引用Liao等[22]對該區域泵前池和排水管網關鍵節點JD472的水位、流量率定驗證參數值，流量相對誤差2.81%～13.53%，水位相對誤差14.51%～16.99%，如表1所列。

2.2 LID方案及參數

在17種土地利用類型中，除生產綠地、河流和機動車道路不適合改造LID外，其他14種土地利用類型均可對其中的小型綠地、人行道路、屋頂、水塘進行LID改造，適合改造的LID類型主要為6種[5]：透水鋪裝、下凹式綠地、滲透塘、雨水桶、綠色屋頂和植草溝。基于GIS提取各種可改造LID的土地斑塊面積，根據實際情況計算每種土地利用可改造LID面積比例，為38%～100%，如表2所列。根據GB 50345-2012《屋面工程技術規范》建議的200 m2匯水面積布設1根雨水立管、每根雨水管對應1個m3雨水桶估算，區域雨水桶蓄水容積共8 178 m3。根據城市用地逐步改造LID需求，設計3種LID方案：低方案，綠色屋頂+雨水桶，其中綠色屋頂占區域面積比14.0%；中方案，綠色屋頂+雨水桶+下凹式綠地(15.8%)+滲透塘(0.9%)，占區域面積比30.7%，其中地面改造16.7%；高方案，綠色屋頂+雨水桶+下凹式綠地+滲透塘+植草溝(7.3%)+透水鋪裝(5.9%)，占區域面積比43.9%，其中地面改造29.9%。

表1 研究區域子匯水區及管網特征參數與水文參數Tab.1 Characteristic parameters and hydrological parameters of sub-catchment area and pipe network in the study area

表2 14種土地利用類型可改造LID的面積比例Tab.2 Area proportion of transformable LID in different land use types

結合區域土壤、地下水特征和綠地下滲研究結果[22,25]、相關導則[5]和SWMM模型手冊[26]，確定LID參數(見表3)，其中透水鋪裝的堵塞因子根據SWMM模型中的公式計算，如公式(1)。每個子匯水區每種LID接收徑流的不透水面積根據GIS計算。

(1)

式中：CF4為透水鋪裝的堵塞因子；Ia為年降雨深度，mm；RLID為徑流收集面積比例，%；φ4為鋪裝層的孔隙率；D4為鋪裝層的厚度，mm；F4為地表被透水鋪裝覆蓋的比例，%；Tclog為堵塞所需時間，a；Fclog為堵塞比例，%。

2.3 設計工況

采用上海市城建院編制的暴雨強度公式(式(2))設計排水系統1～8 a重現期降雨，雨量(P)為49～81 mm，降雨峰值(M)為37.3～61.6 mm/h，降雨歷時2 h，模擬時長24 h(見圖2)。分析這8場降雨在LID與泵排聯合調控情況下的排水標準提升情況。

(2)

表3 6種LID設施的特征參數Tab.3 Characteristic parameters of six LID facilities

式中：i為設計暴雨強度，mm/min；p為設計暴雨重現期，a；t為設計降雨歷時，min。降雨初始水位表征管道系統初始蓄水情況，采用2009～2011年場次降雨開始時泵前池啟泵水位累積頻率70%的平均值2.31 m，河道初始水位選取2011年末端出口河道平均水位值2.43 m。

