羅穆喜

(上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 201206)

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程加快,具有調(diào)蓄空間的河浜和綠地被逐步開發(fā)硬化,徑流系數(shù)增大,調(diào)蓄空間減少,疊加極端氣候頻發(fā),加劇了已建低標(biāo)準(zhǔn)雨水強(qiáng)排系統(tǒng)的內(nèi)澇頻率和風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。因此,為保障區(qū)域雨季排水安全,維持區(qū)域高質(zhì)量穩(wěn)定發(fā)展,促進(jìn)地塊功能布局和企業(yè)落戶,亟需結(jié)合地塊開發(fā)建設(shè),完善區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施,提升區(qū)域雨水系統(tǒng)的排水能力,降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

近年來,城市雨水排水系統(tǒng)提標(biāo)得到了廣泛的關(guān)注,主要基于Infoworks和暴雨洪水管理模型(SWMM)等模型進(jìn)行水力模擬[1,3],采取增加管道調(diào)蓄、泵站等相關(guān)措施對(duì)城區(qū)雨水系統(tǒng)進(jìn)行提標(biāo)改造[4-6]。然而,關(guān)于利用現(xiàn)狀雨水泵站原位提標(biāo)潛能,對(duì)工業(yè)區(qū)大地塊多系統(tǒng)聯(lián)合提標(biāo)及技術(shù)要點(diǎn)的研究較少[6]。本文基于重裝備工業(yè)區(qū)路網(wǎng)稀疏、硬化率高、地塊大、車輛通行要求高等特點(diǎn),在現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力基礎(chǔ)上,結(jié)合Infoworks ICM模型,充分挖掘現(xiàn)狀雨水泵站原位提標(biāo)潛能,調(diào)整匯水分區(qū),輔以部分工程措施,解決管網(wǎng)瓶頸段和泵排能力缺陷等問題,可有效減少管道翻建,降低工程建設(shè)過程中對(duì)現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)的影響[7]。通過聯(lián)合提標(biāo)改造,各雨水強(qiáng)排系統(tǒng)達(dá)到5年一遇的排水能力。

1 區(qū)域概況

為推動(dòng)地區(qū)穩(wěn)定發(fā)展,保障區(qū)域雨季運(yùn)行安全,促進(jìn)地塊功能布局和企業(yè)落戶,對(duì)該區(qū)域雨水強(qiáng)排系統(tǒng)進(jìn)行提標(biāo)改造,將現(xiàn)狀地塊1年一遇排水標(biāo)準(zhǔn)整體提升至5年一遇排水能力。本次研究對(duì)象位于上海某重裝備工業(yè)區(qū),主要為工業(yè)、倉儲(chǔ)、港口運(yùn)輸?shù)扔玫?具有路網(wǎng)稀疏、硬化率高、地塊大、車輛通行要求高等特點(diǎn)?，F(xiàn)狀3個(gè)雨水強(qiáng)排系統(tǒng),總服務(wù)面積約為12.1 km2,總排水能力為80.6 m3/s,各系統(tǒng)雨水經(jīng)泵站提升后排至杭州灣(圖1)。

圖1 現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)分布

2 現(xiàn)狀評(píng)估分析及技術(shù)路線

2.1 現(xiàn)狀排水能力評(píng)估

區(qū)域排水系統(tǒng)體制為分流制,共有1#、2#和3#雨水強(qiáng)排系統(tǒng)(服務(wù)范圍及泵站規(guī)模如圖1所示),暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1年一遇,雨水經(jīng)泵站提升后排入杭州灣。采用Infoworks ICM模型,對(duì)區(qū)域5年一遇設(shè)計(jì)降雨工況下進(jìn)行模型分析(圖2)。

