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海綿設施提高排澇標準的量化分析

時間:2016年07月22日信息來源:給水排水 點擊:

    1 背景與目標
    • 上海一般區域已建成排水系統的排澇標準只有1年一遇(達標率約80%);
    • 新的排水防澇規劃已明確中心城區排水標準都要提高到5年一遇;
    • 已建成排水系統改造不僅社會成本很高,還存在管位不足等可實施性問題;
    • 在建成區通過源頭削減措施,降低暴雨徑流的水量與峰值,是提高現有系統排澇能力的一種可能的選擇;
    • 相關措施的可行性與費用效益需要研究探討。
    2 研究內容與方法
    • 根據上海的地域條件選擇適用的LID 技術、確定設施的參數,以代表性建成區為例進行相關技術措施的方案布置;  
    • 應用SWMM模型,評價海綿措施提高建成區排澇標準的效果;并計算通過翻排管道提高排澇標準的工程量;  
    • 比較采用海綿措施與翻排管道進行提標改造的費用效益。
    • 鞍山排水區域(A區域):服務面積約1.3 km2, 區域內主要為上世紀80~90年代建造的多層住宅及少量商業建筑;
    • 合流制排水模式土地利用狀況、建筑情況與排水設施在建成區中具有代表性。
海綿設施提高排澇標準的量化分析
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    3 適用海綿設施的選擇及設施布置方案
    3.1 設施選擇的依據
    • 少占用土地
    • 就近匯流,適應平坦地形
    • 底部設置防滲膜,通過排水管排水,適應高地下水位
    3.2 適用的LID技術主要有生物滯留、綠色屋頂和滲透鋪裝
海綿設施提高排澇標準的量化分析
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    3.3 生物滯留設施含水率變化過程
    • 基質組成(w/w)——分級砂:表層土:木屑 = 75:20:5,厚度80 cm;
    • 進水結束后很短時間,重力水即疏干,基質含水率接近田間持水度;
    • 基質中間部分可長期維持在田間持水度,表層與底層含水率低于田間持水度;參照實測結果與降雨特性,確定模型中設施初始含水率的設置。
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    通過應用規模的實驗,掌握上海應用條件下(排水管道出水)設施構造與設計參數與相應的水文控制效果。
    上海應用規模的滲透鋪裝現場實驗,出水需要排放到雨水管道。
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底部防滲膜
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透水混凝土
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流量監測井
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縫隙透水磚
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    3.4 不同介質組成與厚度綠色屋頂模型試驗
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    • 使用翻斗雨量計連續檢測降雨以及設施出流的流量過程
    • 評價不同組成基質的綠色屋頂的水文、水質控制效果及基質含水率變化過程
    3.5 綠色屋頂的水文控制效果
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    • 介質厚度10~15 cm條件下,不同降雨間隔下的控制降雨量在15-20 mm  
    • 介質厚度10~15 mm的粗放型綠色屋頂的年水量控制率在50%~60%  
    • 不額外占用土地
    3.6 綠色屋頂模型裝置的含水率實測結果
    • 持水性好、植物可利用水量(available water) 高的基質是C1,B2; 
    • 發生超過設施控制能力的大雨50 h后,設施的含水率可降低到凋萎點以上約5%;  
    • 根據實驗結果與上海市降雨分布的統計,確定適合的綠色屋頂的基質及其初始含水率設置。
      生物滯留池 —— 綠地
      綠色屋頂 ——舊多層寓
      滲透鋪裝 ——小區道路、停車場與市政人行道
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    規模按照接近最大設置可能性考慮,在設施容積利用不充分的子區域適當調減。
    4 水力模型的構建與改造效果評價
    4.1 A區域現狀排水能力的評估
    • 在1年一遇1h降雨 (36.5 mm/h,芝加哥雨型)條件下,A區域地面積水量約為1380m³,現狀排水系統未能達到1年一遇的標準。
