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排水系统模型在城市雨水水量管理中的应用研究

谭琼  
【摘要】: 计算机技术的发展推动了排水系统模型软件的开发和应用。在城市雨水管理中,排水系统模型正成为不可或缺的手段。推动相关模型在国内雨水管理中的应用是缩小国内排水行业建设管理与发达国家差距的必要途径。为此,本文对常用排水系统模型的构成和原理进行了归纳总结,并利用InfoWorks CS软件建立上海市雨水排水系统水力模型,从理论和方法层面为上海及国内其他城市的雨水水量管理提供支持。 降雨—径流模型是排水管网模型的基础,其模拟结果的准确性直接影响整个雨水排水模型的性能。本文通过上海市某居民小区的实测流量数据,进行了降雨—径流模拟的实例分析,在此基础上对国内排水系统降雨—径流模型及其参数的确定提出建议。研究结果表明:国外常用的模型组合在合理确定参数时都得到较好的模拟结果,模型应用中应当根据可获得数据和研究需要选择恰当的降雨—径流模型组合作为分析的手段;对产汇流模型的主要参数进行的灵敏性分析结果表明,对径流体积与洪峰流量,最主要的影响因素是不透水表面径流系数/有效不透水面积因子和不透水表面比例,影响较小的参数是透水表面的渗透性能、管壁粗糙系数和地面坡度;经恰当储量补偿的整体集水区简化模型同样获得较好的模拟结果。这为后续降雨—径流模型的选用及其参数的选择和率定提供了依据。 建设标准偏低的已建排水系统通常遭遇暴雨积水问题,采用雨水调蓄池能高效经济地提高排水系统的除涝能力,更好地解决城市化带来的洪峰水量问题。本文对调蓄池在上海市雨水水量管理中的应用进行了案例分析,确定采用排水系统模型在规划雨水调蓄池体积上的作用。通过模型计算,为已建真如系统提高排水标准所需调蓄池规模提出了建议。研究结果表明,调蓄6mm水量能将真如高标区排水标准从1年一遇提高到3年一遇。采用可调节堰等工程性措施调控上游干管和系统问连通管道,控制流入高标区的径流,可以减小改造规模和成本。从造价来看,建造调蓄池较翻排管道节省投资50%以上。这为上海市及国内其他城市排水系统采用雨水调蓄池进行达标改造提供了借鉴。 给定池容的初期雨水调蓄池在长期运行中所能发挥的调蓄效率和污染物去除效果是雨水管理中广受关注的问题。采用排水系统模型进行长期模拟,可对初期雨水调蓄池的运行效率进行预测,评价初期雨水调蓄池方案的环境效益。本文根据代表性年份1991年的实际降雨纪录,对上海世博园浦东片区半分流制雨水系统进行了水力模拟,以考察初期雨水调蓄池的长期运行效果,结果表明:按照调蓄容量30m~3/hm~2的设计标准,在上海市平水年降雨条件下,调蓄池每年能够拦蓄约50%的雨水径流。对半分流制系统,在降雨期间允许向污水总管截流初期雨水条件下,调蓄池具有更高的调蓄比例。相关成果为初期雨水调蓄池的体积规划、运行模式和效果评价提供了参照依据。 大型合流管网的水力模型分析是提高合流制系统溢流控制水平的重要技术手段。本文建立了上海合流污水治理一期工程水力模型,对合流制溢流水量问题进行了分析研究。结果表明,台风暴雨和高潮位时期苏州河水位大幅升高引起河水异常流入,使合流一期系统实际截流水量超过合理的截流水量,泵站部分丧失排涝功能,合流一期服务范围的面源污染治理以及积水点改造工作,需要考虑进一步排查苏州河沿岸未有效封堵的原重力流排放口,将合流一期的流入水量控制在合理的范围之内。多数情况下,彭越浦泵站和截流输送管道不是合流一期系统溢流水量的限制因素。通过增加泵站截流量,优化系统运行,可以将合流一期系统降雨溢流的次数控制到比现状更低的水平。上海市排水系统之间相互连通、排水管道坡度小、管网存储能力强的特性,以及大面积流域的降雨存在的时空分布差异,使得合流系统具有发挥较大的调节能力,减少溢流频率的潜力。上海市合流系统在特定的管网系统条件下,溢流造成的实际面源污染负荷并不比分流制系统高,因此有充分的理由关注合流制系统的优势。国内城市地区应当合理利用符合本地情况的排水体制,实现城市雨水管理中环境效益和经济效益的最大化。 论文所得成果不仅为上海市的雨水水量管理提供了依据与参考,也为国内其他城市利用模型进行雨水管理提供了借鉴。


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