给水排水 |中心密集城区雨水调蓄设施集约化建设方案
导 读
Abstract
为控制城市初期雨水径流污染，以及助力排水系统提标，雨水调蓄设施的应用日益广泛。然而，在中心密集城区，调蓄设施的选址和运维逐渐成为一个难题。以上海某排水系统为例，提出了在系统末端结合雨水泵站及河底空间建设调蓄设施的技术方案。方案通过自清洗流道设计，实现少维护/免维护的目标；通过建设功能综合体，将涉及常规功能、拓展功能、恢复功能的三类设施集约化布置，并可实现“转输处理+就地处理”复合模式。研究还提出了针对河底调蓄建设方案进一步推广应用的相关建议，可为城市密集区调蓄设施的建设提供参考借鉴。
引用本文：汉京超,曹晶,周娟娟. 中心密集城区雨水调蓄设施集约化建设方案研究［J］. 给水排水，2023，49（6）：25-29.
近年来，为应对城市初期雨水径流污染控制及排水系统提标等挑战，雨水调蓄设施的应用日益普遍。上海在2010年之前即在苏州河两岸、世博会园区等地建设了10余座调蓄池；2020年，基于控污及提标等目标，又针对中心城区245个规划强排系统（约564 km²）及自排区域（约76 km²），规划新建绿色调蓄设施433 万m³和灰色调蓄设施466 万m³。昆明、天津、合肥等城市也有较多调蓄池建设和应用案例。与此同时，但由于水的不可压缩性以及工艺和功能的客观需求，调蓄池的建设通常需要占用一定的地下和地上空间。而在城市地区，尤其是中心密集城区，土地资源通常非常紧张，使得调蓄池的选址日益成为一个突出矛盾。为此，业界开始探索利用河底或湖底地下空间建设调蓄池主体工程，利用岸边地上空间建设附属设施，并采用了门式冲洗、真空冲洗的机械冲洗方式，但是调蓄池建设在河底或湖底给设备检修及运维带来了很多的不便。本文以上海中心密集城区某排水系统为例，结合泵站及河底空间建设初期雨水调蓄池，旨在探索调蓄池集约化布置方式，少维护、免维护的自冲洗形式，以及“转输处理+就地处理”复合运行模式，从而为城市密集区调蓄设施的建设提供参考。
01
排水系统概况
上海岚皋北排水系统为已建分流制系统，服务范围西接大场浦，东临沪太路和夏场浦，北到汶水路，南至大华二路，面积约1.94 km²。系统（原）规划和设计暴雨重现期P=1年，综合径流系数ψ=0.65。系统内雨水总管管径DN1 000~2 000，沿行知路-大华路-华灵路敷设，接入末端华灵东雨水泵站，经泵站提升后排入大场浦。
系统内规划雨水管道总长6.30 km，现状雨水管道总长约6.30 km，达到（原）规划要求管道6.30 km，管道普及率100%，管道达标率100%（1年一遇）。华灵东泵站是该排水系统的末端泵站，位于大场浦华灵路东北角，设计规模为10.72 m³/s，配置4台ZLB 2.8~ 6.7泵，单泵流量Q=2.68 m³/s，泵站排水能力达到原规划标准（1年一遇）。
为有效控制控制系统初期雨水污染，系统内拟规划建设1座初期雨水调蓄池。
02
工程建设规模及选址
2.1 工程规模论证
根据《城镇雨水调蓄工程技术规范（GB 51174-2017）》，当调蓄设施用于源头径流总量和污染控制以及分流制排水系统径流污染控制时，调蓄量可按式(1)计算：
式中D——单位面积调蓄深度，mm；
F——汇水面积，hm²；
ψ——径流系数；
β——安全系数，取1.1~1.5。
2.1.1 汇水面积及径流系数
调蓄池服务范围同排水系统，约1.94 hm²，综合径流系数取0.65。
2.1.2 调蓄深度
