基于LID與泵排聯(lián)合調(diào)控的城市排水能力提升研究

熊 麗 君

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

0 引 言

長三角平原河網(wǎng)城市地區(qū)不透水面積比例高，排水管網(wǎng)設(shè)計重現(xiàn)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(tài)安全受到威脅[1-2]。目前國內(nèi)大部分城市排水系統(tǒng)歷史設(shè)計重現(xiàn)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(shè)，對排水系統(tǒng)提標改造提出了新要求[3-4]，以上海市為例，排水系統(tǒng)改造中心城區(qū)應(yīng)滿足5 a一遇降雨的排水標準，其他地區(qū)滿足3 a一遇降雨的排水標準[5]。

由于平原地區(qū)地勢差異不明顯，排水系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(fā)(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(tǒng)提標改造研究大多針對灰色方案，如采用調(diào)蓄管道截留[9]，調(diào)整系統(tǒng)局部邊界、增設(shè)排水系統(tǒng)總管、擴大泵站規(guī)模[10-11]，增設(shè)調(diào)蓄池[12]等。近年來，隨著海綿城市的推進，對于綠色設(shè)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(qū)域?qū)崿F(xiàn)海綿城市目標；Hu等[1]發(fā)現(xiàn)北京市某院區(qū)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(tǒng)組合能夠達到更好的效果，兩者結(jié)合能夠在城市防洪方面發(fā)揮重要作用[15-18]，如上海市某排水系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)混接改造的施工非常困難，應(yīng)盡可能采用綠色環(huán)保、節(jié)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(qū)域徑流量有關(guān)，還與排水系統(tǒng)泵站排泄能力相關(guān)。在區(qū)域設(shè)計LID基礎(chǔ)上，優(yōu)化排水系統(tǒng)雨水泵排模式，提升排水能力，兩者結(jié)合對平原城市地區(qū)的排水系統(tǒng)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(jīng)濟有效。因此，本文以上海市中心城區(qū)田林排水系統(tǒng)為研究對象，基于GIS和SWMM模型，結(jié)合城市土地利用布設(shè)LID方案，探明LID與泵排模式調(diào)控對排水系統(tǒng)提標改造的效果，可為減輕城市積水、改善河道水環(huán)境質(zhì)量、提升排水能力提供科學(xué)借鑒。

1 研究區(qū)域概況

以長江經(jīng)濟帶下游平原城市上海市徐匯區(qū)田林排水系統(tǒng)為研究對象，該系統(tǒng)為分流制雨水系統(tǒng)，區(qū)域面積374 hm2，人口密度230人/hm2，不透水面積比例為72%。根據(jù)國家GB/T 21010-2017《土地利用現(xiàn)狀分類》，區(qū)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(shè)施用地和工業(yè)用地(見圖1)。該系統(tǒng)設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為1 a，四周河道環(huán)繞，具有相對獨立性，排水系統(tǒng)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(guān)閉水位-1.26 m，降雨量、前池水位與泵運行由數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)實時采集。

2 研究方法

2.1 模型及參數(shù)

SWMM模型綜合考慮地表徑流、污水混接、旁側(cè)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(chǎn)流模擬，水文參數(shù)包括最大入滲率、最小入滲率和地表截留系數(shù)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(jù)區(qū)域徑流匯流路徑、排水管網(wǎng)走向及土地利用邊界，共劃分58個子匯水區(qū)，不透水面積比例為33.0%～88.5%，排水管網(wǎng)概化成566條管段、560個節(jié)點(見圖1)。子匯水區(qū)及管網(wǎng)的特征參數(shù)采用ArcGIS和SWMM、實測或參考前人監(jiān)測數(shù)據(jù)計算獲得，水文參數(shù)引用Liao等[22]對該區(qū)域泵前池和排水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點JD472的水位、流量率定驗證參數(shù)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(shù)

在17種土地利用類型中，除生產(chǎn)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(jù)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(jù)GB 50345-2012《屋面工程技術(shù)規(guī)范》建議的200 m2匯水面積布設(shè)1根雨水立管、每根雨水管對應(yīng)1個m3雨水桶估算，區(qū)域雨水桶蓄水容積共8 178 m3。根據(jù)城市用地逐步改造LID需求，設(shè)計3種LID方案：低方案，綠色屋頂+雨水桶，其中綠色屋頂占區(qū)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(qū)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(qū)域面積比43.9%，其中地面改造29.9%。

