重裝備工業區雨水系統聯合提標改造分析

羅穆喜

(上海浦東建筑設計研究院有限公司,上海 201206)

隨著城市化建設進程加快,具有調蓄空間的河浜和綠地被逐步開發硬化,徑流系數增大,調蓄空間減少,疊加極端氣候頻發,加劇了已建低標準雨水強排系統的內澇頻率和風險[1-2]。因此,為保障區域雨季排水安全,維持區域高質量穩定發展,促進地塊功能布局和企業落戶,亟需結合地塊開發建設,完善區域基礎設施,提升區域雨水系統的排水能力,降低內澇風險。

近年來,城市雨水排水系統提標得到了廣泛的關注,主要基于Infoworks和暴雨洪水管理模型(SWMM)等模型進行水力模擬[1,3],采取增加管道調蓄、泵站等相關措施對城區雨水系統進行提標改造[4-6]。然而,關于利用現狀雨水泵站原位提標潛能,對工業區大地塊多系統聯合提標及技術要點的研究較少[6]。本文基于重裝備工業區路網稀疏、硬化率高、地塊大、車輛通行要求高等特點,在現狀管網排水能力基礎上,結合Infoworks ICM模型,充分挖掘現狀雨水泵站原位提標潛能,調整匯水分區,輔以部分工程措施,解決管網瓶頸段和泵排能力缺陷等問題,可有效減少管道翻建,降低工程建設過程中對現狀雨水系統的影響[7]。通過聯合提標改造,各雨水強排系統達到5年一遇的排水能力。

1 區域概況

為推動地區穩定發展,保障區域雨季運行安全,促進地塊功能布局和企業落戶,對該區域雨水強排系統進行提標改造,將現狀地塊1年一遇排水標準整體提升至5年一遇排水能力。本次研究對象位于上海某重裝備工業區,主要為工業、倉儲、港口運輸等用地,具有路網稀疏、硬化率高、地塊大、車輛通行要求高等特點?，F狀3個雨水強排系統,總服務面積約為12.1 km2,總排水能力為80.6 m3/s,各系統雨水經泵站提升后排至杭州灣(圖1)。

圖1 現狀雨水系統分布

2 現狀評估分析及技術路線

2.1 現狀排水能力評估

區域排水系統體制為分流制,共有1#、2#和3#雨水強排系統(服務范圍及泵站規模如圖1所示),暴雨設計重現期為1年一遇,雨水經泵站提升后排入杭州灣。采用Infoworks ICM模型,對區域5年一遇設計降雨工況下進行模型分析(圖2)。

圖2 P=5 a時現狀雨水系統各路段雨水外溢情況

模擬結果表明,該重裝備工業區1#、2#、3#雨水系統均無法滿足規劃徑流系數條件下的5年一遇排水能力,積水路段約占60%,平均積水深度約為0.25 cm,平均積水時間約為60 min。但由于地塊建設處于逐步開發狀態,存在局部綠化、農田和河溝等,有效降低了區域徑流系數(現狀綜合徑流系數分別為0.55、0.60、0.53),并起到了局部調蓄空間作用,該區域近幾年暫未發生全域重大內澇事件。然而,隨著近期地塊逐步開發建設,原本具有一定調蓄空間的綠地和河浜被硬化取代,徑流系數增大(規劃綜合徑流系數分別為0.66、0.68、0.68),調蓄空間減少,導致現狀1#雨水系統西南角、現狀2#雨水系統中東北角、現狀3#雨水系統中東北角等局部區域,發生過內澇積水事件。亟需結合地塊開發建設,完善區域基礎設施,提升區域雨水強排系統的排水能力。

2.2 提標難點分析

該重裝備工業區,具有路網稀疏、硬化率高、地塊大、車輛通行要求高等特點,主要存在以下幾個問題:1)區域內存在3個雨水強排系統(1年一遇),各系統均存在明顯的排水能力不足和管網瓶頸段;2)存在匯水分區不明確、單個地塊面積大(0.7～1.2 km2)、規劃單元調整(取消了大量規劃道路及其市政管網)等問題,導致現狀雨水系統收集系統存在較大缺陷;3)受限于區域內用地條件和重大公共管線,并需盡可能地避免重點企業生命通道的管道改造,以減少對現狀企業運行的影響,難以實現單系統或雙系統提標;4)為減少對道路和現狀排水的影響,以及雨水管道的敷設和投資,在現狀排水管網能力和走向基礎上,需充分挖掘現狀雨水泵站提標潛能,減少新建雨水泵站規模和雨水管道等工程措施。

2.3 技術路線

已建雨水強排系統的聯合提標改造涉及因素較多[8],主要有現狀排水管網及泵站的建設和運行情況、各系統實際匯水范圍、地形資料、地塊開發及雨水出路、單元規劃等,以及區域內重要的燃氣、電力、管廊等邊界條件。以此為基礎,采用Infoworks ICM模型,對現狀排水系統進行評估,進而確定現狀雨水管網系統的瓶頸段、泵站排水能力的缺陷容量等。結合區域雨水系統存在問題,通過分析現狀泵站原位擴容改造的可行性,充分利用現狀排水系統,調整匯水分區,輔以部分工程措施,使得各雨水系統排水能力整體達標。具體技術路線如圖3所示。