根据《上海市城镇雨水排水专业规划（2020—2035年）》（印发稿），分流制强排系统的初期雨水截流标准为≥5 mm。《城镇雨水调蓄工程技术规范》，要求单位面积调蓄深度，分流制排水系统径流污染控制的雨水调蓄工程可取4~8 mm。综合考虑，本工程初期雨水调蓄深度确定为5 mm。
2.1.3 调蓄规模
考虑安全系数取1.15，初雨调蓄池的计算调蓄容积为：V=10DFψβ=10×5×194×0.65×1.15=7250.75(m³)。则设计调蓄容积取7 300 m³。
2.2 工程建设形式及选址分析
2.2.1 建设形式
根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》，用于控制径流污染的调蓄池宜设计为地下式。同时考虑到现状泵站地处中心城区密集区，泵站内部及周边均已开发建设，可供选择的用地非常有限，因此调蓄池主体工程确定为地下式，同时根据配电、通风、除臭等需要，设置部分地上设施和管理用房。
2.2.2 调蓄池的选址
考虑到调蓄池初雨调蓄功能有效发挥、与强排泵站有机衔接、运维调度便利等因素，结合地区用地规划及现状用地情况、可实施性等方面情况，本工程拟将调蓄池设置在雨水强排区的末端，华灵东雨水泵站附近。鉴于华灵东泵站内部用地非常有限，周边也没有可供选择的公共绿地，而临近的中学操场由于学校的日常运行及安全、环境等因素不具备用地条件，综合考虑，将初雨调蓄池主体设置于大场浦河道下方，部分附属设施则考虑结合泵站用地建设。
03
设计方案介绍
3.1 总平面布置
除拟建于河底的调蓄池主体工程外，还需要配套建设的建（构）筑物主要包括4类：①进出水类，包括进水格栅间、出水泵房等；②常规功能类，包含变配电间及控制室、通风设施、除臭设施等；③拓展功能类，包含一体化初雨处理设施等；④恢复功能类，包括恢复补偿占用场地原有功能用房等。考虑到进出水类建（构）筑物均包含较深的地下水池，从水力流线及功能发挥角度，该类建构筑物单独建设；而常规功能类、拓展功能类以及恢复功能类三类建（构）筑物则从集约化布置的角度，拟合建为综合功能体。
在总平面布置时，由于泵站内部用地非常有限，周边也没有可供利用的大片公共绿地，调蓄池进出水建（构）筑物以及综合功能体主要考虑结合泵站内部现状2层管理用房，以及泵站北侧某中学的车棚建设。上述用地总面积约715 m²，其中属于泵站内部约390 m²，某中学车棚约325 m²。该用地范围内除进出水设施，拟建设4层的综合功能体，其中1层为一体化初雨处理设施，2层为变配电间、控制室及通风除臭设施，3~4层恢复补偿原管理用房。另外建成后靠近中学局部区域恢复为车棚。调蓄设施总平面布置如图1所示。
① 进水格栅间 ②河底调蓄池 ③出水泵房 ④综合功能体
图1 调蓄池总平面布置
此外，利用泵站现状环形通道满足消防及设备安装需要，该道路宽4 m，转弯半径9 m。场地给水、雨水、污水排水管道均利用泵站现状设施。
3.2 竖向及清淤设计
华灵东泵站设计地坪标高5.00 m。大场浦规划河底标高为0.0 m，为避免影响河道行洪、防止河道淤积或冲刷，调蓄池顶板距离规划河底距离按2m控制。
由于华灵东初雨调蓄池主体位于大场浦河道下方，上部如果像常规地下调蓄池一样设置设备吊装口、检修口以及清淤口，为避免河水倒灌，标高就需要高出河道水面，这将显著影响河道水流、行洪及整体景观效果。因此，本工程调蓄池考虑采用自清洗设计形式，调蓄池分格并采用跑道式，底部设置流道，流道坡度按照0.5%~1.0%控制，如图2所示。该设计形式可在水位较浅时形成自净流速，在进水和出水时形成冲刷效果，从而避免细小颗粒物沉积。同时，在调蓄池出口设置出水提升泵房，提升泵叶轮等选择耐磨损材质，确保将细小颗粒物有效提升。此外，还考虑提升泵站设置沉沙区，方便必要时人工清掏。提升泵还可以设置一路循环水管，用于调蓄池冲刷。