圖2 P=5 a時(shí)現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)各路段雨水外溢情況

模擬結(jié)果表明,該重裝備工業(yè)區(qū)1#、2#、3#雨水系統(tǒng)均無法滿足規(guī)劃徑流系數(shù)條件下的5年一遇排水能力,積水路段約占60%,平均積水深度約為0.25 cm,平均積水時(shí)間約為60 min。但由于地塊建設(shè)處于逐步開發(fā)狀態(tài),存在局部綠化、農(nóng)田和河溝等,有效降低了區(qū)域徑流系數(shù)(現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)分別為0.55、0.60、0.53),并起到了局部調(diào)蓄空間作用,該區(qū)域近幾年暫未發(fā)生全域重大內(nèi)澇事件。然而,隨著近期地塊逐步開發(fā)建設(shè),原本具有一定調(diào)蓄空間的綠地和河浜被硬化取代,徑流系數(shù)增大(規(guī)劃綜合徑流系數(shù)分別為0.66、0.68、0.68),調(diào)蓄空間減少,導(dǎo)致現(xiàn)狀1#雨水系統(tǒng)西南角、現(xiàn)狀2#雨水系統(tǒng)中東北角、現(xiàn)狀3#雨水系統(tǒng)中東北角等局部區(qū)域,發(fā)生過內(nèi)澇積水事件。亟需結(jié)合地塊開發(fā)建設(shè),完善區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施,提升區(qū)域雨水強(qiáng)排系統(tǒng)的排水能力。

2.2 提標(biāo)難點(diǎn)分析

該重裝備工業(yè)區(qū),具有路網(wǎng)稀疏、硬化率高、地塊大、車輛通行要求高等特點(diǎn),主要存在以下幾個(gè)問題:1)區(qū)域內(nèi)存在3個(gè)雨水強(qiáng)排系統(tǒng)(1年一遇),各系統(tǒng)均存在明顯的排水能力不足和管網(wǎng)瓶頸段;2)存在匯水分區(qū)不明確、單個(gè)地塊面積大(0.7～1.2 km2)、規(guī)劃單元調(diào)整(取消了大量規(guī)劃道路及其市政管網(wǎng))等問題,導(dǎo)致現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)收集系統(tǒng)存在較大缺陷;3)受限于區(qū)域內(nèi)用地條件和重大公共管線,并需盡可能地避免重點(diǎn)企業(yè)生命通道的管道改造,以減少對(duì)現(xiàn)狀企業(yè)運(yùn)行的影響,難以實(shí)現(xiàn)單系統(tǒng)或雙系統(tǒng)提標(biāo);4)為減少對(duì)道路和現(xiàn)狀排水的影響,以及雨水管道的敷設(shè)和投資,在現(xiàn)狀排水管網(wǎng)能力和走向基礎(chǔ)上,需充分挖掘現(xiàn)狀雨水泵站提標(biāo)潛能,減少新建雨水泵站規(guī)模和雨水管道等工程措施。

2.3 技術(shù)路線

已建雨水強(qiáng)排系統(tǒng)的聯(lián)合提標(biāo)改造涉及因素較多[8],主要有現(xiàn)狀排水管網(wǎng)及泵站的建設(shè)和運(yùn)行情況、各系統(tǒng)實(shí)際匯水范圍、地形資料、地塊開發(fā)及雨水出路、單元規(guī)劃等,以及區(qū)域內(nèi)重要的燃?xì)?、電力、管廊等邊界條件。以此為基礎(chǔ),采用Infoworks ICM模型,對(duì)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而確定現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的瓶頸段、泵站排水能力的缺陷容量等。結(jié)合區(qū)域雨水系統(tǒng)存在問題,通過分析現(xiàn)狀泵站原位擴(kuò)容改造的可行性,充分利用現(xiàn)狀排水系統(tǒng),調(diào)整匯水分區(qū),輔以部分工程措施,使得各雨水系統(tǒng)排水能力整體達(dá)標(biāo)。具體技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線

3 聯(lián)合提標(biāo)方案

3.1 技術(shù)要點(diǎn)分析

(1)匯水分區(qū),按實(shí)調(diào)整

本次研究區(qū)域各雨水強(qiáng)排系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間已超15年,區(qū)域內(nèi)地塊雨水出路與原設(shè)計(jì)存在一定出入。尤其是區(qū)域地塊單元調(diào)整后,地塊較大,取消了大量規(guī)劃道路及其市政管網(wǎng)(約49%),單個(gè)地塊面積多集中在0.7～1.2 km2,導(dǎo)致部分地塊雨水無法穿越周邊地塊分散接入四周市政雨水管道,而就近單側(cè)排放。此外,各系統(tǒng)邊界匯水范圍因地塊開發(fā)建設(shè)時(shí)序和邊界開發(fā)需求,各地塊排水路徑復(fù)雜,也會(huì)導(dǎo)致與原設(shè)計(jì)市政雨水管道匯水范圍存在偏差[2]。因此,摸排和確定各系統(tǒng)地塊匯水分區(qū)是整體提標(biāo)改造的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

