调蓄设施布局设计模型研究

柯 杭

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引 言

受全球气候变化影响，近年来极端天气频发，暴雨等极端自然灾害对社会管理、城市运行和人民生产生活造成较大的安全隐患。城镇雨水排水系统作为城市的重要基础设施，在城市防汛安全和水环境提升方面承担的责任日益加重。上海作为我国滨江临海特大型城市，是国内最早建设现代雨水排水设施的城市之一，虽然市政排水系统的建设和管理在国内处于较领先地位，但与发达国家相比尚存在较大差距。目前全市中心城区采用强排、郊区采用自排的城镇排水格局已基本形成，已建排水系统基本达到1 a 一遇标准，其中城市分中心或交通枢纽等高标地区的规划标准为3～5 a 一遇，服务范围仅占10%。一旦发生强降雨或连续性降雨事件，现状排水能力很难满足排水需要。

调蓄设施的建设是城市内涝防治和径流污染控制的重要工程措施，是已建排水系统能力提升的重要手段之一[1]。德国、日本等发达国家大力重视调蓄设施建设与运维，调蓄设施已成为其韧性排水系统的重要组成部分。为此，《上海市城镇雨水排水规划（2020—2035 年）》提出，通过绿色源头削峰、灰色过程蓄排、蓝色末端消纳、管理提质增效，实现排水系统基本达到3～5 a 一遇能力。规划提出，对各类建设用地调蓄设施，按每平方公里1.2 万m3雨水调蓄能力配置（从1 a 一遇提高到5 a 一遇的强排系统）。因此，规模化雨水调蓄设施建设将成为未来上海市排水工作的重点之一。

调蓄设施的规划布局直接影响排水系统应对内涝风险的水平[2]。当前，上海市调蓄设施类型主要是以截留初雨为目的的控污调蓄池且大多布置在排水系统末端，提标调蓄设施的应用案例及经验较为欠缺；研究中则多利用程序算法探讨调蓄设施的布局优化[3-5]，对工作基础要求较高且需要可观的算力支持与时间成本。现以上海市中心城区三个排水系统为例，利用计算机排水模型，寻找调蓄设施布局的一般规律，并提出评价指标和相应的布局设计方法，为提标调蓄设施的规划布局设计提供参考。

1 研究区域和方法

选择上海中心城区三个具有不同特点的排水系统，依据管道设计基础资料，将管道、检查井、泵站纳入模型范围，利用InfoWorks ICM 软件建立排水系统数学模型，排水系统基本信息见表1 所列。典型降雨事件的降雨重现期设置为5 a 一遇，降雨雨型为雨峰系数r=0.405 的芝加哥雨型，降雨历时取120 min（以上海市现行暴雨强度公式为基准）。

表1 排水系统基本信息一览表

对排水系统进行现状排水状况模拟计算，在此基础上，分别选择不同管径的节点位置，设置不同大小的调蓄设施。在设置单个调蓄设施的方案之外，另设置2～3 个调蓄设施并存的方案，以考察分散调蓄容量的效果。在模型中，调蓄设施通过溢流堰进水，溢流堰高与上游排水管管顶齐平。模拟的初始时刻，调蓄设施的状态为全空，并且在计算时长（6 h）内，调蓄设施只进水不出水。不同方案下调蓄设施的效益采用四项指标进行对比：总调蓄容量、容积利用率、总积水量、最大积水量。其中，前两项可反映成本水平，后两项可反映积水削减效果。

2 结果与分析

2.1 排水系统①调蓄设施布局讨论

排水系统①的现状排水状况显示400 个节点中有343 个节点出现不同程度积水。所有管道均处于超负荷状态，即：系统①的积水特点是系统全域大范围积水且积水程度普遍较重。选择4 个节点位置进行单个调蓄设施的设置。调蓄设施位置及节点管径、泵站位置见图1 所示。单个调蓄设施的模拟结果见表2 所列。计算结果表明，调蓄设施在现有的进水条件下均能实现100%的容积利用率。不同位置的调蓄设施对总积水量和最大积水量的削减效果有显著差别，其中位置2 在现有方案中的效果最优，在调蓄容量为4 800 m3时，对总积水量和最大积水量的削减率分别达到34%、38%。

