王碧波，李懷正，沈龐勇，王曉鵬

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司，上海 201103)

城市深隧排水系統(tǒng)是一種能夠有效緩解城市內(nèi)澇問題、解決雨洪和溢流污染的重要措施，上海在反復(fù)調(diào)研論證之后，針對(duì)中心城水面率低、建筑密度高、地下管線復(fù)雜、人口密集和防汛壓力大的特點(diǎn)，提出了集中線性調(diào)蓄設(shè)施的布局規(guī)劃。

深隧系統(tǒng)在國(guó)外多個(gè)國(guó)家已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)缺乏，面臨管網(wǎng)銜接、超深地下施工、大容量泵站建設(shè)、運(yùn)行管理等一系列技術(shù)問題[1]。本文以蘇州河深隧為例，選取典型排水分區(qū)，以InfoWorks ICM模型為工具建立計(jì)算機(jī)水力模型，重點(diǎn)研究深隧系統(tǒng)入流點(diǎn)的數(shù)量、位置和設(shè)置形式對(duì)提標(biāo)的影響，為該工程的建設(shè)提供技術(shù)支撐和參考。

1 研究模型建立

1.1 工程概述

深隧服務(wù)范圍內(nèi)原有的25個(gè)排水系統(tǒng)大多為1年一遇標(biāo)準(zhǔn)(19個(gè)合流制，6個(gè)分流制)，合流制系統(tǒng)采用合流泵站攔截污水和部分初期雨水，分流制系統(tǒng)雨水泵站內(nèi)設(shè)有截流設(shè)施攔截混接污水，攔截的雨污水經(jīng)合流一期、三期總管輸送至竹園污水處理廠處理后排放。

深隧系統(tǒng)的原理為在原有系統(tǒng)設(shè)置入流點(diǎn)，改變系統(tǒng)水力線，分流部分雨水進(jìn)入深隧，保證22.5 mm降雨不外排的情況下，使原有雨水系統(tǒng)由1年一遇提高到5年一遇，并有效應(yīng)對(duì)100年一遇降雨，基本消除沿線初期雨水污染，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提標(biāo)、內(nèi)澇防治、初雨治理三大目標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)總體布置圖Fig.1 General Layout of the System

蘇州河深隧主隧沿線共設(shè)置8座豎井(綜合設(shè)施)，就近將25個(gè)排水系統(tǒng)分為8個(gè)排水分區(qū)，通過二三級(jí)管道將入流點(diǎn)匯集的水流收集進(jìn)入一級(jí)調(diào)蓄隧道進(jìn)行儲(chǔ)存。旱天通過提升泵站(設(shè)于夢(mèng)清園)將隧道內(nèi)的雨水提升后，利用現(xiàn)狀合流一期總管的空余能力，輸送至竹園污水廠進(jìn)行處理。

1.2 運(yùn)行調(diào)度模式

工程建成后具體的運(yùn)營(yíng)調(diào)度方式可分為三種：小雨、中雨及大雨運(yùn)行方式，規(guī)劃入流模式通過入流井設(shè)置溢流堰和綜合設(shè)施閘門控制實(shí)現(xiàn)。

(1)小雨：降雨強(qiáng)度在5 mm/h以下，蘇州河沿岸合流制地區(qū)降雨徑流基本全部通過已建截流設(shè)施進(jìn)行截流；分流制地區(qū)可截流至污水管網(wǎng)。在這種情況下，不啟動(dòng)調(diào)蓄入流模式。

(2)中雨：降雨強(qiáng)度在5～22.5 mm/h，以污染控制和經(jīng)濟(jì)效益為主，優(yōu)先利用現(xiàn)有截流設(shè)施進(jìn)行截流；當(dāng)合流污水一期總管難以承受，應(yīng)啟動(dòng)深隧調(diào)蓄入流模式。

(3)大雨：降雨強(qiáng)度>22.5 mm/h，以防汛安全為主，充分利用截留設(shè)施能力的前提下，啟動(dòng)深隧入流模式，當(dāng)深隧充滿后，啟動(dòng)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

