王碧波，李懷正，沈龐勇，王曉鵬

(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092；2.上海城投水務工程項目管理有限公司，上海 201103)

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

深隧系統(tǒng)在國外多個國家已經(jīng)有了較為成熟的應用，但國內經(jīng)驗缺乏，面臨管網(wǎng)銜接、超深地下施工、大容量泵站建設、運行管理等一系列技術問題[1]。本文以蘇州河深隧為例，選取典型排水分區(qū)，以InfoWorks ICM模型為工具建立計算機水力模型，重點研究深隧系統(tǒng)入流點的數(shù)量、位置和設置形式對提標的影響，為該工程的建設提供技術支撐和參考。

1 研究模型建立

1.1 工程概述

深隧服務范圍內原有的25個排水系統(tǒng)大多為1年一遇標準(19個合流制，6個分流制)，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)雨水泵站內設有截流設施攔截混接污水，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)設置入流點，改變系統(tǒng)水力線，分流部分雨水進入深隧，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，并有效應對100年一遇降雨，基本消除沿線初期雨水污染，實現(xiàn)系統(tǒng)提標、內澇防治、初雨治理三大目標。

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置8座豎井(綜合設施)，就近將25個排水系統(tǒng)分為8個排水分區(qū)，通過二三級管道將入流點匯集的水流收集進入一級調蓄隧道進行儲存。旱天通過提升泵站(設于夢清園)將隧道內的雨水提升后，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行處理。

1.2 運行調度模式

工程建成后具體的運營調度方式可分為三種：小雨、中雨及大雨運行方式，規(guī)劃入流模式通過入流井設置溢流堰和綜合設施閘門控制實現(xiàn)。

(1)小雨：降雨強度在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施進行截流；分流制地區(qū)可截流至污水管網(wǎng)。在這種情況下，不啟動調蓄入流模式。

(2)中雨：降雨強度在5～22.5 mm/h，以污染控制和經(jīng)濟效益為主，優(yōu)先利用現(xiàn)有截流設施進行截流；當合流污水一期總管難以承受，應啟動深隧調蓄入流模式。

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

基于調研獲得的基礎數(shù)據(jù)，通過模型網(wǎng)絡概化、邊界條件、確定產(chǎn)匯流方法與水動力方法等步驟，建立項目范圍的水力模型。

根據(jù)工程實際情況以及不同產(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匯流模型；入流點處初始堰高按5 mm不進深隧控制(通過計算，對應管道充滿度約0.26)?；A管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要根據(jù)《上海市防汛能力調查與評估—城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)能力調查評估專項報告》的管網(wǎng)信息成果；高程、建筑主要采用研究范圍內高精度的數(shù)字高程和建筑地形數(shù)據(jù)。

1.4 邊界條件

(1)降雨歷時：降雨歷時增加，峰值前后的小雨時間增長，會導致淺層管道空間被占用，則同樣降雨強度的雨峰時刻越不安全。深隧系統(tǒng)提標是通過入流點對排水管網(wǎng)進行分流，模型的模擬宜按最不利原則，用5年一遇2 h甚至更長來驗證是否達標，并結合實際的降雨過程來驗證。同時考慮對于城市化地區(qū)排水系統(tǒng)，其匯流時間通常不會超過2 h，綜合考慮，本研究降雨歷時選取2 h。

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

(3)降雨模擬時長：為全面衡量2 h降雨對排水系統(tǒng)的影響，模擬歷時選擇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)模型驗證：模型1年一遇模擬所得峰值流量與各系統(tǒng)設計流量基本一致；另采用2008年6月27日(降雨歷時為19 h，總降雨量為139.1 mm，最大時降雨量為50.6 mm/h)的典型降雨實測數(shù)據(jù)進行對比，模擬所得積水情況與實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)，二者共同作用達到規(guī)劃目標，為評判系統(tǒng)的總體功能及兩大系統(tǒng)之間的協(xié)調作用，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)銜接關系的一個重要指標。深隧服務范圍內的現(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，保證進入深隧的水量不失衡，理想狀態(tài)下應盡量使進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進行銜接，本研究主要從入流點設置入手進行分析，研究其對功能實現(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，服務曹豐、苗圃西2個排水系統(tǒng)，涉及兩路二三級管道。曹豐系統(tǒng)初步設入流點3處，苗圃西系統(tǒng)初步設置入流點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)設計暴雨重現(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 入流點數(shù)量的影響

