雨水调蓄池在已建排水系统中的应用

雨水调蓄池在已建排水系统中的应用

1滞留调蓄池、雨水调节池作为一种减少洪水和控制雨水污染的手段，雨水调节和储存在世界上得到了广泛的应用。调蓄池最初仅是作为暂时储存过多雨水的设施,常利用天然的池塘或洼地等进行储水。随着人们对雨水洪灾和污染的日益重视,调蓄池的功能和形式逐渐多样化[1~2]。调蓄池是滞留调蓄池与截流调蓄池的统称。滞留调蓄池暂时滞留雨水,待降雨洪峰过后,再将所滞留的雨水排掉,起调节洪峰流量的作用,因此滞留调蓄池又称为雨水调节池。截流调蓄池主要用于控制径流污染,雨水在池内的停留时间较长,常设计为永久蓄水池,又称为湿式调蓄池。滞留调蓄池在控制径流流量中发挥着滞洪作用。流量较大的雨水在经过滞留调蓄池后出流量明显减小,从而起到了防涝的作用。在排水系统中,使用滞留调蓄池可减少下游排水管道的管径及泵站设计流量。对于已建排水系统而言,通过设置滞留调蓄池,可在避免翻排下游管道和改建泵站的情况下,提高地区排水标准。截流调蓄池用于截流初期雨水,通过将初期雨水拦截后送入污水处理厂处理,起到控制初期雨水径流污染河体的作用。随着对水体环境整治要求的不断提高,排水系统雨天溢流已成为上海城区水体污染的主要原因。无论是合流制排水系统还是分流制排水系统,都存在污染状况。设置截流调蓄池,可减少溢流水量,结合沉淀、撇渣等去除污染物的功能,以降低面源污染负荷。2真正的城市副中心排水2.1排水系统的设置真如城市副中心规划范围西起桃浦河,东至真华路以东规划道路,南起武宁路,北至上海西站,总用地面积242.6hm2。真如城市副中心范围内排水设施分属铜川、交通(南块)及武宁三个排水系统。其中铜川排水系统及交通(块)排水系统为雨污分流制排水系统,武宁排水系统为合流制排水系统。其中,属铜川排水系统的服务面积为216.11hm2,属交通(南块)排水系统的服务面积为16.42hm2,属武宁排水系统的服务面积为10.07hm2。研究范围内的排水系统划分见图1所示。真如城市副中心功能的高层次定位导致部分区域的雨水排水设计标准提高。未提高设计标准前,原各雨水排水系统设计标准分别如下:铜川雨水排水系统设计标准:P=1a,综合径流系数采用0.6。交通(南块)雨水排水系统设计标准:铁路西客站发展用地P=2a,其余地方P=1a;综合径流系数采用0.6。武宁雨水排水系统设计标准:P=1a,综合径流系数采用0.6。该区域内的雨水泵站及大部分雨水排水管道已根据原规划实施,只余下部分雨水排水管道因规划道路尚未建设而无法实施。2.2雨水设计目标因对真如城市副中心作了高层次的功能定位和规划布局,在地区道路系统、轨道交通系统、地下空间开发利用等方面作了控制性的规划,在土地使用构成、人口规模、市政公用设施规划等方面与原来的地区规划有较大的不同,排水管网布置需根据地下空间开发和城市快速道路建设的需要有所提高。原设计标准已不再适用于真如城市副中心地区排水要求,现雨水设计标准具体调整为:(1)设计暴雨重现期:一般地区为1a;重点地区(芝川路南、铜川路北、桃浦东路东、真华路西围合部分,服务面积约为75.94hm2)为3a;上海铁路西站南广场部分为3a(范围:南临桃浦路,西侧为规划商办用地,北端为在建11号线上海西站站及规划改迁的上海西站站屋,东端是规划15号线,服务面积约2.20hm2);万里社区上海铁路西站北广场部分为2a(原排水系统规划P为2a),服务面积约为16.42hm2;地道排水为5a(见图2所示)。(2)地面综合径流系数取0.65,地道综合径流系数取0.9。2.3雨水调蓄池内排水设施设计标准的提高,导致原实施的雨水泵站及部分雨水排水管道已不能满足提高设计标准后的排水要求。雨水泵站设计流量由原来的20.25m3/s提高到了25.59m3/s,增加了26.4%的雨水流量。雨水泵站进水总管都需翻排,现规划的雨水总管管径比原规划雨水总管管径几乎放大一档。设计标准提高后雨水设施排水设施工程量的变化详见表1所列。由于该系统属铜川雨水排水系统,铜川雨水泵站及总管于2008年建成,至今仅两年有余。如为满足新的规划要求,将原雨水泵站扩容、原总管挖除重排新管,这将对居民日常生活、出行等造成不便,泵站扩容涉及土地征用及拆迁等问题,而且这种设计方案建设投资大、建设周期长,对城区交通影响很大,建设期间防汛排水安全性也无法保证。