表1 研究區(qū)域子匯水區(qū)及管網(wǎng)特征參數(shù)與水文參數(shù)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(jié)合區(qū)域土壤、地下水特征和綠地下滲研究結(jié)果[22,25]、相關(guān)導(dǎo)則[5]和SWMM模型手冊[26]，確定LID參數(shù)(見表3)，其中透水鋪裝的堵塞因子根據(jù)SWMM模型中的公式計算，如公式(1)。每個子匯水區(qū)每種LID接收徑流的不透水面積根據(jù)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(shè)計工況

采用上海市城建院編制的暴雨強度公式(式(2))設(shè)計排水系統(tǒng)1～8 a重現(xiàn)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(lián)合調(diào)控情況下的排水標準提升情況。

(2)

表3 6種LID設(shè)施的特征參數(shù)Tab.3 Characteristic parameters of six LID facilities

式中：i為設(shè)計暴雨強度，mm/min；p為設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，a；t為設(shè)計降雨歷時，min。降雨初始水位表征管道系統(tǒng)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(jié)果與討論

3.1 區(qū)域現(xiàn)狀積水分析

針對現(xiàn)狀設(shè)計重現(xiàn)期(1 a一遇)、2種提標改造重現(xiàn)期(3 a一遇和5 a一遇)降雨，分析區(qū)域積水情況(見表4)。1 a一遇降雨積水節(jié)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(jié)果與現(xiàn)有1 a重現(xiàn)期降雨不積水的設(shè)計標準不符，主要原因有兩個方面：① 該排水系統(tǒng)1986年建成，當時設(shè)計徑流系數(shù)為0.5時，1 a重現(xiàn)期降雨不積水，但經(jīng)過近30余年城市發(fā)展，不透水面積增加，綜合徑流系數(shù)已達0.75[25]；② 設(shè)計時為完全分流制雨水系統(tǒng)，但經(jīng)多年城市開發(fā)建設(shè)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(xiàn)積水節(jié)點420個和440個，冒溢節(jié)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(shè)計降雨的積水節(jié)點的峰值流量基本小于1 000 L/s，占冒溢節(jié)點總數(shù)的84%～97%，節(jié)點地表積水量小于0.5 m3的節(jié)點比例為35%～59%，0.5～100 m3積水節(jié)點比例為41%～61%，大于100 m3積水節(jié)點出現(xiàn)在3 a一遇和5 a一遇降雨中，僅占全部節(jié)點的2%～4%，大部分節(jié)點雖然出現(xiàn)冒溢和積水，但積水量大于100 m3的節(jié)點比例并不高，為LID分散控制區(qū)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(jié)點僅為7個和15個。積水量大的節(jié)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(tǒng)下游(如JD468，JD464)。5 a一遇降雨積水流量大于1 000 L/s的節(jié)點主要分布在9個子匯水區(qū)：ZMJ2，ZMJ5，ZMJ11，ZMJ12，ZMJ42，ZMJ40，ZMJ47，ZMJ52和ZMJ56。為有效緩解積水，這9個匯水區(qū)的下凹式綠地采用滲透塘下滲系數(shù)30 mm/h進行設(shè)計[27]，即對底部進行增滲改造，其他子匯水區(qū)下凹式綠地采用原土滲透速率0.48 mm/h[25]。

表4 典型重現(xiàn)期降雨的積水現(xiàn)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(shè)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(guān)。本研究模擬的不同設(shè)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(shè)研究區(qū)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(guān)，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(qū)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(chǔ)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(jié)點積水，積水量1 921 m3，說明研究區(qū)域采用高方案后，積水基本得到控制。如果在高方案基礎(chǔ)上需要完全控制積水，可在8個積水節(jié)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(zhì)改造面積，增大下滲系數(shù)。在6～8 a重現(xiàn)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(fā)現(xiàn)山東臨沂市舊城改造LID方案能使綜合徑流系數(shù)下降41%；周倩倩等[29]模擬得出63%不透水面積的H市A區(qū)排水系統(tǒng)14.7%的 LID設(shè)計面積滿足5 a一遇降雨不積水；孫波等[30]發(fā)現(xiàn)LID方案可使1 a一遇降雨徑流削減85.9%；英戰(zhàn)勇[31]發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)西咸新區(qū)海綿城市建設(shè)試點區(qū)LID改造后最大積水面積減少33.7%，秦皇大道兩側(cè)LID改造后路面積水消除。本研究區(qū)域位于上海市中心城區(qū)，不透水面積比例較大(72%)，區(qū)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(qū)域，但LID方案對區(qū)域積水仍有較好的控制效果。

