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，同時加強管網(wǎng)清淤，優(yōu)化系統(tǒng)運行方案，并模擬評價了海綿城市改造對解決初期雨水溢流污染、降低系統(tǒng)運行成本等綜合環(huán)境效益的改善與提升。

海綿城市；環(huán)境效應；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)標準偏低，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行。“海綿城市”概念的提出，代表著生態(tài)雨洪管理思想和技術(shù)從學界走向了管理層面，并在實踐中得到了更為有利的推廣。海綿城市是新時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)化運行，也要自覺降低開發(fā)強度，保留和恢復恰當比例的生態(tài)空間，這對于解決我國城市內(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，促進城鎮(zhèn)化健康發(fā)展，具有重要的作用和意義。

1　研究對象與目標

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，采用泵截方式對旱流污水進行截流，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)同時設(shè)有一座雨水調(diào)蓄池，有效調(diào)蓄容積7 400 m3。強對流天氣下，該系統(tǒng)出流具有以下兩個基本特征：其一，降雨管道出流較降雨發(fā)生滯后時間隨著降雨強度尤其是集中強度的增加而減小，導致在極端天氣下，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，當系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生降雨溢流事件時對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

針對目前系統(tǒng)運行中存在的問題，基于系統(tǒng)運行現(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，并對改造后系統(tǒng)環(huán)境效應進行評估與分析。

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，對系統(tǒng)的管道、檢查井、泵站、調(diào)蓄池等排水設(shè)施要素進行了分析，并對缺失、可疑數(shù)據(jù)進行了實地踏勘測量，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)華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室解釋的中心城區(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、辦公、公共綠地及少量廠房等。

（3）系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。主要包括系統(tǒng)泵站近三年的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、地表積水統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。在數(shù)據(jù)整理過程中，去偽存真，對可疑數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場確認及復測，確保了模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的真實性與有效性。

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)影響相對較大，系統(tǒng)出水均通過成都北泵站實現(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水位及現(xiàn)場踏勘成果，集水池初始水位在-5～-3.19 m之間。

（3）水力數(shù)學模型的選擇

根據(jù)研究區(qū)域的特點和分布，對InfoWorks ICM軟件提供的產(chǎn)、匯流數(shù)學模型進行了比較，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）；管道計算模型采用圣·維南方程組。

3　模型的率定與驗證

成都路排水系統(tǒng)模型的率定驗證主要選取了一年一遇標準降雨、超標準降雨以及低于標準降雨的3種類型降雨事件共計7場完整降雨系列，針對系統(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)與實際管網(wǎng)、泵站運行狀態(tài)相吻合。

4　模擬評估

4.1低影響開發(fā)措施

根據(jù)上海市提出的貫徹落實《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進海綿城市建設(shè)指導意見》的實施意見，考慮到該系統(tǒng)位于發(fā)展較為成熟的城市化地區(qū)，因此選取了施工對系統(tǒng)及周圍環(huán)境影響小、可操作性強，同時環(huán)境效益較為明顯的生態(tài)化措施及運行管理措施，強調(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運行管理優(yōu)化

4.2.1調(diào)蓄池原運行方案

目前，成都北泵站在三臺截流泵全開狀態(tài)下，集水池水位上升超過-5.0 m時，開啟一臺防汛泵，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，開啟第二臺防汛泵，輸送至調(diào)蓄池；當集水池水位降至-6.0 m時停泵，或按時間規(guī)則，即兩臺防汛泵開啟時間累加為50 min時停泵。

4.2.2調(diào)蓄池擬優(yōu)化方案

根據(jù)上海市氣象降雨強度預報信息，預先對排水系統(tǒng)管網(wǎng)抽空，預留管網(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)整為兩臺雨水泵同時啟動向調(diào)蓄池輸送，總開泵時間50 min，其他水泵運行狀態(tài)不變。

4.3綜合環(huán)境效益評價

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)運行方案，在確保水安全的前提下，評價其綜合環(huán)境效益的提升。

4.3.1減少雨水泵開泵臺數(shù)及總開泵時間

系統(tǒng)在進行海綿措施改造前，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臺雨水泵排除雨水。海綿措施改造后，降雨徑流高峰時，雨水泵最多開啟7臺，比改造前少開4臺；總開泵時間亦由原540 min減少至475 min及477 min。因此海綿措施的實施，降低了系統(tǒng)徑流高峰流量，緩解了系統(tǒng)末端泵站的運行壓力，同時降低了系統(tǒng)運行能耗。泵機運行情況見表2。

表2　海綿措施改造前后泵機運行情況分析表

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間，大大削減了系統(tǒng)初期雨水溢流對河道水質(zhì)的影響。模擬結(jié)果見圖2和圖3。

圖2　成都北泵站進水峰值流量模擬結(jié)果

圖3　成都北泵站進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，對擬海綿改造后的成都路排水系統(tǒng)進行了模擬評估，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)末端最大開泵臺數(shù)4臺，并有效縮減泵站總運行時間約60 min，同時降低徑流總量36%，減少系統(tǒng)初期雨水溢流總量11%。由此可見，海綿措施的實施，對于減低初期雨水河道污染、降低泵站運行成本具有重要的現(xiàn)實指導意義。

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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（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。