设置雨水调蓄池可提高已建排水系统设计标准,减少已建排水设施废弃量,为国家的节能减排设施建设提供技术支撑。因此,如何设置调蓄设施成为目前解决真如城市副中心雨水排水系统问题的关键。3雨水调蓄池图3调蓄池的设置原则:(1)结合地块地下空间开发建设及规划情况,合理布置雨水调蓄设施,以减小地下空间开发区域排水管道的管径和埋深,从而协调好市政排水管道建设与地下空间开发间的关系;(2)充分利用现有设施的排水能力,充分发挥工程效益、经济效益;(3)尽可能布置在集中绿地、景观水体附近,或结合地下空间布置,尽量避免占用地块土地。遵循调蓄设施的设置原则,经过对真如城市副中心地块开发情况、用地性质、现有排水设施等的研究,拟在真如城市副中心内设置三处雨水调蓄设施,分别位于铜川路南侧、真华路东侧的1#调蓄池,固川路南侧、曹杨路东侧的2#调蓄池及礼泉路北侧、桃浦东路南侧的3#调蓄池。具体分布位置见图3所示。1#调蓄池的作用是储存调节核心区上游区域的雨水,以避免上游地区溢流雨水涌入核心区,造成核心区积水。2#调蓄池及3#调蓄池的作用是储存设计标准提高后,原设计标准(P=1a)的雨水管道暂时无法储存及输送的雨水量。由于核心区面积较大,如建设一个调蓄池,池容过大,较难找到合适的设置位置,因此以曹杨路为界,分为东西两块核心区,各设置1个调蓄池,分别为2#调蓄池及3#调蓄池。4计算雨水调节储水池体积的计算4.1不同国家调整蓄池体积计算方法的基本原则目前,雨水调蓄池容积的计算方法主要有美国、英国、日本及中国的计算方法。现分别介绍如下。4.1.1过程线法cs在美国,调蓄池容积的初步估计,采用三角形过程线法,如图4所示。式中:Vs———估算的调蓄池容积;Qi———入流峰值流速;Qo———出流峰值流速;Ti———入流历时。4.1.2场降雨前容积s初步设计阶段,估算洪峰流量调蓄池容积采用如下的方法:基本原理是:假定洪峰流量调蓄池在每场降雨前排空,那么蓄水容积S=总的入流量Vi-总的出流量Vo。如图5所示,给定某一重现期,入流量Vi随降雨历时D而变化,出流Vo假定为常量。那么任意降雨历时的蓄水容积S为入流曲线和出流曲线垂直方向的距离(差值)。设计容积(Smax)为两曲线的最大差值。4.1.3雨水调节池容积计算日本主要依靠模拟试验,确定合理的调蓄池容量。初步估算容积时,采用简便法,其计算公式如下:式中:V———必要调节容量,m3;ri———降雨强度曲线上任意降雨历时ti对应的降雨强度,mm/h;rc———调节池出流过流能力值对应的降雨强度,mm/h;ti———任意的降雨历时,s;更准确的雨水调节池的容积计算采用严密法,即蓄积指示法,如图6所示。设计标准一般采用30a一遇或50a一遇,降雨历时24h,雨型采用中央集中型或后方集中型。4.1.4雨水调蓄池容积根据《给水排水设计手册》(第二版)第5册“1.6雨水调蓄”章节中给出了调蓄容积计算方法。式中:V———调蓄池容积,m3;α———脱过系数,α=Q’/Q;Q’———脱过流量;Q———池前管道设计流量;W———池前管渠的设计流量Q与相应集流时间τ的乘积,W=Qτ,m3;b,n———暴雨公式参数;τ———管渠在进入调蓄池前的断面汇流历时,不计延缓系数,min。通过对美国、英国、日本及中国的调蓄池计算方法的原理介绍,雨水调蓄池容积的计算方法可归纳为3种:(1)调蓄世间法;(2)面积负荷法;(3)脱过系数法。调蓄时间法是实测水质水量过程线,确定调蓄时间,根据入流量和调蓄时间计算有效调蓄容积。面积负荷法是通过确定调蓄当量降雨强度(mm/h)或单位面积调蓄负荷(m3/km2·s)(m3/hm2)计算有效调蓄容量。脱过系数法是确定脱过系数,计算有效调蓄容积。美国及英国的调蓄池容积计算方法,属调蓄时间法。该方法调蓄池容积的确定随着时间的变化而变化,降雨时间越久,调蓄池所需容积越大。因美国及英国对降雨资料的收集工作极其重视,可利用已有降雨资料分析降雨历时,确定该地区的调蓄池容积。日本调蓄池容积的计算方法,属面积负荷法。该方法调蓄池容积的确定不仅取决于降雨历时,而且取决于流域面积,当系统内流域面积的增大,将直接导致调蓄池容积的增大。中国调蓄池容积的计算方法,属脱过系数法。因国内暴雨强度公式的最大降雨历时一般不超过2h,而洪峰流量调蓄池的容积计算,其降雨历时要比计算管道峰值的历时长,因此该方法不适用于降雨历时大于2h的调蓄池容积的确定。4.2雨水管道水力现利用美国、日本及中国调蓄池计算方法计算真如副中心所需调蓄池的容积,并对结果进行分析。