入流點是兩大系統(tǒng)銜接的關鍵要素，通過入流點的設置，降低原有系統(tǒng)的水面線，消減部分超過系統(tǒng)設計標準暴雨的水量，實現(xiàn)工程規(guī)劃既定的目標。以曹豐系統(tǒng)為例，分析入流點的數(shù)量(1～3個)對兩大系統(tǒng)銜接的影響。

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

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

表1 曹豐系統(tǒng)入流點特征值統(tǒng)計表

入流點的數(shù)量和位置對系統(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 入流點位置的影響

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

從系統(tǒng)提標角度，靠近泵站的福泉路入流點似乎優(yōu)于協(xié)和路入流點；從二三級管網(wǎng)長度看，福泉路入流點也優(yōu)于協(xié)和路方案。從兩種方案的水量分配角度考察，結果如表2所示(5年一遇)。由于福泉路入流點過于接近淺層系統(tǒng)泵站，泵站進水困難，大部分水通過二三級管網(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 不同位置入流點水量分配對比表

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

2.4 入流點堰高的影響

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

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

按以上調試的堰高進行調整模擬，對于曹豐系統(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，應該以水量分配為主，因此建議適當提高系統(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，增加堰高對流量的影響不大，但會對系統(tǒng)間的水量分配產(chǎn)生影響。

2.5 入流點堰寬的影響

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

圖6 堰寬與過堰流量、水量關系圖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，水量分配的比例變化范圍為1∶0.8～1∶1.2，堰寬變化1 m，比例變動在0.2左右。堰寬改變對過堰最大流量的影響僅在0.5 m3/s，由此可知，對于苗圃系統(tǒng)，堰寬改變對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的數(shù)量與位置。對于有些系統(tǒng)(如曹豐)，堰寬增加后不開泵也不影響系統(tǒng)積水，說明只要接入點的個數(shù)足夠、位置合適，即可以保證洪峰時間段將水力線拉低，不需要依靠市政泵站開啟。而對于苗圃系統(tǒng)來說，僅通過使增加堰寬可以推遲市政泵開啟時間，但難以解決系統(tǒng)積水情況。通過計算，當苗圃接入點堰寬減少到4 m時(仍為進水總管管頂水位開泵)，開泵時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管網(wǎng)水量減少1 300 m3，故工程上把堰做小對系統(tǒng)功能并無太大影響。

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

2.6 豎井入流方式的影響

對于深隧的25子系統(tǒng)來說，理想水量分配比難以“天然”實現(xiàn)，在無控制措施的條件下，進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施的累計入流量比理想分配值大約1倍，深隧調蓄容量將難以承受。

(2)閘門控制方式下的系統(tǒng)特征。

豎井處采用閘門控制，并在入流水量達到4.81萬m3時關閉閘門，看系統(tǒng)能否滿足5年一遇達標。閘門關閉后，二三級管網(wǎng)變?yōu)椤爸袑诱{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被儲存于二三級管網(wǎng)中。

由上述分析可知，采用直接跌落的方式，綜合設施的累計入流量遠超理想分配值，采用閘門控制淺層系統(tǒng)進入深隧的流量后，部分超標雨水可存儲于中層的二三級管道中，淺層系統(tǒng)可同樣實現(xiàn)規(guī)劃提標功能。

3 結論

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改造目標實現(xiàn)的基礎上，盡量將淺層設施的排水能力用足?；诮⒌臄?shù)學模型分析，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)籌調度可以達到工程規(guī)劃確定的目標。

通過研究，對深隧入流點如何設置簡單總結如下。

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

(2)入流點選擇宜盡量靠近系統(tǒng)總管中部位置。但對于多總管的系統(tǒng)，僅靠單個入流點較難實現(xiàn)系統(tǒng)上游不積水。

(3)入流點應避免離泵站過近，否則會導致泵站進水困難，大部分水流入深隧，水量分配失衡。

(4)增加入流點堰高對流量的影響不大，但影響水量分配的比例。

(5)堰寬在合理范圍內增大減少，對系統(tǒng)積水影響較小，堰寬的調整對過堰最大流量及累計水量分配的影響不大。對于水量分配而言，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，部分超標雨水可存儲于中層的二三級管道中。鑒于深隧工程的復雜性，在系統(tǒng)提標功能實現(xiàn)方面，除關注入流點的設置外，還需深入研究淺層系統(tǒng)局部改造、市政泵的運行方式、深隧管徑及下游排放條件等對功能實現(xiàn)的影響。