应用InfoWorks模型对深隧入流点设置方案的优化

王碧波，李怀正，沈庞勇，王晓鹏

(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2.上海城投水务工程项目管理有限公司，上海 201103)

城市深隧排水系统是一种能够有效缓解城市内涝问题、解决雨洪和溢流污染的重要措施，上海在反复调研论证之后，针对中心城水面率低、建筑密度高、地下管线复杂、人口密集和防汛压力大的特点，提出了集中线性调蓄设施的布局规划。

深隧系统在国外多个国家已经有了较为成熟的应用，但国内经验缺乏，面临管网衔接、超深地下施工、大容量泵站建设、运行管理等一系列技术问题[1]。本文以苏州河深隧为例，选取典型排水分区，以InfoWorks ICM模型为工具建立计算机水力模型，重点研究深隧系统入流点的数量、位置和设置形式对提标的影响，为该工程的建设提供技术支撑和参考。

1 研究模型建立

1.1 工程概述

深隧服务范围内原有的25个排水系统大多为1年一遇标准(19个合流制，6个分流制)，合流制系统采用合流泵站拦截污水和部分初期雨水，分流制系统雨水泵站内设有截流设施拦截混接污水，拦截的雨污水经合流一期、三期总管输送至竹园污水处理厂处理后排放。

深隧系统的原理为在原有系统设置入流点，改变系统水力线，分流部分雨水进入深隧，保证22.5 mm降雨不外排的情况下，使原有雨水系统由1年一遇提高到5年一遇，并有效应对100年一遇降雨，基本消除沿线初期雨水污染，实现系统提标、内涝防治、初雨治理三大目标。

图1 系统总体布置图Fig.1 General Layout of the System

苏州河深隧主隧沿线共设置8座竖井(综合设施)，就近将25个排水系统分为8个排水分区，通过二三级管道将入流点汇集的水流收集进入一级调蓄隧道进行储存。旱天通过提升泵站(设于梦清园)将隧道内的雨水提升后，利用现状合流一期总管的空余能力，输送至竹园污水厂进行处理。

1.2 运行调度模式

工程建成后具体的运营调度方式可分为三种：小雨、中雨及大雨运行方式，规划入流模式通过入流井设置溢流堰和综合设施闸门控制实现。

(1)小雨：降雨强度在5 mm/h以下，苏州河沿岸合流制地区降雨径流基本全部通过已建截流设施进行截流；分流制地区可截流至污水管网。在这种情况下，不启动调蓄入流模式。

(2)中雨：降雨强度在5～22.5 mm/h，以污染控制和经济效益为主，优先利用现有截流设施进行截流；当合流污水一期总管难以承受，应启动深隧调蓄入流模式。

(3)大雨：降雨强度>22.5 mm/h，以防汛安全为主，充分利用截留设施能力的前提下，启动深隧入流模式，当深隧充满后，启动市政雨水或合流泵站，抽送雨水入河，直至雨停。

1.3 模型建立

基于调研获得的基础数据，通过模型网络概化、边界条件、确定产汇流方法与水动力方法等步骤，建立项目范围的水力模型。

根据工程实际情况以及不同产汇流模型的适用条件，选用固定比例径流模型和双线性水库汇流模型；入流点处初始堰高按5 mm不进深隧控制(通过计算，对应管道充满度约0.26)。基础管网数据主要根据《上海市防汛能力调查与评估—城镇排水系统能力调查评估专项报告》的管网信息成果；高程、建筑主要采用研究范围内高精度的数字高程和建筑地形数据。

1.4 边界条件

(1)降雨历时：降雨历时增加，峰值前后的小雨时间增长，会导致浅层管道空间被占用，则同样降雨强度的雨峰时刻越不安全。深隧系统提标是通过入流点对排水管网进行分流，模型的模拟宜按最不利原则，用5年一遇2 h甚至更长来验证是否达标，并结合实际的降雨过程来验证。同时考虑对于城市化地区排水系统，其汇流时间通常不会超过2 h，综合考虑，本研究降雨历时选取2 h。

(2)降雨雨型及重现期：根据规范以及工程规划中对深隧功能的定位，选择芝加哥雨型，峰值系数参照相关研究选定为0.405[2]。

(3)降雨模拟时长：为全面衡量2 h降雨对排水系统的影响，模拟历时选择6 h，确保雨水径流全部排除，充分暴露在极端条件下系统产生的问题。

(4)模型验证：模型1年一遇模拟所得峰值流量与各系统设计流量基本一致；另采用2008年6月27日(降雨历时为19 h，总降雨量为139.1 mm，最大时降雨量为50.6 mm/h)的典型降雨实测数据进行对比，模拟所得积水情况与实际积水资料基本吻合，模型可用于规划方案的研究。