(2)現(xiàn)狀管網(wǎng),少改造多利用

因該區(qū)域單元規(guī)劃路網(wǎng)調(diào)整,現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)稀疏、次干管管徑偏小、管網(wǎng)集水時(shí)間短、區(qū)域雨峰大,系統(tǒng)管網(wǎng)瓶頸效應(yīng)明顯,系統(tǒng)始端內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)大。經(jīng)模型模擬分析,調(diào)整匯水分區(qū),校核支管壓力流排水能力,解決雨水管道瓶頸點(diǎn),可有效減少管網(wǎng)改造。在系統(tǒng)劃分后部分大口徑雨水干管將作為調(diào)整后雨水系統(tǒng)的始端管道,可充分利用該部分現(xiàn)狀管道作為調(diào)蓄空間,彌補(bǔ)周邊偏小管徑排水能力的不足,減少改造工程量。此外,管道提標(biāo)改造應(yīng)盡可能保留現(xiàn)狀雨水管道作為道路雨水收集管,以減少新增雨水管道中設(shè)置的騎馬井或檢查井等工程[9],并對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)修復(fù),以提高現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)效能。

(3)現(xiàn)狀泵站,原位擴(kuò)容

現(xiàn)狀雨水泵站提升泵主要分為干式抽芯混流泵和濕式軸流泵。挖掘現(xiàn)狀泵站原位擴(kuò)容潛能,主要原則有:1)現(xiàn)狀進(jìn)水總管是否滿足系統(tǒng)提標(biāo)要求,或者現(xiàn)狀進(jìn)水閘門井是否具備接入新增管道的空間;2)現(xiàn)狀提升泵基礎(chǔ)(井筒)、集水池容積、泵組間距等是否滿足泵組更換擴(kuò)容要求;3)提標(biāo)擴(kuò)容后的雨水排放口流速是否滿足排放水體的相關(guān)要求,或者是否具備新增排放口的條件;4)相關(guān)電氣設(shè)備改造擴(kuò)容是否具備建筑空間,且原則上不改變供電方式。以此盡可能地減少大規(guī)模土建改造,縮短施工周期,保障雨季排水安全,充分利用現(xiàn)狀雨水泵站擴(kuò)容潛能提升系統(tǒng)排水能力[3]。

(4)企業(yè)通道,低影響

本次研究對(duì)象位于重裝備工業(yè)區(qū),重型卡車較多,需在少改造多利用原則基礎(chǔ)上,充分利用現(xiàn)狀管道排水能力,采用局部增排、連通、系統(tǒng)平衡等多模式結(jié)合的方式提標(biāo)改造。此外,根據(jù)現(xiàn)狀道路和企業(yè)建設(shè)情況,結(jié)合道路紅線寬度和管位資源,盡可能地避免企業(yè)生命通道的管道改造,以減少對(duì)現(xiàn)狀企業(yè)運(yùn)行的影響。

(5)雨水系統(tǒng),聯(lián)合提標(biāo)

廣西貴港新村金礦位于南華準(zhǔn)地臺(tái)桂中—桂東臺(tái)陷的大瑤山凸起，龍山鼻狀復(fù)背斜西南傾伏端的軸部，屬于龍山礦田的一部分。區(qū)域內(nèi)主要出露地層為寒武系黃洞口組、下泥盆統(tǒng)蓮花山組和那高嶺組。

各雨水強(qiáng)排系統(tǒng)處于同一區(qū)域,可優(yōu)先考慮聯(lián)合提標(biāo)改造[6-7]?，F(xiàn)狀雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低,無法滿足區(qū)域排水能力要求。各系統(tǒng)單獨(dú)提標(biāo)會(huì)涉及大量管網(wǎng)翻排,并面臨泵站擴(kuò)容潛能不足而新建雨水泵站或調(diào)蓄池等問題,工程量大、周期長(zhǎng),難以保障施工期間雨水系統(tǒng)的運(yùn)行安全。聯(lián)合提標(biāo)改造,可根據(jù)各系統(tǒng)中管網(wǎng)瓶頸段和泵站排水能力,采取部分工程建設(shè),調(diào)整匯水分區(qū),將各雨水系統(tǒng)的始端接入臨近現(xiàn)狀或新增雨水系統(tǒng)[6],可有效降低工程投資和施工周期,并具備分批改造、逐步達(dá)標(biāo)的條件。