基于調(diào)研獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過模型網(wǎng)絡(luò)概化、邊界條件、確定產(chǎn)匯流方法與水動(dòng)力方法等步驟，建立項(xiàng)目范圍的水力模型。

根據(jù)工程實(shí)際情況以及不同產(chǎn)匯流模型的適用條件，選用固定比例徑流模型和雙線性水庫(kù)匯流模型；入流點(diǎn)處初始堰高按5 mm不進(jìn)深隧控制(通過計(jì)算，對(duì)應(yīng)管道充滿度約0.26)。基礎(chǔ)管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要根據(jù)《上海市防汛能力調(diào)查與評(píng)估—城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)能力調(diào)查評(píng)估專項(xiàng)報(bào)告》的管網(wǎng)信息成果；高程、建筑主要采用研究范圍內(nèi)高精度的數(shù)字高程和建筑地形數(shù)據(jù)。

1.4 邊界條件

(1)降雨歷時(shí)：降雨歷時(shí)增加，峰值前后的小雨時(shí)間增長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致淺層管道空間被占用，則同樣降雨強(qiáng)度的雨峰時(shí)刻越不安全。深隧系統(tǒng)提標(biāo)是通過入流點(diǎn)對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行分流，模型的模擬宜按最不利原則，用5年一遇2 h甚至更長(zhǎng)來驗(yàn)證是否達(dá)標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際的降雨過程來驗(yàn)證。同時(shí)考慮對(duì)于城市化地區(qū)排水系統(tǒng)，其匯流時(shí)間通常不會(huì)超過2 h，綜合考慮，本研究降雨歷時(shí)選取2 h。

(2)降雨雨型及重現(xiàn)期：根據(jù)規(guī)范以及工程規(guī)劃中對(duì)深隧功能的定位，選擇芝加哥雨型，峰值系數(shù)參照相關(guān)研究選定為0.405[2]。

(3)降雨模擬時(shí)長(zhǎng)：為全面衡量2 h降雨對(duì)排水系統(tǒng)的影響，模擬歷時(shí)選擇6 h，確保雨水徑流全部排除，充分暴露在極端條件下系統(tǒng)產(chǎn)生的問題。

(4)模型驗(yàn)證：模型1年一遇模擬所得峰值流量與各系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量基本一致；另采用2008年6月27日(降雨歷時(shí)為19 h，總降雨量為139.1 mm，最大時(shí)降雨量為50.6 mm/h)的典型降雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，模擬所得積水情況與實(shí)際積水資料基本吻合，模型可用于規(guī)劃方案的研究。

圖2 2008年6月27號(hào)降雨過程線Fig.2 Rainfall Process Hydrograph in June 27,2008

1.5 研究思路

原有排水系統(tǒng)與深隧系統(tǒng)組成新系統(tǒng)，二者共同作用達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)，為評(píng)判系統(tǒng)的總體功能及兩大系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)作用，主要考慮地面的積水情況以及兩大系統(tǒng)之間的水量分配。

水量分配是反映兩大系統(tǒng)銜接關(guān)系的一個(gè)重要指標(biāo)。深隧服務(wù)范圍內(nèi)的現(xiàn)有系統(tǒng)多為1年一遇，可以通過淺層系統(tǒng)雨水泵站解決36 mm降雨，從靜態(tài)水量的角度，達(dá)到5年一遇的功能就是要解決剩余22.5 mm(5年一遇約為58.5 mm)的降雨出路。故為最大限度地發(fā)揮淺層系統(tǒng)功能，保證進(jìn)入深隧的水量不失衡，理想狀態(tài)下應(yīng)盡量使進(jìn)入深隧的水量與淺層系統(tǒng)市政泵排水量之比保持約22.5∶36=1∶1.6。

原有系統(tǒng)與深隧主要依靠入流點(diǎn)進(jìn)行銜接，本研究主要從入流點(diǎn)設(shè)置入手進(jìn)行分析，研究其對(duì)功能實(shí)現(xiàn)的影響。