在计算前,需对以下几个概念作以说明。雨水调蓄量的确定:雨水调蓄量可认为是雨水排水系统顺利排出不发生积水的雨水量与现有排水管网能排出的雨水量的差值,即暴雨重现期P=3a时产生的雨水量与P=1a时产生的雨水量的差值。考虑到雨水除部分被地区内的绿化所吸收,其余均被市政雨水管网所收集,调蓄池的入流历时可考虑为进调蓄池前管网末端的雨水管内流行时间。假设条件:假设排水管道管径、坡度均不变,在P=1a及P=3a的情况下分别确定管内流量QP=1及QP=3,同时QP=1时对应产生管内流行时间tP=1,QP=3时对应产生管内流行时间tP=3。文中雨水管道水力计算参照《排水工程第四版(上册)》,雨水管道水力计算按均匀满管流考虑,并进行水力计算。由于真如城市副中心仅核心区(芝川路以南、铜川路以北、桃浦东路以东、真华路以西围合部分,服务面积约为75.94hm2)暴雨重现期由1a调整为3a,其余地区设计标准不变,因此该地区的雨水需调蓄。为避免上游地区超出的雨水量涌入核心区,造成该地区积水,因此上游区域(铜川雨水排水系统大场浦以东区域,服务面积约为101.6hm2)的雨水量需调蓄。经水力计算得出如下结果:(1)上游区域(101.6hm2):(2)核心区(75.94hm2):曹杨路以西区域(38.9hm2):QP=1=9610.4L/s,tP=1=87.02min;QP=3=13686.3L/s,tP=3=63.94min。4.2.1调蓄池入流时间式中Ti为入流时间,因QP=3显著大于QP=1,真如城市副中心现有雨水管道是按P=1a的设计标准设计,无法满足QP=3时的雨水流量,雨水须及时进入调蓄池以缓解雨水管道超负荷流量,因此调蓄池的入流时间应采用tP=3。Qin为调蓄池入流流量,由于地区设计标准暴雨重现期调整为3a,即此处流量为P=3a时设计流量;Qout为出流流量,因地区雨水管道按P=1a设计,能满足P=1a时设计流量通过,Qout为P=1a时设计流量。上游区域面积为101.6hm2,上游区域管网末端P=1a时的设计流量为QP=1=6441.5L/s,P=3a时的设计流量为QP=3=9845.1L/s。4.2.2u3000雨水在调蓄池内的路径生长式中:ri为降雨强度曲线上任意降雨历时ti对应的降雨强度,由于真如城市副中心核心区域设计暴雨重现期为3a,因此ri为暴雨重现期3a的小时降雨强度,即50mm/h;rc为调节池出流过流能力值对应的降雨强度,因此rc为暴雨重现期1a的小时降雨强度,即36mm/h;ti为从降雨至雨水从调蓄池中开始流出所经历的时间,因每场雨持续的时间不等,导致雨水在调蓄池内时间也有所区别。ti按2h计;f为地区综合径流系数。4.2.3设计流量计算根据《给水排水设计手册》(第二版)第5册“1.6雨水调蓄”章节中给出了调蓄容积计算方法。式中各参数意义详见4.1节。上游区域面积为101.6hm2,上游区域管网末端P=1a时的设计流量为QP=1=7000.3L/s,tP=1=54.18min;P=3a时的设计流量为QP=3=11724.7L/s,tP=3=41.12min。b,n为暴雨公式参数,该工程暴雨公式采用式3.6,式中b=7.941,n=0.677。核心区面积为75.94hm2,曹杨路以东区域面积为37.04hm2,管网末端P=1a时的设计流量为QP=1=8260.2L/s,tP=1=80.96min;P=3a时的设计流量为QP=3=11871.0L/s,tP=3=77.88min。b,n为暴雨公式参数,该工程暴雨公式采用式3.6,式中b=7.941,n=0.677。核心区面积为75.94hm2,曹杨路以西区域面积为38.9hm2,管网末端P=1a时的设计流量为QP=1=9610.4L/s,tP=1=87.02min;P=3a时的设计流量为b,n为暴雨公式参数,该工程暴雨公式采用式3.6,式中b=7.941,n=0.677。4.2.4调蓄池容积计算美国调蓄池容积的计算方法属调蓄时间法,调蓄池的入流时间对调蓄池的容积起关键作用,因1#调蓄池的入流时间较短,因此1#调蓄池的容积是三座调蓄池中最大的。日本调蓄池容积的计算方法属面积负荷法,调蓄池所需调蓄的地域面积对调蓄池容积起关键作用,因1#调蓄池的调蓄面积是三座调蓄池中面积最大的,因此1#调蓄池的容积是三座调蓄池中最大的。中国调蓄池容积