3.2 聯(lián)合提標(biāo)總體方案

根據(jù)模型分析,結(jié)合各系統(tǒng)服務(wù)范圍劃分,1#、2#和3#現(xiàn)狀雨水泵站總排水規(guī)模為80.6 m3/s,泵排規(guī)模無法滿足區(qū)域5年一遇排水能力要求。此外,根據(jù)該重裝備工業(yè)區(qū)單元規(guī)劃,結(jié)合地塊開發(fā)/出讓,以及現(xiàn)狀道路和管網(wǎng)建設(shè)情況,因受限于地塊開發(fā)、服務(wù)范圍邊界條件(東側(cè)和南側(cè)為海防大堤,西側(cè)為特高壓電力走廊,北側(cè)為特高壓液態(tài)燃?xì)夤芎臀鬯偣?等限制,區(qū)域內(nèi)較難實(shí)施大規(guī)模的綠色調(diào)蓄設(shè)施和自排入河。此外,該區(qū)域位于重裝備工業(yè)區(qū),硬化率高、綠化面積小,大多屬于已建區(qū)域,難以通過地塊改造增加綠化或海綿來減小徑流系數(shù),降低徑流總量[6]。

因此,基于技術(shù)路線和要點(diǎn)分析,充分論證現(xiàn)狀1#、2#、3#雨水泵站建設(shè)條件和改造可行性,以及現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力,結(jié)合匯水分區(qū)的調(diào)整,總體考慮保留利用現(xiàn)狀1#雨水泵站,原位擴(kuò)容2#、3#雨水泵站,新建4#雨水泵站增加區(qū)域排水能力,并輔以相關(guān)管道工程的建設(shè),將區(qū)域現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)的排水能力聯(lián)合提標(biāo)至5年一遇。

3.3 聯(lián)合提標(biāo)工程措施

結(jié)合各系統(tǒng)服務(wù)范圍劃分和總體方案,工程措施如下(圖4)。

圖4 提標(biāo)改造各雨水系統(tǒng)規(guī)劃

(1)1#雨水系統(tǒng)提標(biāo)工程方案

調(diào)整1#雨水系統(tǒng)服務(wù)面積由5.4 km2縮減至3.5 km2,現(xiàn)狀管網(wǎng)存在局部瓶頸段,泵站排水能力經(jīng)服務(wù)范圍縮小后可滿足提標(biāo)需求。通過增排滄海路(云水路-妙香路)雨水管道(Φ2400)可解決該區(qū)域管網(wǎng)瓶頸問題,提升1#系統(tǒng)排水能力至5年一遇。

調(diào)整2#雨水系統(tǒng)服務(wù)范圍面積由3.2 km2縮減至2.9 km2?，F(xiàn)狀管網(wǎng)存在局部瓶頸段、泵站排水能力不足等問題。通過增排滄海路(層林路-新元南路)雨水管道(Φ2700～Φ3000)、倚天路(萬水路-滄海路)雨水管道(Φ1350～Φ2400),可解決該區(qū)域管網(wǎng)瓶頸問題。綜合考慮現(xiàn)狀雨水泵間距、布置條件,以及排海管過流能力等,通過局部土建改造、電力擴(kuò)容、更換泵組等措施,泵排規(guī)模由22 m3/s原位提標(biāo)至26.2 m3/s,可解決泵站排水能力不足問題,提升2#系統(tǒng)排水能力至5年一遇。

(3)3#雨水系統(tǒng)提標(biāo)工程方案

調(diào)整3#雨水系統(tǒng)服務(wù)范圍,面積由3.5 km2縮減至2.7 km2。經(jīng)系統(tǒng)服務(wù)范圍調(diào)整后,現(xiàn)狀管網(wǎng)不存在瓶頸段,但需結(jié)合周邊地塊開發(fā)實(shí)施擬建南蘆公路(萬水路-滄海路)雨水管道(Φ2400～Φ2700)。綜合考慮現(xiàn)狀雨水泵間距、布置條件,以及排海管過流能力等,通過局部土建改造、電力擴(kuò)容、更換泵組等措施,泵排規(guī)模由23.2 m3/s原位提標(biāo)至28 m3/s,解決泵站排水能力不足問題,提升3#系統(tǒng)排水能力至5年一遇。