2 方案與影響分析

2.1 排水分區(qū)概況

選取蘇州河深隧試驗(yàn)段的苗圃排水分區(qū)為例，該分區(qū)深隧入流豎井位于苗圃西泵站西側(cè)，服務(wù)曹豐、苗圃西2個(gè)排水系統(tǒng)，涉及兩路二三級(jí)管道。曹豐系統(tǒng)初步設(shè)入流點(diǎn)3處，苗圃西系統(tǒng)初步設(shè)置入流點(diǎn)2處。

曹豐系統(tǒng)總面積為2.90 km2，苗圃系統(tǒng)總面積為1.30 km2，系統(tǒng)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期均為P=1年，規(guī)劃綜合徑流系數(shù)ψ=0.55。曹豐雨水泵站規(guī)模為13.0 m3/s，苗圃西雨水泵站規(guī)模為8.64 m3/s。

圖3 苗圃排水分區(qū)(西Ⅴ區(qū))系統(tǒng)圖Fig.3 System Map of the Miaopu Drainage Area(West V Area)

2.2 入流點(diǎn)數(shù)量的影響

入流點(diǎn)是兩大系統(tǒng)銜接的關(guān)鍵要素，通過入流點(diǎn)的設(shè)置，降低原有系統(tǒng)的水面線，消減部分超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)暴雨的水量，實(shí)現(xiàn)工程規(guī)劃既定的目標(biāo)。以曹豐系統(tǒng)為例，分析入流點(diǎn)的數(shù)量(1～3個(gè))對(duì)兩大系統(tǒng)銜接的影響。

圖4 不同數(shù)量入流點(diǎn)系統(tǒng)模擬圖Fig.4 Simulation Results under Different Amount of Inflow Points

由圖4可知，該系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)入流點(diǎn)并不能很好地解決5年一遇雨峰時(shí)刻水力線的問題，系統(tǒng)邊緣處水力線超出地面，形成積水。對(duì)于三路主干管的曹豐系統(tǒng)，3個(gè)入流點(diǎn)的方案可以較好地滿足既定的系統(tǒng)提標(biāo)目標(biāo)，在此方案下，曹豐通過市政泵的排江水量為61 448 m3，通過二三級(jí)管網(wǎng)的水量為58 019 m3，各入流點(diǎn)的特征值如表1所示。

表1 曹豐系統(tǒng)入流點(diǎn)特征值統(tǒng)計(jì)表

入流點(diǎn)的數(shù)量和位置對(duì)系統(tǒng)水力線影響較大。數(shù)量過少，即使自由出流也難以解決系統(tǒng)暴雨積水的問題。

2.3 入流點(diǎn)位置的影響

相同數(shù)量的入流點(diǎn)，設(shè)置在不同的位置(圖5)，對(duì)系統(tǒng)功能的發(fā)揮存在不同影響，下面以苗圃系統(tǒng)為例，分析入流點(diǎn)不同位置對(duì)水量分配的影響。

從系統(tǒng)提標(biāo)角度，靠近泵站的福泉路入流點(diǎn)似乎優(yōu)于協(xié)和路入流點(diǎn)；從二三級(jí)管網(wǎng)長(zhǎng)度看，福泉路入流點(diǎn)也優(yōu)于協(xié)和路方案。從兩種方案的水量分配角度考察，結(jié)果如表2所示(5年一遇)。由于福泉路入流點(diǎn)過于接近淺層系統(tǒng)泵站，泵站進(jìn)水困難，大部分水通過二三級(jí)管網(wǎng)流入深隧，市政泵開啟不足。從系統(tǒng)水量分配合理性的角度綜合考慮，協(xié)和路方案要優(yōu)于福泉路方案。

圖5 入流點(diǎn)不同位置方案5年一遇積水情況Fig.5 Simulation Results at Different Locations of Inflow Point under Every Five-Year Rainfall

