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(tǒng)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(qū)已建高度城市化地區(qū)的排水系統(tǒng)。借鑒海綿城市建設(shè)理念，因地制宜地開展低影響開發(fā)改造，同時(shí)加強(qiáng)管網(wǎng)清淤，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方案，并模擬評(píng)價(jià)了海綿城市改造對(duì)解決初期雨水溢流污染、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本等綜合環(huán)境效益的改善與提升。

海綿城市；環(huán)境效應(yīng)；排水系統(tǒng)；高度城市化地區(qū)

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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏低，造成了“城市看海”的內(nèi)澇現(xiàn)象頻發(fā)，影響了城市正常的運(yùn)行?！昂＞d城市”概念的提出，代表著生態(tài)雨洪管理思想和技術(shù)從學(xué)界走向了管理層面，并在實(shí)踐中得到了更為有利的推廣。海綿城市是新時(shí)期治水思路的豐富和完善，既要注重地下管網(wǎng)的建設(shè)與優(yōu)化運(yùn)行，也要自覺降低開發(fā)強(qiáng)度，保留和恢復(fù)恰當(dāng)比例的生態(tài)空間，這對(duì)于解決我國城市內(nèi)澇頻發(fā)、水生態(tài)惡化等突出問題，改善城市人居環(huán)境，促進(jìn)城鎮(zhèn)化健康發(fā)展，具有重要的作用和意義。

1　研究對(duì)象與目標(biāo)

成都路排水系統(tǒng)為上海市中心城區(qū)較為常見的合流制排水系統(tǒng)，規(guī)劃服務(wù)面積3.26 km2，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期1 a，徑流系數(shù)0.8。系統(tǒng)泵站為成都北泵站，采用泵截方式對(duì)旱流污水進(jìn)行截流，截流污水經(jīng)截流總管最終排入合流一期；系統(tǒng)雨水經(jīng)提升后排入蘇州河。泵站內(nèi)同時(shí)設(shè)有一座雨水調(diào)蓄池，有效調(diào)蓄容積7 400 m3。強(qiáng)對(duì)流天氣下，該系統(tǒng)出流具有以下兩個(gè)基本特征：其一，降雨管道出流較降雨發(fā)生滯后時(shí)間隨著降雨強(qiáng)度尤其是集中強(qiáng)度的增加而減小，導(dǎo)致在極端天氣下，系統(tǒng)高峰流量較快出現(xiàn)，為系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間的運(yùn)行調(diào)度帶來較大壓力；其二，系統(tǒng)初期雨水及溢流污水污染嚴(yán)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(tǒng)雨水排放口位于蘇州河市區(qū)段中下游，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生降雨溢流事件時(shí)對(duì)下游蘇州河甚至黃浦江水質(zhì)都產(chǎn)生較大沖擊。圖1為成都路排水系統(tǒng)及周邊排水系統(tǒng)關(guān)系圖。

圖1　成都路排水系統(tǒng)及周邊排水系統(tǒng)關(guān)系圖

針對(duì)目前系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，基于系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀及地貌、功能區(qū)劃等特征，采用水力模型手段，充分挖掘系統(tǒng)節(jié)能減排、提高系統(tǒng)水安全、保護(hù)水環(huán)境的潛在效益，分析系統(tǒng)內(nèi)如何開展城市海綿改造，并對(duì)改造后系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估與分析。

2　模型構(gòu)建

2.1模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）管網(wǎng)、泵站數(shù)據(jù)

基于上海市城市排水行業(yè)數(shù)據(jù)庫及其管理信息系統(tǒng)中的成都路系統(tǒng)管網(wǎng)、調(diào)控設(shè)施數(shù)據(jù)等，對(duì)系統(tǒng)的管道、檢查井、泵站、調(diào)蓄池等排水設(shè)施要素進(jìn)行了分析，并對(duì)缺失、可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)地踏勘測(cè)量，利用InfoWorks ICM模型軟件構(gòu)建了包括檢查井、管道、水泵、調(diào)蓄池等要素在內(nèi)的成都路系統(tǒng)城市綜合流域排水模型。

（2）地形數(shù)據(jù)

根據(jù)華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室解釋的中心城區(qū)土地利用/土地覆被資料等，研究區(qū)域內(nèi)地形數(shù)據(jù)主要包括地面高程、地表建筑和構(gòu)筑物、地表類型等信息。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際情況，研究區(qū)域用地性質(zhì)主要為居民用地，兼有商務(wù)、教學(xué)、辦公、公共綠地及少量廠房等。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。主要包括系統(tǒng)泵站近三年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地表積水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。在數(shù)據(jù)整理過程中，去偽存真，對(duì)可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)及復(fù)測(cè)，確保了模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的真實(shí)性與有效性。

2.2模型參數(shù)選取

（1）模型的邊界

成都路系統(tǒng)與周邊排水系統(tǒng)聯(lián)系緊密，受外圍排水系統(tǒng)影響相對(duì)較大，系統(tǒng)出水均通過成都北泵站實(shí)現(xiàn)。

（2）模型的初始水位條件

根據(jù)近三年成都北泵站集水池觀測(cè)水位及現(xiàn)場(chǎng)踏勘成果，集水池初始水位在-5～-3.19 m之間。

（3）水力數(shù)學(xué)模型的選擇

根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)和分布，對(duì)InfoWorks ICM軟件提供的產(chǎn)、匯流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了比較，并最終確定：不透水表面的產(chǎn)流模型采用固定徑流系數(shù)模型（Fixed PR Model）；透水表面的產(chǎn)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(jì)算模型采用圣·維南方程組。