3 結果與討論

3.1 區域現狀積水分析

針對現狀設計重現期(1 a一遇)、2種提標改造重現期(3 a一遇和5 a一遇)降雨，分析區域積水情況(見表4)。1 a一遇降雨積水節點共187個，冒溢峰值流量1.63～5 636 L/s，積水量18 581 m3。模擬結果與現有1 a重現期降雨不積水的設計標準不符，主要原因有兩個方面：① 該排水系統1986年建成，當時設計徑流系數為0.5時，1 a重現期降雨不積水，但經過近30余年城市發展，不透水面積增加，綜合徑流系數已達0.75[25]；② 設計時為完全分流制雨水系統，但經多年城市開發建設和城市改造存在污水混接，管道有效排泄雨水的能力降低。3 a一遇、5 a一遇降雨分別出現積水節點420個和440個，冒溢節點峰值平均流量比1 a一遇降雨高59%和92%，積水量是1 a一遇降雨的2.6倍和3.9倍。3場設計降雨的積水節點的峰值流量基本小于1 000 L/s，占冒溢節點總數的84%～97%，節點地表積水量小于0.5 m3的節點比例為35%～59%，0.5～100 m3積水節點比例為41%～61%，大于100 m3積水節點出現在3 a一遇和5 a一遇降雨中，僅占全部節點的2%～4%，大部分節點雖然出現冒溢和積水，但積水量大于100 m3的節點比例并不高，為LID分散控制區域積水提供了可行性。3 a一遇和5 a一遇降雨下積水時間大于30 min的節點僅為7個和15個。積水量大的節點主要因為接收子匯水徑流的不透水面積比例大(如ZMJ23，97%)或分布于排水系統下游(如JD468，JD464)。5 a一遇降雨積水流量大于1 000 L/s的節點主要分布在9個子匯水區：ZMJ2，ZMJ5，ZMJ11，ZMJ12，ZMJ42，ZMJ40，ZMJ47，ZMJ52和ZMJ56。為有效緩解積水，這9個匯水區的下凹式綠地采用滲透塘下滲系數30 mm/h進行設計[27]，即對底部進行增滲改造，其他子匯水區下凹式綠地采用原土滲透速率0.48 mm/h[25]。

表4 典型重現期降雨的積水現狀Tab.4 Ponding status of rainfall in typical return periods

3.2 LID方案對積水的控制效果

低、中、高方案對8場設計降雨的徑流削減率在3%～7%，32%～46%和40%～52%之間，積水削減率在20%～100%，75%～100%，92%～100%之間(見圖3)，隨著雨量增大削減率降低，與LID削減徑流能力有限有關。本研究模擬的不同設計降雨下積水量最低值在100～300 m3之間，300 m3積水相當于單位面積徑流深度0.08 mm。由于模擬存在誤差，韓松磊等[19]認為該積水量可以忽略，因此本文假設研究區域模擬積水≤300 m3時，LID方案能夠控制積水。在1 a一遇降雨下，低方案削減徑流量10 132 m3，削減率僅7%，主要與該方案僅由綠色屋頂和雨水桶組成，綠色屋頂削減徑流有限相關，但由于低方案能夠削減部分徑流，滯緩匯水流速，能夠控制1 a一遇降雨的積水。在3 a一遇降雨下，中方案削減徑流量71 939 m3，削減率41%，區域積水得到全部控制，說明增加0.94%滲透塘與15.75%下凹式綠地后，徑流削減效果顯著。在5 a一遇降雨下，高方案削減徑流量96 559 m3，削減率為42%，積水削減率98%，高方案在中方案基礎上增加了5.88%的透水鋪裝和7.27%的植草溝，進一步增加了徑流削減量，且僅有8個節點積水，積水量1 921 m3，說明研究區域采用高方案后，積水基本得到控制。如果在高方案基礎上需要完全控制積水，可在8個積水節點附近擴大管道容量、增加滲透塘容積1 921 m3，或增加LID的基質改造面積，增大下滲系數。在6～8 a重現期降雨下，低方案積水削減效果一般，削減率為14%～17%，中方案和高方案積水削減效果仍然較好，分別為69%～76%，86%～98%。前人對LID積水控制效果也進行了探討。如王強等[28]發現山東臨沂市舊城改造LID方案能使綜合徑流系數下降41%；周倩倩等[29]模擬得出63%不透水面積的H市A區排水系統14.7%的 LID設計面積滿足5 a一遇降雨不積水；孫波等[30]發現LID方案可使1 a一遇降雨徑流削減85.9%；英戰勇[31]發現LID方案能使5 a一遇降雨地表徑流削減41%；劉力等[32]觀測發現西咸新區海綿城市建設試點區LID改造后最大積水面積減少33.7%，秦皇大道兩側LID改造后路面積水消除。本研究區域位于上海市中心城區，不透水面積比例較大(72%)，區域土壤為黏壤土，地下水位較高，LID的徑流削減及積水削減效果低于前人研究的部分區域，但LID方案對區域積水仍有較好的控制效果。