表2 不同位置入流點(diǎn)水量分配對(duì)比表

由表2可知，接入點(diǎn)應(yīng)避免離泵站過近，否則容易導(dǎo)致水量分配比例失衡。目前，上海市中心城區(qū)1年一遇排水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)排水模數(shù)約為6 m3/(s·km2)，5年一遇排水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)排水模數(shù)約為9.4 m3/(s·km2)，排水系統(tǒng)服務(wù)面積基本在1.5～3.5 km2，因此對(duì)于單總管的排水系統(tǒng)，按服務(wù)面積、排水模數(shù)、市政雨水泵站排水能力簡(jiǎn)單推算，入流點(diǎn)選擇宜盡量靠近系統(tǒng)總管中部位置，即可分流系統(tǒng)上游約一半的服務(wù)面積，最終達(dá)到全系統(tǒng)提標(biāo)的目標(biāo)。

2.4 入流點(diǎn)堰高的影響

入流點(diǎn)接入堰的堰高也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的銜接功能產(chǎn)生影響。從優(yōu)先利用淺層系統(tǒng)現(xiàn)有截流設(shè)施能力的角度，在保證地面不嚴(yán)重積水的情況下宜盡量增加堰高，模型按每次增加10 cm進(jìn)行模擬，如發(fā)生嚴(yán)重積水則降至5 cm調(diào)整一次。

以曹豐系統(tǒng)為例分析，入流點(diǎn)1(北部)堰高增加50 cm不影響系統(tǒng)積水情況，即堰高所對(duì)應(yīng)充滿度可從之前模擬假定的0.26增加到0.54；入流點(diǎn)2(中部)堰高增加5 cm及開始影響系統(tǒng)積水情況；入流點(diǎn)3(南部)堰高增加90 cm不影響系統(tǒng)積水情況，即充滿度可從0.26增加到0.80。

按以上調(diào)試的堰高進(jìn)行調(diào)整模擬，對(duì)于曹豐系統(tǒng)堰高影響的水量分配量約為8 000 m3，增加堰高可以使水量分配比例由1∶0.9變?yōu)?∶1.25。暴雨情景下，應(yīng)該以水量分配為主，因此建議適當(dāng)提高系統(tǒng)堰高，平衡原有系統(tǒng)與深隧系統(tǒng)的水量分配比。

通過分析可知，增加堰高對(duì)流量的影響不大，但會(huì)對(duì)系統(tǒng)間的水量分配產(chǎn)生影響。

2.5 入流點(diǎn)堰寬的影響

主要考察堰寬在多大程度上影響水量分配以及對(duì)接入點(diǎn)最大流量的影響，以苗圃系統(tǒng)為例，分析堰寬為4、4.5、5(基礎(chǔ)方案)、5.5、6、6.5 m與7 m時(shí)，堰寬與過堰最大流量及累計(jì)過堰水量的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 堰寬與過堰流量、水量關(guān)系圖Fig.6 Relationship between Weir Width and Over Weir Flow

通過分析可知，堰寬在4～7 m變化時(shí)，水量分配的比例變化范圍為1∶0.8～1∶1.2，堰寬變化1 m，比例變動(dòng)在0.2左右。堰寬改變對(duì)過堰最大流量的影響僅在0.5 m3/s，由此可知，對(duì)于苗圃系統(tǒng)，堰寬改變對(duì)過堰最大流量的影響不大。

系統(tǒng)積水主要是水力線高出地面，主要影響因素是市政泵與接入點(diǎn)的數(shù)量與位置。對(duì)于有些系統(tǒng)(如曹豐)，堰寬增加后不開泵也不影響系統(tǒng)積水，說明只要接入點(diǎn)的個(gè)數(shù)足夠、位置合適，即可以保證洪峰時(shí)間段將水力線拉低，不需要依靠市政泵站開啟。而對(duì)于苗圃系統(tǒng)來說，僅通過使增加堰寬可以推遲市政泵開啟時(shí)間，但難以解決系統(tǒng)積水情況。通過計(jì)算，當(dāng)苗圃接入點(diǎn)堰寬減少到4 m時(shí)(仍為進(jìn)水總管管頂水位開泵)，開泵時(shí)間與基本情景基本一致，系統(tǒng)不積水，該情況與基本情景相比二三級(jí)管網(wǎng)水量減少1 300 m3，故工程上把堰做小對(duì)系統(tǒng)功能并無太大影響。

