雨水調(diào)蓄池在已建排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

雨水調(diào)蓄池在已建排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

1滯留調(diào)蓄池、雨水調(diào)節(jié)池作為一種減少洪水和控制雨水污染的手段，雨水調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存在世界上得到了廣泛的應(yīng)用。調(diào)蓄池最初僅是作為暫時(shí)儲(chǔ)存過(guò)多雨水的設(shè)施,常利用天然的池塘或洼地等進(jìn)行儲(chǔ)水。隨著人們對(duì)雨水洪災(zāi)和污染的日益重視,調(diào)蓄池的功能和形式逐漸多樣化[1~2]。調(diào)蓄池是滯留調(diào)蓄池與截流調(diào)蓄池的統(tǒng)稱。滯留調(diào)蓄池暫時(shí)滯留雨水,待降雨洪峰過(guò)后,再將所滯留的雨水排掉,起調(diào)節(jié)洪峰流量的作用,因此滯留調(diào)蓄池又稱為雨水調(diào)節(jié)池。截流調(diào)蓄池主要用于控制徑流污染,雨水在池內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng),常設(shè)計(jì)為永久蓄水池,又稱為濕式調(diào)蓄池。滯留調(diào)蓄池在控制徑流流量中發(fā)揮著滯洪作用。流量較大的雨水在經(jīng)過(guò)滯留調(diào)蓄池后出流量明顯減小,從而起到了防澇的作用。在排水系統(tǒng)中,使用滯留調(diào)蓄池可減少下游排水管道的管徑及泵站設(shè)計(jì)流量。對(duì)于已建排水系統(tǒng)而言,通過(guò)設(shè)置滯留調(diào)蓄池,可在避免翻排下游管道和改建泵站的情況下,提高地區(qū)排水標(biāo)準(zhǔn)。截流調(diào)蓄池用于截流初期雨水,通過(guò)將初期雨水?dāng)r截后送入污水處理廠處理,起到控制初期雨水徑流污染河體的作用。隨著對(duì)水體環(huán)境整治要求的不斷提高,排水系統(tǒng)雨天溢流已成為上海城區(qū)水體污染的主要原因。無(wú)論是合流制排水系統(tǒng)還是分流制排水系統(tǒng),都存在污染狀況。設(shè)置截流調(diào)蓄池,可減少溢流水量,結(jié)合沉淀、撇渣等去除污染物的功能,以降低面源污染負(fù)荷。2真正的城市副中心排水2.1排水系統(tǒng)的設(shè)置真如城市副中心規(guī)劃范圍西起桃浦河,東至真華路以東規(guī)劃道路,南起武寧路,北至上海西站,總用地面積242.6hm2。真如城市副中心范圍內(nèi)排水設(shè)施分屬銅川、交通(南塊)及武寧三個(gè)排水系統(tǒng)。其中銅川排水系統(tǒng)及交通(塊)排水系統(tǒng)為雨污分流制排水系統(tǒng),武寧排水系統(tǒng)為合流制排水系統(tǒng)。其中,屬銅川排水系統(tǒng)的服務(wù)面積為216.11hm2,屬交通(南塊)排水系統(tǒng)的服務(wù)面積為16.42hm2,屬武寧排水系統(tǒng)的服務(wù)面積為10.07hm2。研究范圍內(nèi)的排水系統(tǒng)劃分見圖1所示。真如城市副中心功能的高層次定位導(dǎo)致部分區(qū)域的雨水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高。未提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)前,原各雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別如下:銅川雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):P=1a,綜合徑流系數(shù)采用0.6。交通(南塊)雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):鐵路西客站發(fā)展用地P=2a,其余地方P=1a;綜合徑流系數(shù)采用0.6。武寧雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):P=1a,綜合徑流系數(shù)采用0.6。該區(qū)域內(nèi)的雨水泵站及大部分雨水排水管道已根據(jù)原規(guī)劃實(shí)施,只余下部分雨水排水管道因規(guī)劃道路尚未建設(shè)而無(wú)法實(shí)施。