3.3 LID聯合泵排對積水的控制效果

通過設計雨水泵不同運行模式，聯合3種LID方案，基于SWMM模擬并對比研究區域積水情況，進一步分析LID與泵排方式聯合后，能夠提高的積水控制效果。通過降低暴雨期間雨水泵啟動水位，使雨水泵在較低水位啟動，從而增大排水系統的雨水排泄能力。設置3種不同排澇模式：雨水泵第1臺啟泵水位不變(2.6 m)，第2～6臺啟泵水位分別設置為2.0，1.0 m和0 m，6臺雨水泵的關泵水位不變。

與LID方案相比，LID與泵排聯合進一步提升了不同重現期降雨下積水削減效果(見圖4)。低方案能夠控制1 a一遇降雨不積水，與泵排聯合后，7場重現期降雨積水量最大減少18 182 m3，積水削減率提升2%～36%，積水削減效果最好的為2 a一遇降雨，低方案與0 m啟泵模式聯合后積水削減率提升36%。中方案能夠控制3 a一遇降雨不積水，與泵排聯合后，4～8 a一遇降雨的積水量最大減少17 497 m3，削減率提升4%～16%，當啟泵水位降至1 m時，4 a一遇的降雨不積水。高方案能夠控制4 a一遇降雨不積水，與泵排聯合后，5～8 a一遇降雨積水量最大減少11 399 m3，削減率提升1%～10%，當啟泵水位降至2,1,0 m時，5 a一遇、6 a一遇、7 a一遇降雨不積水。以上數據分析表明:在LID方案與雨水泵聯合運行時，能夠進一步提升排水標準，有利于減輕城市地表積水。該排水系統在暴雨期間，污染物溢流濃度為97.7～184.5 mg/L，排入河道雖然對水質存在一定影響，但與小雨溢流濃度(419.1～880.9 mg/L)相比相對較低[33]，且暴雨期間城市污水處理系統超負荷運行，目前系統無法將雨污混合水輸送至污水處理廠，因此，暴雨期間通過快排減少城市積水、維護城市安全更為重要。

通過LID聯合泵排模式對積水控制效果的分析，針對不同提標改造目標，研究區域的灰綠結合方案為：對于1 a一遇降雨設計標準，直接采用低方案，綠色屋頂改造面積52.4 hm2，占屋頂面積32%，雨水桶容積 8 178 m3，不需要對地表土地利用進行改造。對于3 a一遇降雨排水標準的提升，可采用中方案，設置雨水桶容積8 178 m3，綠色屋頂、下凹式綠地和生物滯留池改造面積比為30.7%。積水嚴重的9個子匯水區下凹式綠地滲透速率設計為30 mm/h，其他下凹式綠地采用原土滲透速率0.48 mm/h，不需對底部基質進行改造，節約投資成本，且現有不透水路面不進行改造。對于5 a一遇降雨排水標準的提升，可采用2種方式達到目標：① 高方案+管道擴容，5種LID改造面積占區域面積比44%，其中地面改造面積比30%，同時對積水節點附近管道進行擴容，擴容容積1 921 m3；② 高方案+泵排模式1，在高方案基礎上，除第1臺雨水泵開泵水位為2.6 m外，其他4臺雨水泵開泵水位均設置為2.0 m，通過降低開泵水位以排出系統更多水量。對于5 a一遇的降雨重現期，在建筑密度高、不透水面積比例大、地下水位高的城市地區，僅依靠LID方案難以滿足不積水的要求。如韓松磊等[19]針對上海某建成區排水系統模擬得出60%屋頂改造成綠色屋頂、33.7%道路廣場改造成透水鋪裝、33%綠地改造成下凹式綠地后，再增設1 300 m3淺層調蓄容積，才能滿足區域5 a一遇降雨不積水。因此，第②種方案在LID基礎上，通過對末端雨水泵的開泵水位進行調控，避免在建筑密度高的老城區增大灰色調蓄設施，與第①種方案相比，減少了管道擴容費用，更能節約經濟成本。