圖3 技術路線

3 聯合提標方案

3.1 技術要點分析

(1)匯水分區,按實調整

本次研究區域各雨水強排系統運行時間已超15年,區域內地塊雨水出路與原設計存在一定出入。尤其是區域地塊單元調整后,地塊較大,取消了大量規劃道路及其市政管網(約49%),單個地塊面積多集中在0.7～1.2 km2,導致部分地塊雨水無法穿越周邊地塊分散接入四周市政雨水管道,而就近單側排放。此外,各系統邊界匯水范圍因地塊開發建設時序和邊界開發需求,各地塊排水路徑復雜,也會導致與原設計市政雨水管道匯水范圍存在偏差[2]。因此,摸排和確定各系統地塊匯水分區是整體提標改造的基礎和關鍵。

(2)現狀管網,少改造多利用

因該區域單元規劃路網調整,現狀雨水管網稀疏、次干管管徑偏小、管網集水時間短、區域雨峰大,系統管網瓶頸效應明顯,系統始端內澇風險大。經模型模擬分析,調整匯水分區,校核支管壓力流排水能力,解決雨水管道瓶頸點,可有效減少管網改造。在系統劃分后部分大口徑雨水干管將作為調整后雨水系統的始端管道,可充分利用該部分現狀管道作為調蓄空間,彌補周邊偏小管徑排水能力的不足,減少改造工程量。此外,管道提標改造應盡可能保留現狀雨水管道作為道路雨水收集管,以減少新增雨水管道中設置的騎馬井或檢查井等工程[9],并對現狀管網進行檢測修復,以提高現狀雨水系統效能。

(3)現狀泵站,原位擴容

現狀雨水泵站提升泵主要分為干式抽芯混流泵和濕式軸流泵。挖掘現狀泵站原位擴容潛能,主要原則有:1)現狀進水總管是否滿足系統提標要求,或者現狀進水閘門井是否具備接入新增管道的空間;2)現狀提升泵基礎(井筒)、集水池容積、泵組間距等是否滿足泵組更換擴容要求;3)提標擴容后的雨水排放口流速是否滿足排放水體的相關要求,或者是否具備新增排放口的條件;4)相關電氣設備改造擴容是否具備建筑空間,且原則上不改變供電方式。以此盡可能地減少大規模土建改造,縮短施工周期,保障雨季排水安全,充分利用現狀雨水泵站擴容潛能提升系統排水能力[3]。

(4)企業通道,低影響

本次研究對象位于重裝備工業區,重型卡車較多,需在少改造多利用原則基礎上,充分利用現狀管道排水能力,采用局部增排、連通、系統平衡等多模式結合的方式提標改造。此外,根據現狀道路和企業建設情況,結合道路紅線寬度和管位資源,盡可能地避免企業生命通道的管道改造,以減少對現狀企業運行的影響。

(5)雨水系統,聯合提標

廣西貴港新村金礦位于南華準地臺桂中—桂東臺陷的大瑤山凸起，龍山鼻狀復背斜西南傾伏端的軸部，屬于龍山礦田的一部分。區域內主要出露地層為寒武系黃洞口組、下泥盆統蓮花山組和那高嶺組。

各雨水強排系統處于同一區域,可優先考慮聯合提標改造[6-7]?，F狀雨水系統設計標準較低,無法滿足區域排水能力要求。各系統單獨提標會涉及大量管網翻排,并面臨泵站擴容潛能不足而新建雨水泵站或調蓄池等問題,工程量大、周期長,難以保障施工期間雨水系統的運行安全。聯合提標改造,可根據各系統中管網瓶頸段和泵站排水能力,采取部分工程建設,調整匯水分區,將各雨水系統的始端接入臨近現狀或新增雨水系統[6],可有效降低工程投資和施工周期,并具備分批改造、逐步達標的條件。

3.2 聯合提標總體方案

根據模型分析,結合各系統服務范圍劃分,1#、2#和3#現狀雨水泵站總排水規模為80.6 m3/s,泵排規模無法滿足區域5年一遇排水能力要求。此外,根據該重裝備工業區單元規劃,結合地塊開發/出讓,以及現狀道路和管網建設情況,因受限于地塊開發、服務范圍邊界條件(東側和南側為海防大堤,西側為特高壓電力走廊,北側為特高壓液態燃氣管和污水總管)等限制,區域內較難實施大規模的綠色調蓄設施和自排入河。此外,該區域位于重裝備工業區,硬化率高、綠化面積小,大多屬于已建區域,難以通過地塊改造增加綠化或海綿來減小徑流系數,降低徑流總量[6]。