(4)4#雨水系統(tǒng)提標(biāo)工程方案

新建4#雨水系統(tǒng)服務(wù)范圍面積為3.0 km2。充分利用現(xiàn)狀雨水管道,新增玉宇路(滄海路-海堤路)雨水管道(Φ4000)系統(tǒng)總管,以及鴻音路(萬水路-滄海路)雨水管道(Φ1800～Φ2400)、滄海路(鴻音路-玉宇路)雨水管道(Φ3000)等系統(tǒng)次干管。新建4#雨水泵站,規(guī)模為32 m3/s,雨水經(jīng)泵站提升后排入杭州灣。通過新建4#雨水泵站和局部管道的增排建設(shè),新建4#雨水系統(tǒng)形成“一站、一總、多支”的總體布局,提升該系統(tǒng)排水能力至5年一遇。

綜上分析,充分挖掘現(xiàn)狀雨水泵站提標(biāo)潛能,輔以局部新建雨水泵站和雨水管道等工程措施,采用局部增排、連通、系統(tǒng)平衡等多模式結(jié)合的方式,可有效提升該區(qū)域各雨水系統(tǒng)滿足5年一遇排水能力。

此外,考慮到該重裝備工業(yè)區(qū)企業(yè)入駐率較高,具有路網(wǎng)稀疏、地塊大、車輛通行要求高等特點(diǎn),各系統(tǒng)聯(lián)合提標(biāo)可分為兩個(gè)階段實(shí)施。第一階段實(shí)施現(xiàn)狀1#雨水系統(tǒng)提標(biāo)改造和新建4#雨水系統(tǒng)以提高整體區(qū)域排水能力,第二階段實(shí)施現(xiàn)狀2#和3#雨水系統(tǒng)提標(biāo)改造,將該重裝備工業(yè)區(qū)各雨水系統(tǒng)排水能力提升至5年一遇。經(jīng)模型分析(圖5),第一階段實(shí)施后,1#和4#雨水系統(tǒng)可滿足5年一遇排水能力要求。

圖5 P=2、3、5 a時(shí)現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)和聯(lián)合提標(biāo)雨水系統(tǒng)(第一階段)積水情況

現(xiàn)狀2#雨水系統(tǒng)部分服務(wù)范圍劃分至新建4#雨水系統(tǒng),現(xiàn)狀3#雨水系統(tǒng)因現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)間連通管作用部分雨水可以進(jìn)入2#雨水系統(tǒng)。因此,2#和3#雨水系統(tǒng)雖無法達(dá)標(biāo),但總體高于現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)排水能力。該區(qū)域在P=2、3、5 a情況下,檢查井溢水情況明顯減少,有效保障區(qū)域排水安全,減少對(duì)周邊企業(yè)運(yùn)行的影響,可有序按需地開展第二階段雨水系統(tǒng)聯(lián)合提標(biāo)改造。

4 結(jié)論

雨水強(qiáng)排系統(tǒng)的聯(lián)合提標(biāo)改造,需結(jié)合現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力,充分挖掘現(xiàn)狀雨水泵站原位擴(kuò)容潛能,按實(shí)調(diào)整匯水分區(qū),輔以相關(guān)管道增排或新建雨水泵站等措施,提標(biāo)至5年一遇排水能力。此外,各雨水系統(tǒng)達(dá)標(biāo)后,雖可滿足相關(guān)上位規(guī)劃要求,但由于原預(yù)留街坊管管徑多為DN600～DN800,管徑大多偏小,建議結(jié)合企業(yè)地塊內(nèi)部雨水提標(biāo)方案和排放口位置,根據(jù)地塊提標(biāo)需求,按實(shí)際情況分段實(shí)施街坊管的翻建。本文結(jié)合重裝備工業(yè)區(qū)雨水強(qiáng)排系統(tǒng)提標(biāo)改造實(shí)際案例,揭示了各雨水系統(tǒng)聯(lián)合提標(biāo)的技術(shù)路線,明確了技術(shù)方案要點(diǎn),有助于為區(qū)域雨水強(qiáng)排系統(tǒng)聯(lián)合提標(biāo)改造提供更多的選擇方向。