图2 调蓄池剖面示意
3.3 主要构（建）筑物设计
3.3.1 进水总管
为满足调蓄池进水需求，建设1段DN1 500管道，自现状华灵东雨水泵站进水井接出，采用开槽埋管施工，埋深约7.5 m。进水管经进水格栅间拦截大颗粒物后，最终接入调蓄池。
3.3.2 格栅间
调蓄池进水前需经过格栅除污机进行预处理，格栅渠道宽1 300 mm，栅条间隙20 mm，共2台。格栅间占地面积约55 m²。
3.3.3 调蓄池
调蓄池采用河底式，内净尺寸约为51.1m×19.5 m，内设5仓，单仓净宽4.5 m，采用重力式自冲洗沟槽布置。调蓄池设计有效水深为8.0 m。设计最高水位取-3.0 m，设计低水位-11.0 m，内底标高-14.0 m。
3.3.4 出水泵房
调蓄池设计放空时间为24 h，采用水泵提升放空。出水泵房建于格栅间西侧，内底标高-15.0 m。泵房集水池内共布置3台潜污泵，2用1备，单泵流量45 L/s，扬程22 m。
3.3.5 放空管道
调蓄池放空管道管径DN500，长度约70 m，埋深约3.0 m，接入华灵路DN600现状污水管，同时与一体化处理设施相连接，采用阀门调控出水去向。
3.3.6 综合功能体
建设4层的综合功能体，1层为一体化初雨处理设施，2层为变配电、控制室及通风除臭设施等，3~4层恢复补偿原使用办公等功能。综合功能体占地面积约400 m²，总建筑面积约1 600 m²。
3.4 放空出路设计
降雨结束后，调蓄的初期雨水由出水提升泵房提升后，经新建DN500放空管接入华灵路DN600现状污水管，最终接入西干线输送至污水处理厂处理。如果下游现状污水管运行水位较高，调蓄池在较长时间段内无法放空，为及时腾空，可将调蓄的初期雨水通过放空泵提升后进入一体化初雨处理设施进行处理，处理后直接排放大场浦。
3.5 抗浮防渗设计
调蓄池抗浮设计采用钻孔灌注桩，桩径拟选用Φ800，桩长按30 m。调蓄池防渗主要考虑防止调蓄的雨污水外渗，采用内涂1.2 mm水泥基渗透结晶型防水涂料的方式；外部地下水等主要依靠结构层防止内渗，同时穿墙管道均采用防水套管或附防水翼环。
04
运行模式
本调蓄工程的运行模式如图3所示。调蓄池进水自华灵东雨水泵站进水井接入调蓄池进水格栅间，经预处理后通过DN1 500管道进入调蓄池。当调蓄池达到设计最高水位时，停止进水。后续雨水不再进入调蓄池，而是直接进入华灵东雨水泵站，经雨水泵提升后排放至大场浦。降雨结束后，调蓄池可采用放空模式：调蓄的初期雨水经新建出水泵房提升后，经新建DN500放空管接入华灵路DN600现状污水管，最终接入西干线。如果在较长时间段内不具备放空条件，调蓄池选择就地处理模式，调蓄的初期雨水通过提升后进入一体化初雨设施进行处理，处理后可直接排放河道。
图3 调蓄池运行模式示意
05
投资匡算及效益分析
5.1 投资匡算
经初步匡算，本工程所需工程直接费约16 300万元，折合单位建安费为2.20万元/m³（含综合功能体费用）。
5.2 效益分析
本工程建成后，可对服务范围（约194 hm²）内5 mm的初期雨水进行截流控制，可截流约35%的年总降雨量。按照上海多年年均降雨量1 191 mm、初期雨水平均COD 150 mg/L、截流输送至污水厂处理后出水COD 50 mg/L估算，年截流调蓄初期雨水量约为52.6万m³，年削减COD入河污染约52.6 t，环境效益显著。同时，本工程的实施可以改善地区的河道水质和生态环境，对社会安定团结、经济持续发展以及土地价值提升等均有一定的促进作用。