2.2雨水設(shè)計(jì)目標(biāo)因?qū)φ嫒绯鞘懈敝行淖髁烁邔哟蔚墓δ芏ㄎ缓鸵?guī)劃布局,在地區(qū)道路系統(tǒng)、軌道交通系統(tǒng)、地下空間開發(fā)利用等方面作了控制性的規(guī)劃,在土地使用構(gòu)成、人口規(guī)模、市政公用設(shè)施規(guī)劃等方面與原來(lái)的地區(qū)規(guī)劃有較大的不同,排水管網(wǎng)布置需根據(jù)地下空間開發(fā)和城市快速道路建設(shè)的需要有所提高。原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已不再適用于真如城市副中心地區(qū)排水要求,現(xiàn)雨水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)具體調(diào)整為:(1)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期:一般地區(qū)為1a;重點(diǎn)地區(qū)(芝川路南、銅川路北、桃浦東路東、真華路西圍合部分,服務(wù)面積約為75.94hm2)為3a;上海鐵路西站南廣場(chǎng)部分為3a(范圍:南臨桃浦路,西側(cè)為規(guī)劃商辦用地,北端為在建11號(hào)線上海西站站及規(guī)劃改遷的上海西站站屋,東端是規(guī)劃15號(hào)線,服務(wù)面積約2.20hm2);萬(wàn)里社區(qū)上海鐵路西站北廣場(chǎng)部分為2a(原排水系統(tǒng)規(guī)劃P為2a),服務(wù)面積約為16.42hm2;地道排水為5a(見圖2所示)。(2)地面綜合徑流系數(shù)取0.65,地道綜合徑流系數(shù)取0.9。2.3雨水調(diào)蓄池內(nèi)排水設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高,導(dǎo)致原實(shí)施的雨水泵站及部分雨水排水管道已不能滿足提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后的排水要求。雨水泵站設(shè)計(jì)流量由原來(lái)的20.25m3/s提高到了25.59m3/s,增加了26.4%的雨水流量。雨水泵站進(jìn)水總管都需翻排,現(xiàn)規(guī)劃的雨水總管管徑比原規(guī)劃雨水總管管徑幾乎放大一檔。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高后雨水設(shè)施排水設(shè)施工程量的變化詳見表1所列。由于該系統(tǒng)屬銅川雨水排水系統(tǒng),銅川雨水泵站及總管于2008年建成,至今僅兩年有余。如為滿足新的規(guī)劃要求,將原雨水泵站擴(kuò)容、原總管挖除重排新管,這將對(duì)居民日常生活、出行等造成不便,泵站擴(kuò)容涉及土地征用及拆遷等問(wèn)題,而且這種設(shè)計(jì)方案建設(shè)投資大、建設(shè)周期長(zhǎng),對(duì)城區(qū)交通影響很大,建設(shè)期間防汛排水安全性也無(wú)法保證。設(shè)置雨水調(diào)蓄池可提高已建排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),減少已建排水設(shè)施廢棄量,為國(guó)家的節(jié)能減排設(shè)施建設(shè)提供技術(shù)支撐。因此,如何設(shè)置調(diào)蓄設(shè)施成為目前解決真如城市副中心雨水排水系統(tǒng)問(wèn)題的關(guān)鍵。3雨水調(diào)蓄池圖3調(diào)蓄池的設(shè)置原則:(1)結(jié)合地塊地下空間開發(fā)建設(shè)及規(guī)劃情況,合理布置雨水調(diào)蓄設(shè)施,以減小地下空間開發(fā)區(qū)域排水管道的管徑和埋深,從而協(xié)調(diào)好市政排水管道建設(shè)與地下空間開發(fā)間的關(guān)系;(2)充分利用現(xiàn)有設(shè)施的排水能力,充分發(fā)揮工程效益、經(jīng)濟(jì)效益;(3)盡可能布置在集中綠地、景觀水體附近,或結(jié)合地下空間布置,盡量避免占用地塊土地。遵循調(diào)蓄設(shè)施的設(shè)置原則,經(jīng)過(guò)對(duì)真如城市副中心地塊開發(fā)情況、用地性質(zhì)、現(xiàn)有排水設(shè)施等的研究,擬在真如城市副中心內(nèi)設(shè)置三處雨水調(diào)蓄設(shè)施,分別位于銅川路南側(cè)、真華路東側(cè)的1#調(diào)蓄池,固川路南側(cè)、曹楊路東側(cè)的2#調(diào)蓄池及禮泉路北側(cè)、桃浦東路南側(cè)的3#調(diào)蓄池。