图2 2008年6月27号降雨过程线Fig.2 Rainfall Process Hydrograph in June 27,2008

1.5 研究思路

原有排水系统与深隧系统组成新系统，二者共同作用达到规划目标，为评判系统的总体功能及两大系统之间的协调作用，主要考虑地面的积水情况以及两大系统之间的水量分配。

水量分配是反映两大系统衔接关系的一个重要指标。深隧服务范围内的现有系统多为1年一遇，可以通过浅层系统雨水泵站解决36 mm降雨，从静态水量的角度，达到5年一遇的功能就是要解决剩余22.5 mm(5年一遇约为58.5 mm)的降雨出路。故为最大限度地发挥浅层系统功能，保证进入深隧的水量不失衡，理想状态下应尽量使进入深隧的水量与浅层系统市政泵排水量之比保持约22.5∶36=1∶1.6。

原有系统与深隧主要依靠入流点进行衔接，本研究主要从入流点设置入手进行分析，研究其对功能实现的影响。

2 方案与影响分析

2.1 排水分区概况

选取苏州河深隧试验段的苗圃排水分区为例，该分区深隧入流竖井位于苗圃西泵站西侧，服务曹丰、苗圃西2个排水系统，涉及两路二三级管道。曹丰系统初步设入流点3处，苗圃西系统初步设置入流点2处。

曹丰系统总面积为2.90 km2，苗圃系统总面积为1.30 km2，系统设计暴雨重现期均为P=1年，规划综合径流系数ψ=0.55。曹丰雨水泵站规模为13.0 m3/s，苗圃西雨水泵站规模为8.64 m3/s。

图3 苗圃排水分区(西Ⅴ区)系统图Fig.3 System Map of the Miaopu Drainage Area(West V Area)

2.2 入流点数量的影响

入流点是两大系统衔接的关键要素，通过入流点的设置，降低原有系统的水面线，消减部分超过系统设计标准暴雨的水量，实现工程规划既定的目标。以曹丰系统为例，分析入流点的数量(1～3个)对两大系统衔接的影响。

图4 不同数量入流点系统模拟图Fig.4 Simulation Results under Different Amount of Inflow Points

由图4可知，该系统设置一个入流点并不能很好地解决5年一遇雨峰时刻水力线的问题，系统边缘处水力线超出地面，形成积水。对于三路主干管的曹丰系统，3个入流点的方案可以较好地满足既定的系统提标目标，在此方案下，曹丰通过市政泵的排江水量为61 448 m3，通过二三级管网的水量为58 019 m3，各入流点的特征值如表1所示。

表1 曹丰系统入流点特征值统计表

入流点的数量和位置对系统水力线影响较大。数量过少，即使自由出流也难以解决系统暴雨积水的问题。

2.3 入流点位置的影响

相同数量的入流点，设置在不同的位置(图5)，对系统功能的发挥存在不同影响，下面以苗圃系统为例，分析入流点不同位置对水量分配的影响。

从系统提标角度，靠近泵站的福泉路入流点似乎优于协和路入流点；从二三级管网长度看，福泉路入流点也优于协和路方案。从两种方案的水量分配角度考察，结果如表2所示(5年一遇)。由于福泉路入流点过于接近浅层系统泵站，泵站进水困难，大部分水通过二三级管网流入深隧，市政泵开启不足。从系统水量分配合理性的角度综合考虑，协和路方案要优于福泉路方案。

图5 入流点不同位置方案5年一遇积水情况Fig.5 Simulation Results at Different Locations of Inflow Point under Every Five-Year Rainfall

表2 不同位置入流点水量分配对比表

由表2可知，接入点应避免离泵站过近，否则容易导致水量分配比例失衡。目前，上海市中心城区1年一遇排水标准设计排水模数约为6 m3/(s·km2)，5年一遇排水标准设计排水模数约为9.4 m3/(s·km2)，排水系统服务面积基本在1.5～3.5 km2，因此对于单总管的排水系统，按服务面积、排水模数、市政雨水泵站排水能力简单推算，入流点选择宜尽量靠近系统总管中部位置，即可分流系统上游约一半的服务面积，最终达到全系统提标的目标。

2.4 入流点堰高的影响

入流点接入堰的堰高也会对系统的衔接功能产生影响。从优先利用浅层系统现有截流设施能力的角度，在保证地面不严重积水的情况下宜尽量增加堰高，模型按每次增加10 cm进行模拟，如发生严重积水则降至5 cm调整一次。

以曹丰系统为例分析，入流点1(北部)堰高增加50 cm不影响系统积水情况，即堰高所对应充满度可从之前模拟假定的0.26增加到0.54；入流点2(中部)堰高增加5 cm及开始影响系统积水情况；入流点3(南部)堰高增加90 cm不影响系统积水情况，即充满度可从0.26增加到0.80。