3.3 LID聯(lián)合泵排對積水的控制效果

通過設(shè)計雨水泵不同運行模式，聯(lián)合3種LID方案，基于SWMM模擬并對比研究區(qū)域積水情況，進一步分析LID與泵排方式聯(lián)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(tǒng)的雨水排泄能力。設(shè)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(shè)置為2.0，1.0 m和0 m，6臺雨水泵的關(guān)泵水位不變。

與LID方案相比，LID與泵排聯(lián)合進一步提升了不同重現(xiàn)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(lián)合后，7場重現(xiàn)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(lián)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(lián)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(lián)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(shù)據(jù)分析表明:在LID方案與雨水泵聯(lián)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(tǒng)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(zhì)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(tǒng)超負荷運行，目前系統(tǒng)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(lián)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(qū)域的灰綠結(jié)合方案為：對于1 a一遇降雨設(shè)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(shè)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(qū)下凹式綠地滲透速率設(shè)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(zhì)進行改造，節(jié)約投資成本，且現(xiàn)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(qū)域面積比44%，其中地面改造面積比30%，同時對積水節(jié)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(chǔ)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(shè)置為2.0 m，通過降低開泵水位以排出系統(tǒng)更多水量。對于5 a一遇的降雨重現(xiàn)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(qū)，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(qū)排水系統(tǒng)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(shè)1 300 m3淺層調(diào)蓄容積，才能滿足區(qū)域5 a一遇降雨不積水。因此，第②種方案在LID基礎(chǔ)上，通過對末端雨水泵的開泵水位進行調(diào)控，避免在建筑密度高的老城區(qū)增大灰色調(diào)蓄設(shè)施，與第①種方案相比，減少了管道擴容費用，更能節(jié)約經(jīng)濟成本。

雖然LID聯(lián)合泵排調(diào)控能夠進一步提升對區(qū)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(shè)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(qū)域LID聯(lián)合泵排最大能夠調(diào)控7 a一遇的降雨，對于強度更高、雨量更大的降雨，LID聯(lián)合泵排調(diào)控能力有限。對于一個區(qū)域，如果此類降雨發(fā)生頻率高，可根據(jù)城市開發(fā)情況以及區(qū)域水系改造規(guī)劃，進一步聯(lián)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(diào)控增大排水系統(tǒng)雨水快排能力，通過河湖疏通擴容改造增加水體調(diào)蓄能力，盡可能實現(xiàn)雨水快排，減輕城市內(nèi)澇。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

平原河網(wǎng)城市建成區(qū)土地資源緊張，本文通過分析LID與泵排聯(lián)合對城市暴雨積水控制的效果，為上海市老城區(qū)排水系統(tǒng)可持續(xù)改造、減緩城市積水提供技術(shù)參考。主要結(jié)論如下：

(1) 區(qū)域排水系統(tǒng)現(xiàn)狀達不到1 a一遇排水設(shè)計標準。1 a一遇降雨管網(wǎng)冒溢節(jié)點187個、積水量18 581 m3，3 a一遇、5 a一遇降雨節(jié)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(jié)點出現(xiàn)冒溢和積水，但單個節(jié)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(jié)點僅為7個和15個，使LID分散控制區(qū)域積水具有可行性。

(2) 確定了提升區(qū)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(qū)域雨水系統(tǒng)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(qū)域雨水系統(tǒng)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(qū)域雨水系統(tǒng)4 a一遇降雨不積水。

(3) LID方案與泵排聯(lián)合調(diào)控進一步提升了區(qū)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?qū)⒀芯繀^(qū)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?qū)⒀芯繀^(qū)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(lián)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(qū)積水，是平原高密度城區(qū)排水系統(tǒng)提標改造的一種生態(tài)低碳、經(jīng)濟有效的方法。未來可結(jié)合區(qū)域LID規(guī)劃，優(yōu)化泵排模式，并結(jié)合調(diào)蓄設(shè)施基于河道水質(zhì)目標截留高濃度初期雨水，達到對城市建成區(qū)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(xiàn)象。

(2) 對于超出LID聯(lián)合泵排調(diào)控積水能力的短歷時特大暴雨，在基礎(chǔ)設(shè)施方面，還應(yīng)進一步聯(lián)合陸域-水域，綜合考慮大海綿削減措施，盡可能增加雨水調(diào)蓄能力并實現(xiàn)雨水快排；在管理方面，應(yīng)提升降雨的精準預(yù)報能力，提高洪澇災(zāi)害的預(yù)警能力，完善應(yīng)急響應(yīng)多部門聯(lián)動機制，加大應(yīng)急能力和防災(zāi)避險自救知識宣傳，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。