具體分布位置見圖3所示。1#調(diào)蓄池的作用是儲(chǔ)存調(diào)節(jié)核心區(qū)上游區(qū)域的雨水,以避免上游地區(qū)溢流雨水涌入核心區(qū),造成核心區(qū)積水。2#調(diào)蓄池及3#調(diào)蓄池的作用是儲(chǔ)存設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高后,原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(P=1a)的雨水管道暫時(shí)無(wú)法儲(chǔ)存及輸送的雨水量。由于核心區(qū)面積較大,如建設(shè)一個(gè)調(diào)蓄池,池容過(guò)大,較難找到合適的設(shè)置位置,因此以曹楊路為界,分為東西兩塊核心區(qū),各設(shè)置1個(gè)調(diào)蓄池,分別為2#調(diào)蓄池及3#調(diào)蓄池。4計(jì)算雨水調(diào)節(jié)儲(chǔ)水池體積的計(jì)算4.1不同國(guó)家調(diào)整蓄池體積計(jì)算方法的基本原則目前,雨水調(diào)蓄池容積的計(jì)算方法主要有美國(guó)、英國(guó)、日本及中國(guó)的計(jì)算方法?，F(xiàn)分別介紹如下。4.1.1過(guò)程線法cs在美國(guó),調(diào)蓄池容積的初步估計(jì),采用三角形過(guò)程線法,如圖4所示。式中:Vs———估算的調(diào)蓄池容積;Qi———入流峰值流速;Qo———出流峰值流速;Ti———入流歷時(shí)。4.1.2場(chǎng)降雨前容積s初步設(shè)計(jì)階段,估算洪峰流量調(diào)蓄池容積采用如下的方法:基本原理是:假定洪峰流量調(diào)蓄池在每場(chǎng)降雨前排空,那么蓄水容積S=總的入流量Vi-總的出流量Vo。如圖5所示,給定某一重現(xiàn)期,入流量Vi隨降雨歷時(shí)D而變化,出流Vo假定為常量。那么任意降雨歷時(shí)的蓄水容積S為入流曲線和出流曲線垂直方向的距離(差值)。設(shè)計(jì)容積(Smax)為兩曲線的最大差值。4.1.3雨水調(diào)節(jié)池容積計(jì)算日本主要依靠模擬試驗(yàn),確定合理的調(diào)蓄池容量。初步估算容積時(shí),采用簡(jiǎn)便法,其計(jì)算公式如下:式中:V———必要調(diào)節(jié)容量,m3;ri———降雨強(qiáng)度曲線上任意降雨歷時(shí)ti對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度,mm/h;rc———調(diào)節(jié)池出流過(guò)流能力值對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度,mm/h;ti———任意的降雨歷時(shí),s;更準(zhǔn)確的雨水調(diào)節(jié)池的容積計(jì)算采用嚴(yán)密法,即蓄積指示法,如圖6所示。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一般采用30a一遇或50a一遇,降雨歷時(shí)24h,雨型采用中央集中型或后方集中型。4.1.4雨水調(diào)蓄池容積根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)第5冊(cè)“1.6雨水調(diào)蓄”章節(jié)中給出了調(diào)蓄容積計(jì)算方法。式中:V———調(diào)蓄池容積,m3;α———脫過(guò)系數(shù),α=Q’/Q;Q’———脫過(guò)流量;Q———池前管道設(shè)計(jì)流量;W———池前管渠的設(shè)計(jì)流量Q與相應(yīng)集流時(shí)間τ的乘積,W=Qτ,m3;b,n———暴雨公式參數(shù);τ———管渠在進(jìn)入調(diào)蓄池前的斷面匯流歷時(shí),不計(jì)延緩系數(shù),min。通過(guò)對(duì)美國(guó)、英國(guó)、日本及中國(guó)的調(diào)蓄池計(jì)算方法的原理介紹,雨水調(diào)蓄池容積的計(jì)算方法可歸納為3種:(1)調(diào)蓄世間法;(2)面積負(fù)荷法;(3)脫過(guò)系數(shù)法。調(diào)蓄時(shí)間法是實(shí)測(cè)水質(zhì)水量過(guò)程線,確定調(diào)蓄時(shí)間,根據(jù)入流量和調(diào)蓄時(shí)間計(jì)算有效調(diào)蓄容積。