雖然LID聯合泵排調控能夠進一步提升對區域積水的控制效果，但對于大暴雨，LID的徑流削減能力增加有限，最大面積布設的LID方案(高方案)在5 a一遇降雨(峰值56 mm/h)下削減徑流25.8 mm，8 a一遇(62 mm/h)降雨下削減徑流27.3 mm，兩者僅相差1.5 mm。研究區域LID聯合泵排最大能夠調控7 a一遇的降雨，對于強度更高、雨量更大的降雨，LID聯合泵排調控能力有限。對于一個區域，如果此類降雨發生頻率高，可根據城市開發情況以及區域水系改造規劃，進一步聯合陸域-水域，綜合考慮大海綿削減措施，通過陸域LID改造增加雨水滯蓄滲透能力，通過泵排調控增大排水系統雨水快排能力，通過河湖疏通擴容改造增加水體調蓄能力，盡可能實現雨水快排，減輕城市內澇。

4 結論與建議

4.1 結 論

平原河網城市建成區土地資源緊張，本文通過分析LID與泵排聯合對城市暴雨積水控制的效果，為上海市老城區排水系統可持續改造、減緩城市積水提供技術參考。主要結論如下：

(1) 區域排水系統現狀達不到1 a一遇排水設計標準。1 a一遇降雨管網冒溢節點187個、積水量18 581 m3，3 a一遇、5 a一遇降雨節點冒溢峰值平均流量比1 a一遇降雨高59%和92%，積水量大2.6倍和3.9倍。1 a一遇、3 a一遇、5 a一遇降雨下大部分節點出現冒溢和積水，但單個節點積水量不大、積水時間較短，3 a一遇、5 a一遇降雨下積水時間大于30 min的節點僅為7個和15個，使LID分散控制區域積水具有可行性。

(2) 確定了提升區域排水標準的綠色方案。低方案(綠色屋頂+雨水桶)能夠使研究區域雨水系統1 a一遇降雨不積水。中方案(綠色屋頂+雨水桶+下凹式綠地+生物滯留池)能使研究區域雨水系統3 a一遇降雨不積水。高方案(綠色屋頂+雨水桶+下凹式綠地+生物滯留池+植草溝+透水鋪裝)能使研究區域雨水系統4 a一遇降雨不積水。

(3) LID方案與泵排聯合調控進一步提升了區域排水標準。當5臺雨水泵開啟水位降至1.0 m時，中方案能夠將研究區域排水標準提升到4 a一遇。當5臺雨水泵開啟水位分別降至2.0，1.0，0 m時，高方案分別能夠將研究區域排水標準提升到5 a一遇、6 a一遇、7 a一遇。

4.2 建 議

(1) LID聯合雨水泵排放模式，能夠避免路面開挖擴容管道，進一步緩解城區積水，是平原高密度城區排水系統提標改造的一種生態低碳、經濟有效的方法。未來可結合區域LID規劃，優化泵排模式，并結合調蓄設施基于河道水質目標截留高濃度初期雨水，達到對城市建成區暴雨積水及溢流污染的“源頭-過程-末端”全過程控制，消除雨天河道黑臭現象。

(2) 對于超出LID聯合泵排調控積水能力的短歷時特大暴雨，在基礎設施方面，還應進一步聯合陸域-水域，綜合考慮大海綿削減措施，盡可能增加雨水調蓄能力并實現雨水快排；在管理方面，應提升降雨的精準預報能力，提高洪澇災害的預警能力，完善應急響應多部門聯動機制，加大應急能力和防災避險自救知識宣傳，保障人民群眾生命財產安全。