基于城市综合流域排水模型的杨浦滨江区排水系统评价分析

基于城市综合流域排水模型的杨浦滨江区排水系统评价分析

上海杨浦江地区已经建成多个排水系统，并多次进行调整。然而，在控制污染物、城市防洪和排水、排水系统建设方面，与上海杨浦江地区的功能定位、开发和建设需求仍有很大差距。通过建立降雨径流模型来模拟城市排水系统运行状况,在充分利用原有排水系统容量的基础上,可以更好地指导该地区排水管网设施建设,提高管理工作的有效性和科学性。以InfoworksICM模型为平台,构建X与Y排水系统水力模型,通过典型降雨情景的模拟计算,分析排水系统的运行状态,在此基础上对瓶颈的管网进行优化,探讨如何更好地提高排水系统的防洪排涝能力。1高功能模拟城市排水管网系统的建设及其仿真InfoworksICM(IntegratedCatchmentManagement)模型,即城市综合流域排水模型,是由Wallingford软件公司开发的,世界上第一款城市排水管网及河道的一维水力模型,与城市/流域二维洪涝淹没模型相结合在一起的独立模拟引擎的软件。InfoworksICM可以完整地模拟城市雨水循环过程,雨污水收集系统的工作状态,排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用。通过对排水系统中检查井、管道、泵站以及其他排水构筑物的流量、水位、流速、充满度以及泵的启闭等时间序列的仿真模拟,排水模型提供的结果可为用户分析现状排水管网系统的工作状态。借助这些分析,可了解排水管网是否出现超负荷运行或冒溢;当降雨量达到多大时,系统无法正常排涝;为了让系统达到规定设计暴雨重现期的雨水,排水系统进行改扩建的规模是多少。2系统模型的构建2.1u3000x、y泵站X排水系统与Y排水系统相邻,位于上海市杨浦区内,建成于20世纪50年代至60年代,排水体制为雨、污合流制,排水系统设计标准均为1年一遇。X系统服务范围为:东起杨浦港,西至大连路、秦皇岛路,南到惠民路、平凉路、杨树浦路,北至长阳路,服务面积为97hm2,一座X泵站,设计规模为6.84m3/s,截流泵站设计规模为0.4m3/s,排入杨树浦港。Y系统服务范围:北起惠民路,南至杨树浦路,西沿怀德路、扬州路、通北路至杨树浦路,东至杨树浦港,服务面积为91hm2,一座Y泵站,设计规模为8.68m3/s,截流泵站设计规模为0.55m3/s,污水进入合流三期,雨水排入杨浦港。虽然排水系统设施已基本建成,X、Y泵站排水能力较强,但由于城市发展和地面硬化率的提高,导致城市暴雨径流量增大,超过了原有排水系统管道建设标准,以及黄浦江沿岸新开发地块,致使排水管网不健全,这些情况加重了流域面源污染的严重性以及洪灾的风险性。因此有必要借助水力模型了解现状排水系统的布局以及暴雨期间的运行状况,从规划层面结合排水系统改造,对系统进行优化、调整,完善排水系统布局。2.2研究区域排水系统利用ICM模型构建X与Y排水系统水力模型,检查井的坐标、井面高程、井底高程,管道的管径、上下游底高程,泵站高程等数据通过实测GIS格式数据导入,然后鉴于研究区域的实际管材选择曼宁公式,确定管渠的粗糙度系数n,再在网络内划分汇水区,不同的汇水区根据不同的土地用途配置参数,并选择合适的产汇流模型,最后进行管网的拓扑结构检查,通过反复修改、检验,完善模型。在翔实的管道数据基础上,适当的简化管网,道路两边的检查井不参与建模,模拟干管与主要支管。研究区域总面积为188hm2,基于检查井收集范围划分子集水区1073个,设置人口密度为217.5人/hm2(参照上海市2012年统计年鉴杨浦区人口密度),人均综合生活用水量为221L/(人·d)(参照上海市供水处2012年上海市主要用水指标),日均旱流污水量按日均用水量的90%折算,污水定额为198.9L/(人·d),设置路面、屋面和透水表面(草地)三种产流表面类型。共有检查井1079个(其中出水口3个),排水管道1126根(其中平行管道2根)。管道总长度约31316.6m,管径为300~2000mm,泵站2座。研究区域排水系统模型构建如图1所示。本研究选用2013年6月7日—8日(历时19h,总雨量为53.4mm)、2013年10月7日—8日(历时47h,总雨量为261.4mm)2场降雨的流量监测数据与Y泵站水位监测数据进行模型参数的率定,参数率定采用蒙特卡罗(MonteCarlo)方法,用Nash—Sutcliffe效率系数评价模拟结果曲线与监测时间序列的吻合程度。Nash—Sutcliffe效率系数值越接近于1,说明模拟值与真实值越接近。计算结果表明,上述两场降雨率定事件的Nash—Sutcliffe效率系数分别为0.92、0.89,验证事件的Nash—Sutcliffe效率系数为0.82,说明本研究构建的模型具有准确性和可靠性。