面積負(fù)荷法是通過(guò)確定調(diào)蓄當(dāng)量降雨強(qiáng)度(mm/h)或單位面積調(diào)蓄負(fù)荷(m3/km2·s)(m3/hm2)計(jì)算有效調(diào)蓄容量。脫過(guò)系數(shù)法是確定脫過(guò)系數(shù),計(jì)算有效調(diào)蓄容積。美國(guó)及英國(guó)的調(diào)蓄池容積計(jì)算方法,屬調(diào)蓄時(shí)間法。該方法調(diào)蓄池容積的確定隨著時(shí)間的變化而變化,降雨時(shí)間越久,調(diào)蓄池所需容積越大。因美國(guó)及英國(guó)對(duì)降雨資料的收集工作極其重視,可利用已有降雨資料分析降雨歷時(shí),確定該地區(qū)的調(diào)蓄池容積。日本調(diào)蓄池容積的計(jì)算方法,屬面積負(fù)荷法。該方法調(diào)蓄池容積的確定不僅取決于降雨歷時(shí),而且取決于流域面積,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)流域面積的增大,將直接導(dǎo)致調(diào)蓄池容積的增大。中國(guó)調(diào)蓄池容積的計(jì)算方法,屬脫過(guò)系數(shù)法。因國(guó)內(nèi)暴雨強(qiáng)度公式的最大降雨歷時(shí)一般不超過(guò)2h,而洪峰流量調(diào)蓄池的容積計(jì)算,其降雨歷時(shí)要比計(jì)算管道峰值的歷時(shí)長(zhǎng),因此該方法不適用于降雨歷時(shí)大于2h的調(diào)蓄池容積的確定。4.2雨水管道水力現(xiàn)利用美國(guó)、日本及中國(guó)調(diào)蓄池計(jì)算方法計(jì)算真如副中心所需調(diào)蓄池的容積,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。在計(jì)算前,需對(duì)以下幾個(gè)概念作以說(shuō)明。雨水調(diào)蓄量的確定:雨水調(diào)蓄量可認(rèn)為是雨水排水系統(tǒng)順利排出不發(fā)生積水的雨水量與現(xiàn)有排水管網(wǎng)能排出的雨水量的差值,即暴雨重現(xiàn)期P=3a時(shí)產(chǎn)生的雨水量與P=1a時(shí)產(chǎn)生的雨水量的差值。考慮到雨水除部分被地區(qū)內(nèi)的綠化所吸收,其余均被市政雨水管網(wǎng)所收集,調(diào)蓄池的入流歷時(shí)可考慮為進(jìn)調(diào)蓄池前管網(wǎng)末端的雨水管內(nèi)流行時(shí)間。假設(shè)條件:假設(shè)排水管道管徑、坡度均不變,在P=1a及P=3a的情況下分別確定管內(nèi)流量QP=1及QP=3,同時(shí)QP=1時(shí)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生管內(nèi)流行時(shí)間tP=1,QP=3時(shí)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生管內(nèi)流行時(shí)間tP=3。文中雨水管道水力計(jì)算參照《排水工程第四版(上冊(cè))》,雨水管道水力計(jì)算按均勻滿管流考慮,并進(jìn)行水力計(jì)算。由于真如城市副中心僅核心區(qū)(芝川路以南、銅川路以北、桃浦東路以東、真華路以西圍合部分,服務(wù)面積約為75.94hm2)暴雨重現(xiàn)期由1a調(diào)整為3a,其余地區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不變,因此該地區(qū)的雨水需調(diào)蓄。為避免上游地區(qū)超出的雨水量涌入核心區(qū),造成該地區(qū)積水,因此上游區(qū)域(銅川雨水排水系統(tǒng)大場(chǎng)浦以東區(qū)域,服務(wù)面積約為101.6hm2)的雨水量需調(diào)蓄。經(jīng)水力計(jì)算得出如下結(jié)果:(1)上游區(qū)域(101.6hm2):(2)核心區(qū)(75.94hm2):曹楊路以西區(qū)域(38.9hm2):QP=1=9610.4L/s,tP=1=87.02min;QP=3=13686.3L/s,tP=3=63.94min。4.2.1調(diào)蓄池入流時(shí)間式中Ti為入流時(shí)間,因QP=3顯著大于QP=1,真如城市副中心現(xiàn)有雨水管道是按P=1a的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),無(wú)法滿足QP=3時(shí)的雨水流量,雨水須及時(shí)進(jìn)入調(diào)蓄池以緩解雨水管道超負(fù)荷流量,因此調(diào)蓄池的入流時(shí)間應(yīng)采用tP=3。