表2 排水系统①在不同调蓄设施布局下的结果一览表

图1 排水系统①调蓄设施位置示意图

在位置1 之外，另外寻找两处管径为DN600 的节点位置，将5 000 m3的调蓄容量平均分配到这几处位置，形成分散调蓄方案。计算结果表明：当分散为2 处调蓄设施时，总积水量和最大积水量的削减率分别达到50%、44%；当分散为3 处调蓄设施时，总积水量和最大积水量的削减率进一步提高至56%、45%。

2.2 排水系统②调蓄设施布局计算

排水系统②的现状排水状况显示：752 个节点中有285 个节点出现轻微程度积水，主要集中在系统东部地面标高较低的管段（长度约1.2 km），97%的管道均处于超负荷状态，即系统②的积水特点是系统小范围积水且积水程度较轻。选择6 个节点位置进行单个调蓄设施的设置，调蓄设施位置及节点管径、泵站位置见图2 所示。单个调蓄设施的模拟结果见表3 所列，与系统①显著不同，在位置1 以外的调蓄设施虽然在降雨期间实现了100%的容积利用率，但在积水削减方面基本无作用。由于设置于系统②的主要积水区域内，位置1 实现了现有方案内的最优效果，在调蓄容量为4 500 m3时，对总积水量和最大积水量的削减率分别达到25%、52%。

表3 排水系统②在不同调蓄设施布局下的结果一览表

图2 排水系统②调蓄设施位置示意图

将4 800 m3的调蓄容量平均分配到位置1 和位置2，形成系统②的分散调蓄方案。计算结果显示，总积水量和最大积水量的削减率分别为21%、39%，比在位置1 设置单个调蓄设施的效果有所降低，说明位置1 和位置2 对削减积水的贡献并不对等，将调蓄容量分配到位置2 反而影响了方案效果。

2.3 排水系统③调蓄设施布局计算

排水系统③的现状排水状况显示，705 个节点中有266 个节点出现积水，其中265 个节点的积水程度较轻，最大积水出现在系统西南角最上游节点处，积水量达298 m3，占系统总积水的87%，即系统③的积水特点是单点积水严重且位置处于管网最上游处。选择6 个节点位置进行单个调蓄设施的设置，调蓄设施位置及节点管径、泵站位置见图3 所示。单个调蓄设施的模拟结果见表4 所列，计算结果显示，在所有方案中调蓄设施都在降雨期间实现了100%的容积利用率，但在积水削减方面基本无作用。

图3 排水系统③调蓄设施位置示意图

表4 排水系统③在不同调蓄设施布局下的结果一览表

2.4 调蓄设施布局评价指标及规划设计方法

对比系统①、②、③的调蓄设置布局计算结果可知，在排水系统积水削减上，调蓄位置（相对于调蓄容量）是主要决定因素。用于排水能力提标的调蓄设施的理想设置位置与节点管径不存在对应关系，由于节点处管径大小可一定程度代表节点在排水系统中所处位置，说明调蓄设施在排水系统中的相对位置不是决定调蓄设施布局的关键；调蓄设施与积水位置的相对关系则显著影响了调蓄设施积水削减的效果，并且在积水位置上游处设置调蓄设施通常能取得较好的效果。因此，参考文献资料中已有的研究成果[1]，引入下列指标用于调蓄设施布局的定量评价：

以排水系统①为例，计算其不同调蓄设施设置位置的指标值，结果见表5 所列，位置2 的指标数值最高，说明该处设置调蓄设施的潜在效果最佳，这一结果也和上文中模型计算结果一致。

表5 排水系统③在不同调蓄设施布局下的结果一览表

据此提出调蓄设施布局规划设计方法：

（1）建立排水模型，对系统的现状排水能力进行计算。

（2）根据用地条件，筛选出有条件设置调蓄设施的点位作为备选点位。

（3）计算备选点位的调蓄设施布局评价指标（积水削减潜力）。

（4）指标值较高的位置可推荐为优先设置调蓄设施的位置。

（5）考虑调蓄设施建设运维成本基础上，制定适当程度的分散调蓄方案。

3 结 语

本文通过排水特点各异的三个排水系统的模型研究，发现提标调蓄设施的布局主要取决于排水系统的积水位置，将调蓄设施设置于积水位置上游处可获得良好的积水削减效果。为此，提出调蓄设施布局评价指标及相应的调蓄设施布局规划设计方法，应用算例表明在获得系统现状排水能力的基础上应用评价指标可迅速便捷地筛选出调蓄设施布局的优先位置，为规划阶段的调蓄设施布局提供依据。