調(diào)蓄設(shè)施布局設(shè)計(jì)模型研究

柯 杭

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

受全球氣候變化影響，近年來(lái)極端天氣頻發(fā)，暴雨等極端自然災(zāi)害對(duì)社會(huì)管理、城市運(yùn)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(chǔ)設(shè)施，在城市防汛安全和水環(huán)境提升方面承擔(dān)的責(zé)任日益加重。上海作為我國(guó)濱江臨海特大型城市，是國(guó)內(nèi)最早建設(shè)現(xiàn)代雨水排水設(shè)施的城市之一，雖然市政排水系統(tǒng)的建設(shè)和管理在國(guó)內(nèi)處于較領(lǐng)先地位，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚存在較大差距。目前全市中心城區(qū)采用強(qiáng)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(dá)到1 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)，其中城市分中心或交通樞紐等高標(biāo)地區(qū)的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)為3～5 a 一遇，服務(wù)范圍僅占10%。一旦發(fā)生強(qiáng)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(shè)施的建設(shè)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(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家大力重視調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)與運(yùn)維，調(diào)蓄設(shè)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(guò)綠色源頭削峰、灰色過(guò)程蓄排、藍(lán)色末端消納、管理提質(zhì)增效，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)基本達(dá)到3～5 a 一遇能力。規(guī)劃提出，對(duì)各類建設(shè)用地調(diào)蓄設(shè)施，按每平方公里1.2 萬(wàn)m3雨水調(diào)蓄能力配置（從1 a 一遇提高到5 a 一遇的強(qiáng)排系統(tǒng)）。因此，規(guī)?；晁{(diào)蓄設(shè)施建設(shè)將成為未來(lái)上海市排水工作的重點(diǎn)之一。

調(diào)蓄設(shè)施的規(guī)劃布局直接影響排水系統(tǒng)應(yīng)對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的水平[2]。當(dāng)前，上海市調(diào)蓄設(shè)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(biāo)調(diào)蓄設(shè)施的應(yīng)用案例及經(jīng)驗(yàn)較為欠缺；研究中則多利用程序算法探討調(diào)蓄設(shè)施的布局優(yōu)化[3-5]，對(duì)工作基礎(chǔ)要求較高且需要可觀的算力支持與時(shí)間成本?，F(xiàn)以上海市中心城區(qū)三個(gè)排水系統(tǒng)為例，利用計(jì)算機(jī)排水模型，尋找調(diào)蓄設(shè)施布局的一般規(guī)律，并提出評(píng)價(jià)指標(biāo)和相應(yīng)的布局設(shè)計(jì)方法，為提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施的規(guī)劃布局設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究區(qū)域和方法

選擇上海中心城區(qū)三個(gè)具有不同特點(diǎn)的排水系統(tǒng)，依據(jù)管道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)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(xué)模型，排水系統(tǒng)基本信息見(jiàn)表1 所列。典型降雨事件的降雨重現(xiàn)期設(shè)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(shí)取120 min（以上海市現(xiàn)行暴雨強(qiáng)度公式為基準(zhǔn)）。

表1 排水系統(tǒng)基本信息一覽表

對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)狀排水狀況模擬計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，分別選擇不同管徑的節(jié)點(diǎn)位置，設(shè)置不同大小的調(diào)蓄設(shè)施。在設(shè)置單個(gè)調(diào)蓄設(shè)施的方案之外，另設(shè)置2～3 個(gè)調(diào)蓄設(shè)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(shè)施通過(guò)溢流堰進(jìn)水，溢流堰高與上游排水管管頂齊平。模擬的初始時(shí)刻，調(diào)蓄設(shè)施的狀態(tài)為全空，并且在計(jì)算時(shí)長(zhǎng)（6 h）內(nèi)，調(diào)蓄設(shè)施只進(jìn)水不出水。不同方案下調(diào)蓄設(shè)施的效益采用四項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)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(xiàng)可反映成本水平，后兩項(xiàng)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(shè)施布局討論

排水系統(tǒng)①的現(xiàn)狀排水狀況顯示400 個(gè)節(jié)點(diǎn)中有343 個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)不同程度積水。所有管道均處于超負(fù)荷狀態(tài)，即：系統(tǒng)①的積水特點(diǎn)是系統(tǒng)全域大范圍積水且積水程度普遍較重。選擇4 個(gè)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行單個(gè)調(diào)蓄設(shè)施的設(shè)置。調(diào)蓄設(shè)施位置及節(jié)點(diǎn)管徑、泵站位置見(jiàn)圖1 所示。單個(gè)調(diào)蓄設(shè)施的模擬結(jié)果見(jiàn)表2 所列。計(jì)算結(jié)果表明，調(diào)蓄設(shè)施在現(xiàn)有的進(jìn)水條件下均能實(shí)現(xiàn)100%的容積利用率。不同位置的調(diào)蓄設(shè)施對(duì)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(shí)，對(duì)總積水量和最大積水量的削減率分別達(dá)到34%、38%。