Qin為調(diào)蓄池入流流量,由于地區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)暴雨重現(xiàn)期調(diào)整為3a,即此處流量為P=3a時(shí)設(shè)計(jì)流量;Qout為出流流量,因地區(qū)雨水管道按P=1a設(shè)計(jì),能滿足P=1a時(shí)設(shè)計(jì)流量通過(guò),Qout為P=1a時(shí)設(shè)計(jì)流量。上游區(qū)域面積為101.6hm2,上游區(qū)域管網(wǎng)末端P=1a時(shí)的設(shè)計(jì)流量為QP=1=6441.5L/s,P=3a時(shí)的設(shè)計(jì)流量為QP=3=9845.1L/s。4.2.2u3000雨水在調(diào)蓄池內(nèi)的路徑生長(zhǎng)式中:ri為降雨強(qiáng)度曲線上任意降雨歷時(shí)ti對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度,由于真如城市副中心核心區(qū)域設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為3a,因此ri為暴雨重現(xiàn)期3a的小時(shí)降雨強(qiáng)度,即50mm/h;rc為調(diào)節(jié)池出流過(guò)流能力值對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度,因此rc為暴雨重現(xiàn)期1a的小時(shí)降雨強(qiáng)度,即36mm/h;ti為從降雨至雨水從調(diào)蓄池中開始流出所經(jīng)歷的時(shí)間,因每場(chǎng)雨持續(xù)的時(shí)間不等,導(dǎo)致雨水在調(diào)蓄池內(nèi)時(shí)間也有所區(qū)別。ti按2h計(jì);f為地區(qū)綜合徑流系數(shù)。4.2.3設(shè)計(jì)流量計(jì)算根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)第5冊(cè)“1.6雨水調(diào)蓄”章節(jié)中給出了調(diào)蓄容積計(jì)算方法。式中各參數(shù)意義詳見4.1節(jié)。上游區(qū)域面積為101.6hm2,上游區(qū)域管網(wǎng)末端P=1a時(shí)的設(shè)計(jì)流量為QP=1=7000.3L/s,tP=1=54.18min;P=3a時(shí)的設(shè)計(jì)流量為QP=3=11724.7L/s,tP=3=41.12min。b,n為暴雨公式參數(shù),該工程暴雨公式采用式3.6,式中b=7.941,n=0.677。核心區(qū)面積為75.94hm2,曹楊路以東區(qū)域面積為37.04hm2,管網(wǎng)末端P=1a時(shí)的設(shè)計(jì)流量為QP=1=8260.2L/s,tP=1=80.96min;P=3a時(shí)的設(shè)計(jì)流量為QP=3=11871.0L/s,tP=3=77.88min。b,n為暴雨公式參數(shù),該工程暴雨公式采用式3.6,式中b=7.941,n=0.677。核心區(qū)面積為75.94hm2,曹楊路以西區(qū)域面積為38.9hm2,管網(wǎng)末端P=1a時(shí)的設(shè)計(jì)流量為QP=1=9610.4L/s,tP=1=87.02min;P=3a時(shí)的設(shè)計(jì)流量為b,n為暴雨公式參數(shù),該工程暴雨公式采用式3.6,式中b=7.941,n=0.677。4.2.4調(diào)蓄池容積計(jì)算美國(guó)調(diào)蓄池容積的計(jì)算方法屬調(diào)蓄時(shí)間法,調(diào)蓄池的入流時(shí)間對(duì)調(diào)蓄池的容積起關(guān)鍵作用,因1#調(diào)蓄池的入流時(shí)間較短,因此1#調(diào)蓄池的容積是三座調(diào)蓄池中最大的。日本調(diào)蓄池容積的計(jì)算方法屬面積負(fù)荷法,調(diào)蓄池所需調(diào)蓄的地域面積對(duì)調(diào)蓄池容積起關(guān)鍵作用,因1#調(diào)蓄池的調(diào)蓄面積是三座調(diào)蓄池中面積最大的,因此1#調(diào)蓄池的容積是三座調(diào)蓄池中最大的。中國(guó)調(diào)蓄池容積