06
思考与建议
6.1 调蓄池河底集约化布置的主要优势
6.1.1 节约用地，不影响行洪
根据平面设计方案，采用河底布置调蓄池主体，同时集约建设综合功能体，仅需要地上建设用地约715 m²，单位用地指标仅约0.098 m²/m³。且工程建成后还可以恢复补偿原使用功能，以及局部恢复某中学车棚，将对现状场地的影响降到极低。与此同时，调蓄池建设在河底，也不会对河道水流及行洪造成阻碍，优势较为明显。
6.1.2 自清洗设计，少维护/免维护
考虑到调蓄池建设在河底，本方案充分考虑运行维护的可行性与便利性，一方面在进水端设置粗格栅过滤大颗粒物，在出水端设置耐磨提升泵提升细小颗粒物；另一方面调蓄池主体采用自清洗设计形式，内部分割并在底部设置跑道式流槽，坡度按照0.5%~2.0%控制，从而在进水和出水时形成自净流速，避免细小颗粒物沉积，可有效做到少维护甚至免维护。
6.1.3 功能融合，“转输处理+就地处理”复合模式
功能融合主要体现在两个方面，一方面是设置功能综合体，将常规功能类、拓展功能类、恢复功能类三类设施集约化布置；另一方面本工程的除了初期雨水“调蓄+转输处理”的控污功能外，还通过设置一体化初雨就地处理设施，必要情况下实现初期雨水“调蓄+就地处理+排放”的运行模式。未来还可以结合运行模式的优化及客观需求，在连续降雨或极端降雨时拓展提标调蓄的可行性，探索“控污+提标”功能叠加模式。
6.2 调蓄池河底集约化布置的主要劣势
6.2.1 施工难度增大
调蓄池建设在河道底部，相比常规地下式施工难度更大，需要考虑河道正常排水及汛期行洪的需求。初步考虑可采用“调蓄池与驳岸开挖恢复”一体化施工方案，并可将河道横向分为两幅，逐幅建设。
6.2.2 建设成本略高
调蓄池建设在河底，考虑到施工围堰、河水临时导排、防汛墙恢复等一些施工措施的费用，河底调蓄池的建设成本相对会更高。
6.3 建议
根据上文分析，在中心密集城区将调蓄池建设在河底是可行的。为进一步推广应用，提出建议如下：
（1）进一步研究论证调蓄池储存的初雨进行就地处理的相关配套技术标准，尤其是排放标准，为提升调蓄设施的使用频次及进一步的推广应用奠定基础。
（2）河底调蓄池的建设可考虑结合河道/驳岸景观生态建设一起实施，这样可以有效减少多次施工对周边环境的影响，同时节省驳岸的建设/恢复费用。
（3）加强调蓄池与排水系统实时运行调度策略研究，结合大数据、人工智能等技术手段，不断优化运行模式，提升工程效益。
07
结 论
本研究以上海中心密集城区某排水系统为例，提出了在系统末端结合雨水泵站及河底空间建设调蓄设施的可行方案。方案通过自清洗流道设计，实现了少维护/免维护的目标；通过建设功能综合体，实现了将常规功能、拓展功能、恢复功能的三类设施集约化布置，并建议采用“转输处理+就地处理”复合模式，提升调蓄池的利用率及综合效益。研究还提出了针对河底调蓄建设方案进一步推广应用的相关建议。
微信对原文有修改。原文标题：中心密集城区雨水调蓄设施集约化建设方案研究；作者：汉京超、曹晶、周娟娟；作者单位：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司。刊登在《给水排水》2023年第6期。
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