3暴雨强度公式及模式雨型设计随着城市化进展,不透水面积比例增大,地表径流增大,现状排水管道的承载力已经满足不了城市排水设计的要求,需对存在瓶颈的管道进行改造或对某些地区进行雨水调蓄,暴雨公式和设计雨型便是排水系统水文、水质分析和工程改造的基础。目前,国内外研究者普遍采用的设计降雨方法有模式雨型、Keifer&Chu雨型亦称芝加哥雨型、Huff法、PilgrimandCordery法、Yen和Chow法、Chukwuma和Schwab法等。其中,2006年宁静和李田做过上海暴雨强度公式与设计雨型的研究,根据历年降雨资料推导了上海设计雨型,提出PilgrimandCordery法和模式雨型更能够精确地用于上海市的暴雨设计。因此,本研究选用对降雨资料要求稍低的模式雨型来设计暴雨。大量暴雨实测资料统计表明,暴雨强度过程的雨峰位置大多在降雨总历时的前1/3左右(r=0.25~0.4),很少到达降雨过程的中点,强度始终均匀或雨始或雨终强度最大的降雨极为少见,暴雨强度过程的形态是先小、继大、最后又小的过程。根据《给水排水设计手册(第五册):城镇排水》(第二版)上海市暴雨强度公式及模式雨型降雨量累计量计算公式,分别设计上海市降雨重现期为1、3、5和10年,降雨历时为2h的降雨过程线,结果如图2所示。不同重现期设计降雨过程线变化基本一致,最大降雨强度、总降雨量等均随重现期的增加而增大(见表1)。本研究将通过InfoworksICM模型的计算结果分析不同重现期的降雨情景下研究区域内排水系统的运行状况。4x和y系统模型的研究4.1全厂大流量、形态流量与规格段规格的关系排水系统的污水进入合流三期,雨水通过泵站排入杨浦港,出水口离泵站较近,因此泵站的运行及出水口的畅排对区域防洪排涝具有重要意义。以Y泵站及其出水口为例,降雨重现期为1年和3年,降雨历时2h,模拟9h的运行过程中,泵站流量和出水管水深的曲线变化一致。随着泵站前池水位的升高,泵站开泵一段时间,当水位下降后泵站停运,但是随着降雨的不断持续进行水位又再次升高,泵站又开泵,直到2h的降雨结束,水位下降后泵站停开。P=1年时,出水口处管道内最高水深为1.526m;P=3年时,管道内最高水深为1.561m,均高于出水口处的管径(1.35m),不利于雨水的顺利排出,因此可以考虑将出水口处的管径增大到1600mm。本研究发现,随着重现期增大,泵站流量和出水管水深的曲线变化一致,变化程度会增大,与降雨强度呈正相关。P=1年,两次开泵总共56min,最高水深为1.526m;P=3年,两次开泵总共82min,最高水深为1.561m;P=5年,两次开泵总共93min,最高水深为1.575m;P=10年,两次开泵总共108min,最高水深为1.59m。重现期排水管道运行状况城市排水管道负荷过大则会导致检查井积水,时间过长会形成溢流,从而造成路面积水,阻碍交通通行,严重的情况下可破坏城市正常的生活秩序。通过模拟排水系统不同降雨情况,了解管道的运行状况,及早发现长时间处于超负荷运行状态的管道,并分析原因,进行内涝风险评估,提出预防洪水的措施。重现期为1年的设计暴雨情景下研究区域内排水管道的运行情况见图3,部分溢流检查井状况见表2。通过以上发现,重现期为1年的设计降雨情景下区域内很多排水管道出现超负荷运行,其上、下游检查井容易积水并产生溢流,溢流时间很多在20min以上,容易发生洪涝灾害。另外,通过模拟发现,随着重现期增大,研究区域内出现超负荷的管道增多,这些管道发生满流的时间会变长,严重影响管道的损失。检查井积水深度会随着重现期增大而变高,溢流量增多,所以区域内的管道要达到理想设置的排水标准,有必要提出修改方案。4.2透水路面的改善和改进本研究修改方案,将X与Y排水系统设计标准提高到3年一遇为目标,对区域内管网进行如下改造:①增大管径。模拟得出的结果需要改造的管道比较多,根据道路实际情况适时对管道进行改建。②增加绿地、减小径流系数。通过模拟分析得知,增加绿地、减小径流系数,能够减小排水系统的总溢流量,有效地减少超负荷管道数目和检查井的溢流量,缩短积水时间。研究区域内不透水路面所占比例较高,达到85%以上,径流系数较大,通过改变路面不透水表面特性来减小径流系数,如铺设路面透水砖、草坪砖,增加雨水截留设施,建造屋顶花园等。上海是用地比较紧张的城市,在一些无法扩大绿地面积的地区,如一些停车场、娱乐广场等路面铺设透水砖。在公园栽种渗水性较好的草坪,通过这些措施,达到增大透水性的目的,从而减少雨天雨洪流量。5排水系统模型的建立①针对上海市杨浦区管道实际情况,构建了基于InfoworksICM的排水系统模型,利用实测流量数据进行模型参数率定和验证,保证该模型能够准确、可靠地模拟排水系统运行状况。模拟分析结果可反映整个研究区域排水管网系统的服务性能,为排水管理者找到管网的问题所在,为规划设计者提供排水管网改造与维护的决策依据。②所构建的排水系统模型,结合模式雨型