按以上调试的堰高进行调整模拟，对于曹丰系统堰高影响的水量分配量约为8 000 m3，增加堰高可以使水量分配比例由1∶0.9变为1∶1.25。暴雨情景下，应该以水量分配为主，因此建议适当提高系统堰高，平衡原有系统与深隧系统的水量分配比。

通过分析可知，增加堰高对流量的影响不大，但会对系统间的水量分配产生影响。

2.5 入流点堰宽的影响

主要考察堰宽在多大程度上影响水量分配以及对接入点最大流量的影响，以苗圃系统为例，分析堰宽为4、4.5、5(基础方案)、5.5、6、6.5 m与7 m时，堰宽与过堰最大流量及累计过堰水量的关系，如图6所示。

图6 堰宽与过堰流量、水量关系图Fig.6 Relationship between Weir Width and Over Weir Flow

通过分析可知，堰宽在4～7 m变化时，水量分配的比例变化范围为1∶0.8～1∶1.2，堰宽变化1 m，比例变动在0.2左右。堰宽改变对过堰最大流量的影响仅在0.5 m3/s，由此可知，对于苗圃系统，堰宽改变对过堰最大流量的影响不大。

系统积水主要是水力线高出地面，主要影响因素是市政泵与接入点的数量与位置。对于有些系统(如曹丰)，堰宽增加后不开泵也不影响系统积水，说明只要接入点的个数足够、位置合适，即可以保证洪峰时间段将水力线拉低，不需要依靠市政泵站开启。而对于苗圃系统来说，仅通过使增加堰宽可以推迟市政泵开启时间，但难以解决系统积水情况。通过计算，当苗圃接入点堰宽减少到4 m时(仍为进水总管管顶水位开泵)，开泵时间与基本情景基本一致，系统不积水，该情况与基本情景相比二三级管网水量减少1 300 m3，故工程上把堰做小对系统功能并无太大影响。

通过分析，堰宽在合理范围内变化，对系统积水影响较小，堰宽的调整对过堰最大流量及累计水量的影响不大，但可影响水量分配。

2.6 竖井入流方式的影响

对于深隧的25子系统来说，理想水量分配比难以“天然”实现，在无控制措施的条件下，进入深隧的水量将超过规划容量(74万m3)，故需要研究入流竖井采用直接跌落与闸门控制条件下的系统特征状态。

(1)直接跌落方式下的系统特征。

表3 苗圃分区直接跌落情景系统特征值

由表3可知，直接跌落方式综合设施的累计入流量比理想分配值大约1倍，深隧调蓄容量将难以承受。

(2)闸门控制方式下的系统特征。

竖井处采用闸门控制，并在入流水量达到4.81万m3时关闭闸门，看系统能否满足5年一遇达标。闸门关闭后，二三级管网变为“中层调蓄池”，水量分配上，市政泵的排水量仍为8.64万m3，深隧入流量受闸门的控制限制为4.81万m3，剩余的3.92万m3被储存于二三级管网中。

由上述分析可知，采用直接跌落的方式，综合设施的累计入流量远超理想分配值，采用闸门控制浅层系统进入深隧的流量后，部分超标雨水可存储于中层的二三级管道中，浅层系统可同样实现规划提标功能。

3 结论

苏州河深隧规划的两大功能(提高排水安全、减少CSO排放)既统一又矛盾，方案的制定需确保提标改造目标实现的基础上，尽量将浅层设施的排水能力用足。基于建立的数学模型分析，通过原有排水系统与深隧系统之间的有效衔接和统筹调度可以达到工程规划确定的目标。

通过研究，对深隧入流点如何设置简单总结如下。

(1)入流点的个数和位置对原有系统与深隧系统的水量分配比例影响较大，在设置时要考虑系统的大小、形状、系统主管的数量等因素。

(2)入流点选择宜尽量靠近系统总管中部位置。但对于多总管的系统，仅靠单个入流点较难实现系统上游不积水。

(3)入流点应避免离泵站过近，否则会导致泵站进水困难，大部分水流入深隧，水量分配失衡。

(4)增加入流点堰高对流量的影响不大，但影响水量分配的比例。

(5)堰宽在合理范围内增大减少，对系统积水影响较小，堰宽的调整对过堰最大流量及累计水量分配的影响不大。对于水量分配而言，堰高变化比堰宽更敏感。

(6)建议入流竖井处采用闸门控制方式，部分超标雨水可存储于中层的二三级管道中。鉴于深隧工程的复杂性，在系统提标功能实现方面，除关注入流点的设置外，还需深入研究浅层系统局部改造、市政泵的运行方式、深隧管径及下游排放条件等对功能实现的影响。