通過分析，堰寬在合理范圍內(nèi)變化，對(duì)系統(tǒng)積水影響較小，堰寬的調(diào)整對(duì)過堰最大流量及累計(jì)水量的影響不大，但可影響水量分配。

2.6 豎井入流方式的影響

對(duì)于深隧的25子系統(tǒng)來說，理想水量分配比難以“天然”實(shí)現(xiàn)，在無控制措施的條件下，進(jìn)入深隧的水量將超過規(guī)劃容量(74萬m3)，故需要研究入流豎井采用直接跌落與閘門控制條件下的系統(tǒng)特征狀態(tài)。

(1)直接跌落方式下的系統(tǒng)特征。

表3 苗圃分區(qū)直接跌落情景系統(tǒng)特征值

由表3可知，直接跌落方式綜合設(shè)施的累計(jì)入流量比理想分配值大約1倍，深隧調(diào)蓄容量將難以承受。

(2)閘門控制方式下的系統(tǒng)特征。

豎井處采用閘門控制，并在入流水量達(dá)到4.81萬m3時(shí)關(guān)閉閘門，看系統(tǒng)能否滿足5年一遇達(dá)標(biāo)。閘門關(guān)閉后，二三級(jí)管網(wǎng)變?yōu)椤爸袑诱{(diào)蓄池”，水量分配上，市政泵的排水量仍為8.64萬m3，深隧入流量受閘門的控制限制為4.81萬m3，剩余的3.92萬m3被儲(chǔ)存于二三級(jí)管網(wǎng)中。

由上述分析可知，采用直接跌落的方式，綜合設(shè)施的累計(jì)入流量遠(yuǎn)超理想分配值，采用閘門控制淺層系統(tǒng)進(jìn)入深隧的流量后，部分超標(biāo)雨水可存儲(chǔ)于中層的二三級(jí)管道中，淺層系統(tǒng)可同樣實(shí)現(xiàn)規(guī)劃提標(biāo)功能。

3 結(jié)論

蘇州河深隧規(guī)劃的兩大功能(提高排水安全、減少CSO排放)既統(tǒng)一又矛盾，方案的制定需確保提標(biāo)改造目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，盡量將淺層設(shè)施的排水能力用足?；诮⒌臄?shù)學(xué)模型分析，通過原有排水系統(tǒng)與深隧系統(tǒng)之間的有效銜接和統(tǒng)籌調(diào)度可以達(dá)到工程規(guī)劃確定的目標(biāo)。

通過研究，對(duì)深隧入流點(diǎn)如何設(shè)置簡(jiǎn)單總結(jié)如下。

(1)入流點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置對(duì)原有系統(tǒng)與深隧系統(tǒng)的水量分配比例影響較大，在設(shè)置時(shí)要考慮系統(tǒng)的大小、形狀、系統(tǒng)主管的數(shù)量等因素。

(2)入流點(diǎn)選擇宜盡量靠近系統(tǒng)總管中部位置。但對(duì)于多總管的系統(tǒng)，僅靠單個(gè)入流點(diǎn)較難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上游不積水。

(3)入流點(diǎn)應(yīng)避免離泵站過近，否則會(huì)導(dǎo)致泵站進(jìn)水困難，大部分水流入深隧，水量分配失衡。

(4)增加入流點(diǎn)堰高對(duì)流量的影響不大，但影響水量分配的比例。

(5)堰寬在合理范圍內(nèi)增大減少，對(duì)系統(tǒng)積水影響較小，堰寬的調(diào)整對(duì)過堰最大流量及累計(jì)水量分配的影響不大。對(duì)于水量分配而言，堰高變化比堰寬更敏感。

(6)建議入流豎井處采用閘門控制方式，部分超標(biāo)雨水可存儲(chǔ)于中層的二三級(jí)管道中。鑒于深隧工程的復(fù)雜性，在系統(tǒng)提標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)方面，除關(guān)注入流點(diǎn)的設(shè)置外，還需深入研究淺層系統(tǒng)局部改造、市政泵的運(yùn)行方式、深隧管徑及下游排放條件等對(duì)功能實(shí)現(xiàn)的影響。