因此,基于技術路線和要點分析,充分論證現狀1#、2#、3#雨水泵站建設條件和改造可行性,以及現狀管網排水能力,結合匯水分區的調整,總體考慮保留利用現狀1#雨水泵站,原位擴容2#、3#雨水泵站,新建4#雨水泵站增加區域排水能力,并輔以相關管道工程的建設,將區域現狀雨水系統的排水能力聯合提標至5年一遇。

3.3 聯合提標工程措施

結合各系統服務范圍劃分和總體方案,工程措施如下(圖4)。

圖4 提標改造各雨水系統規劃

(1)1#雨水系統提標工程方案

調整1#雨水系統服務面積由5.4 km2縮減至3.5 km2,現狀管網存在局部瓶頸段,泵站排水能力經服務范圍縮小后可滿足提標需求。通過增排滄海路(云水路-妙香路)雨水管道(Φ2400)可解決該區域管網瓶頸問題,提升1#系統排水能力至5年一遇。

調整2#雨水系統服務范圍面積由3.2 km2縮減至2.9 km2?，F狀管網存在局部瓶頸段、泵站排水能力不足等問題。通過增排滄海路(層林路-新元南路)雨水管道(Φ2700～Φ3000)、倚天路(萬水路-滄海路)雨水管道(Φ1350～Φ2400),可解決該區域管網瓶頸問題。綜合考慮現狀雨水泵間距、布置條件,以及排海管過流能力等,通過局部土建改造、電力擴容、更換泵組等措施,泵排規模由22 m3/s原位提標至26.2 m3/s,可解決泵站排水能力不足問題,提升2#系統排水能力至5年一遇。

(3)3#雨水系統提標工程方案

調整3#雨水系統服務范圍,面積由3.5 km2縮減至2.7 km2。經系統服務范圍調整后,現狀管網不存在瓶頸段,但需結合周邊地塊開發實施擬建南蘆公路(萬水路-滄海路)雨水管道(Φ2400～Φ2700)。綜合考慮現狀雨水泵間距、布置條件,以及排海管過流能力等,通過局部土建改造、電力擴容、更換泵組等措施,泵排規模由23.2 m3/s原位提標至28 m3/s,解決泵站排水能力不足問題,提升3#系統排水能力至5年一遇。

(4)4#雨水系統提標工程方案

新建4#雨水系統服務范圍面積為3.0 km2。充分利用現狀雨水管道,新增玉宇路(滄海路-海堤路)雨水管道(Φ4000)系統總管,以及鴻音路(萬水路-滄海路)雨水管道(Φ1800～Φ2400)、滄海路(鴻音路-玉宇路)雨水管道(Φ3000)等系統次干管。新建4#雨水泵站,規模為32 m3/s,雨水經泵站提升后排入杭州灣。通過新建4#雨水泵站和局部管道的增排建設,新建4#雨水系統形成“一站、一總、多支”的總體布局,提升該系統排水能力至5年一遇。

綜上分析,充分挖掘現狀雨水泵站提標潛能,輔以局部新建雨水泵站和雨水管道等工程措施,采用局部增排、連通、系統平衡等多模式結合的方式,可有效提升該區域各雨水系統滿足5年一遇排水能力。

此外,考慮到該重裝備工業區企業入駐率較高,具有路網稀疏、地塊大、車輛通行要求高等特點,各系統聯合提標可分為兩個階段實施。第一階段實施現狀1#雨水系統提標改造和新建4#雨水系統以提高整體區域排水能力,第二階段實施現狀2#和3#雨水系統提標改造,將該重裝備工業區各雨水系統排水能力提升至5年一遇。經模型分析(圖5),第一階段實施后,1#和4#雨水系統可滿足5年一遇排水能力要求。

圖5 P=2、3、5 a時現狀雨水系統和聯合提標雨水系統(第一階段)積水情況

現狀2#雨水系統部分服務范圍劃分至新建4#雨水系統,現狀3#雨水系統因現狀雨水系統間連通管作用部分雨水可以進入2#雨水系統。因此,2#和3#雨水系統雖無法達標,但總體高于現狀雨水系統排水能力。該區域在P=2、3、5 a情況下,檢查井溢水情況明顯減少,有效保障區域排水安全,減少對周邊企業運行的影響,可有序按需地開展第二階段雨水系統聯合提標改造。

4 結論

雨水強排系統的聯合提標改造,需結合現狀管網排水能力,充分挖掘現狀雨水泵站原位擴容潛能,按實調整匯水分區,輔以相關管道增排或新建雨水泵站等措施,提標至5年一遇排水能力。此外,各雨水系統達標后,雖可滿足相關上位規劃要求,但由于原預留街坊管管徑多為DN600～DN800,管徑大多偏小,建議結合企業地塊內部雨水提標方案和排放口位置,根據地塊提標需求,按實際情況分段實施街坊管的翻建。本文結合重裝備工業區雨水強排系統提標改造實際案例,揭示了各雨水系統聯合提標的技術路線,明確了技術方案要點,有助于為區域雨水強排系統聯合提標改造提供更多的選擇方向。