3　模型的率定與驗(yàn)證

成都路排水系統(tǒng)模型的率定驗(yàn)證主要選取了一年一遇標(biāo)準(zhǔn)降雨、超標(biāo)準(zhǔn)降雨以及低于標(biāo)準(zhǔn)降雨的3種類型降雨事件共計(jì)7場(chǎng)完整降雨系列，針對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)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(gòu)建的模型在一定精度范圍內(nèi)與實(shí)際管網(wǎng)、泵站運(yùn)行狀態(tài)相吻合。

4　模擬評(píng)估

4.1低影響開發(fā)措施

根據(jù)上海市提出的貫徹落實(shí)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)指導(dǎo)意見》的實(shí)施意見，考慮到該系統(tǒng)位于發(fā)展較為成熟的城市化地區(qū)，因此選取了施工對(duì)系統(tǒng)及周圍環(huán)境影響小、可操作性強(qiáng)，同時(shí)環(huán)境效益較為明顯的生態(tài)化措施及運(yùn)行管理措施，強(qiáng)調(diào)尊重和利用本地特性，以生態(tài)系統(tǒng)為根基，盡可能改善系統(tǒng)內(nèi)雨水收集、下滲及利用。主要措施見表1。

表1　成都路系統(tǒng)擬海綿化改造措施

4.2運(yùn)行管理優(yōu)化

4.2.1調(diào)蓄池原運(yùn)行方案

目前，成都北泵站在三臺(tái)截流泵全開狀態(tài)下，集水池水位上升超過-5.0 m時(shí)，開啟一臺(tái)防汛泵，輸送至調(diào)蓄池；在上述工況下，集水池水位繼續(xù)上升超過-5.0 m時(shí)，開啟第二臺(tái)防汛泵，輸送至調(diào)蓄池；當(dāng)集水池水位降至-6.0 m時(shí)停泵，或按時(shí)間規(guī)則，即兩臺(tái)防汛泵開啟時(shí)間累加為50 min時(shí)停泵。

4.2.2調(diào)蓄池?cái)M優(yōu)化方案

根據(jù)上海市氣象降雨強(qiáng)度預(yù)報(bào)信息，預(yù)先對(duì)排水系統(tǒng)管網(wǎng)抽空，預(yù)留管網(wǎng)調(diào)蓄容量的基礎(chǔ)上，將成都北泵站調(diào)蓄池開泵水位從-5.0 m分別調(diào)整至-4.5 m及4.0 m，開泵狀態(tài)調(diào)整為兩臺(tái)雨水泵同時(shí)啟動(dòng)向調(diào)蓄池輸送，總開泵時(shí)間50 min，其他水泵運(yùn)行狀態(tài)不變。

4.3綜合環(huán)境效益評(píng)價(jià)

利用InfoWorks ICM模型，模擬了成都路排水系統(tǒng)經(jīng)低影響開發(fā)改造后，在一年一遇降雨條件下，通過調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方案，在確保水安全的前提下，評(píng)價(jià)其綜合環(huán)境效益的提升。

4.3.1減少雨水泵開泵臺(tái)數(shù)及總開泵時(shí)間

系統(tǒng)在進(jìn)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(tǒng)水安全，成都北泵站需開啟11臺(tái)雨水泵排除雨水。海綿措施改造后，降雨徑流高峰時(shí)，雨水泵最多開啟7臺(tái)，比改造前少開4臺(tái)；總開泵時(shí)間亦由原540 min減少至475 min及477 min。因此海綿措施的實(shí)施，降低了系統(tǒng)徑流高峰流量，緩解了系統(tǒng)末端泵站的運(yùn)行壓力，同時(shí)降低了系統(tǒng)運(yùn)行能耗。泵機(jī)運(yùn)行情況見表2。

表2　海綿措施改造前后泵機(jī)運(yùn)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(shè)計(jì)降雨下，雨水溢流峰值降低約36%，溢流總量削減約10%～11%。系統(tǒng)通過低影響開發(fā)措施對(duì)雨水的蓄滲及攔截、管網(wǎng)的調(diào)蓄，顯著降低了地面雨水徑流總量及匯流時(shí)間，大大削減了系統(tǒng)初期雨水溢流對(duì)河道水質(zhì)的影響。模擬結(jié)果見圖2和圖3。

圖2　成都北泵站進(jìn)水峰值流量模擬結(jié)果

圖3　成都北泵站進(jìn)水峰值流量及雨水溢流模擬結(jié)果

5　結(jié)　論

通過采用InfoWorks ICM水力模型，對(duì)擬海綿改造后的成都路排水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬評(píng)估，結(jié)果表明，在已建系統(tǒng)采取路面滲透鋪裝、屋頂綠化、下凹式綠地、管網(wǎng)清淤以及運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化等綜合海綿措施后，一年一遇降雨情況下，可降低系統(tǒng)末端最大開泵臺(tái)數(shù)4臺(tái)，并有效縮減泵站總運(yùn)行時(shí)間約60 min，同時(shí)降低徑流總量36%，減少系統(tǒng)初期雨水溢流總量11%。由此可見，海綿措施的實(shí)施，對(duì)于減低初期雨水河道污染、降低泵站運(yùn)行成本具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)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(xiàng)（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。