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

圖1 排水系統(tǒng)①調(diào)蓄設(shè)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(diǎn)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(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)分散為2 處調(diào)蓄設(shè)施時(shí)，總積水量和最大積水量的削減率分別達(dá)到50%、44%；當(dāng)分散為3 處調(diào)蓄設(shè)施時(shí)，總積水量和最大積水量的削減率進(jìn)一步提高至56%、45%。

2.2 排水系統(tǒng)②調(diào)蓄設(shè)施布局計(jì)算

排水系統(tǒng)②的現(xiàn)狀排水狀況顯示：752 個(gè)節(jié)點(diǎn)中有285 個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)輕微程度積水，主要集中在系統(tǒng)東部地面標(biāo)高較低的管段（長(zhǎng)度約1.2 km），97%的管道均處于超負(fù)荷狀態(tài)，即系統(tǒng)②的積水特點(diǎn)是系統(tǒng)小范圍積水且積水程度較輕。選擇6 個(gè)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行單個(gè)調(diào)蓄設(shè)施的設(shè)置，調(diào)蓄設(shè)施位置及節(jié)點(diǎn)管徑、泵站位置見(jiàn)圖2 所示。單個(gè)調(diào)蓄設(shè)施的模擬結(jié)果見(jiàn)表3 所列，與系統(tǒng)①顯著不同，在位置1 以外的調(diào)蓄設(shè)施雖然在降雨期間實(shí)現(xiàn)了100%的容積利用率，但在積水削減方面基本無(wú)作用。由于設(shè)置于系統(tǒng)②的主要積水區(qū)域內(nèi)，位置1 實(shí)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(shí)，對(duì)總積水量和最大積水量的削減率分別達(dá)到25%、52%。

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

圖2 排水系統(tǒng)②調(diào)蓄設(shè)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(jì)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(shè)置單個(gè)調(diào)蓄設(shè)施的效果有所降低，說(shuō)明位置1 和位置2 對(duì)削減積水的貢獻(xiàn)并不對(duì)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(shè)施布局計(jì)算

排水系統(tǒng)③的現(xiàn)狀排水狀況顯示，705 個(gè)節(jié)點(diǎn)中有266 個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)積水，其中265 個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處，積水量達(dá)298 m3，占系統(tǒng)總積水的87%，即系統(tǒng)③的積水特點(diǎn)是單點(diǎn)積水嚴(yán)重且位置處于管網(wǎng)最上游處。選擇6 個(gè)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行單個(gè)調(diào)蓄設(shè)施的設(shè)置，調(diào)蓄設(shè)施位置及節(jié)點(diǎn)管徑、泵站位置見(jiàn)圖3 所示。單個(gè)調(diào)蓄設(shè)施的模擬結(jié)果見(jiàn)表4 所列，計(jì)算結(jié)果顯示，在所有方案中調(diào)蓄設(shè)施都在降雨期間實(shí)現(xiàn)了100%的容積利用率，但在積水削減方面基本無(wú)作用。

圖3 排水系統(tǒng)③調(diào)蓄設(shè)施位置示意圖

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

2.4 調(diào)蓄設(shè)施布局評(píng)價(jià)指標(biāo)及規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

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

以排水系統(tǒng)①為例，計(jì)算其不同調(diào)蓄設(shè)施設(shè)置位置的指標(biāo)值，結(jié)果見(jiàn)表5 所列，位置2 的指標(biāo)數(shù)值最高，說(shuō)明該處設(shè)置調(diào)蓄設(shè)施的潛在效果最佳，這一結(jié)果也和上文中模型計(jì)算結(jié)果一致。

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

據(jù)此提出調(diào)蓄設(shè)施布局規(guī)劃設(shè)計(jì)方法：

（1）建立排水模型，對(duì)系統(tǒng)的現(xiàn)狀排水能力進(jìn)行計(jì)算。

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

（3）計(jì)算備選點(diǎn)位的調(diào)蓄設(shè)施布局評(píng)價(jià)指標(biāo)（積水削減潛力）。

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

（5）考慮調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)運(yùn)維成本基礎(chǔ)上，制定適當(dāng)程度的分散調(diào)蓄方案。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)排水特點(diǎn)各異的三個(gè)排水系統(tǒng)的模型研究，發(fā)現(xiàn)提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施的布局主要取決于排水系統(tǒng)的積水位置，將調(diào)蓄設(shè)施設(shè)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(shè)施布局評(píng)價(jià)指標(biāo)及相應(yīng)的調(diào)蓄設(shè)施布局規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用算例表明在獲得系統(tǒng)現(xiàn)狀排水能力的基礎(chǔ)上應(yīng)用評(píng)價(jià)指標(biāo)可迅速便捷地篩選出調(diào)蓄設(shè)施布局的優(yōu)先位置，為規(guī)劃階段的調(diào)蓄設(shè)施布局提供依據(jù)。