    • 根據水力坡降線法,識別瓶頸管段并擬定改造方案。改造后系統基本達到1年一遇排水標準。  
    • 按照改造后的管網數據,進行海綿設施提高已建成系統排澇能力的評估。
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    依據SWMM模型應用要求,按照地表徑流排入市政管網的路徑,共劃分了110個子集水區。
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三種海綿設施的設計值與相應的SWMM模型參數
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    4.2 模型分析方法
    • 以經過率定的管網模型為框架,結合海綿設施布置方案,完成模型中設施的布置;  
    • 以子匯水區域為單位,考慮地表匯流條件,設置海綿設施的收集與排放途徑;  
    • 設施排水管道出水接入排水管網;  
    • 通過設計暴雨下地面積水情況評價改造工程的效果。
    4.3 短歷時設計暴雨下海綿設施改造后系統排水能力
    • 以5年一遇1h設計降雨(58 mm/h)作為模型輸入降雨,根據積水量評估系統的排水能力,模擬時長取24 h。  
    • 生物滯留池的初始含水率取凋萎點以上10%,綠色屋頂初始含水率取凋萎點以上5%。  
    • 通過孔口系數控制滲透鋪裝排空時間為24 h。  
    • 在上述設計條件下,地面無明顯積水,基本達到5年一遇標準。
    直接從5年一遇1h降雨開始進行海綿設施效果的評估,特別是在不能下滲的地區,是效果評價有利。在設施含水率較高時發生暴雨,設施的水量滯留、峰值削減作用都會下降。
    4.4 長歷時暴雨下系統排水能力的評估
    • 海綿設施在上海主要是存儲設施  
    • 歷時24h,累積雨量143mm,按照SCSⅠ雨型分配雨量,最大1h降雨強度37.5mm;  
    • 模擬結果,地面積水量約為43m³,在模擬誤差范圍內,系統基本達到5年一遇排水標準。  
    • 因為輸入降雨的峰值雨強只有1年一遇  結果僅說明增設海綿設施有可能使已建老系統達到接近于5年一遇標準
    4.5 達到5年一遇標準傳統改造方法的工程量
    根據水力坡降法,通過模型計算識別瓶頸管段,結合管道超載程度、水流方向與服務面積調整的需要,確定翻排管道的范圍。
    管道:需改造管段總長度為1812 m,占鞍山系統管道長度的28.7%
    泵站:排水能力由10.22 m³/s提高至16 m³/s
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    4.6 傳統改造方法的成本
TC=CDI+CSO+CEN+COT
    TC:總成本
    CDI:直接成本
    CSO:社會成本
    CEN:環境成本
    COT:其它成本
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    直接成本來上海市積水點改造工程單位成本統計,因為不包括難以實施的改造項目,相關統計值偏低;已實施的泵站翻建費用不包括臨時排水費用。
    4.7 海綿設施改造成本
    本課題提出的海綿設施改造方案,基本不改變土地用途,不包括征地費用。
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    A區域改造方案的總造價在1.40~1.60億元。
    4.8 海綿設施改造的效益
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    因多數效益難以量化,本課題只討論削減合流制溢流的直接效益。
    4.9 削減溢流污染效益
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    通過平水年降雨過程的連續模擬,計算海綿設施的年溢流水量削減率,在平水年(1996年)降雨條件下,A區域實施海綿設施建設方案可削減年溢流量54.0%,年溢流次數從13次減少到6次。  
    經模型試算,達到相同效果需建造容積7000 m³(5.4 mm徑流深度)的調蓄池。不考慮征用土地的費用,調蓄池建造成本約為4550萬元;  
    全生命周期調蓄池排空水的處理費用約1025萬元,其他運行維護費用不考慮。
    4.10 兩種提標改造方式的成本-效益
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    因地下水位高,不能下滲削減水量,對峰值流量的控制同樣受到影響,海綿設施的建造成本可能略大于傳統翻排管道的成本;  
    同時考慮削減溢流污染的效果,海綿設施建造成本低于傳統改造成本。
    5 結語
    • 對土地緊缺、地下水位很高的上海,按照老城區的最大應用可能性布置海綿設施,在集中短歷時暴雨條件下,有可能將1年一遇標準的建成系統的排澇能力提高到接近5年一遇。  
    • 考慮海綿設施同時具有的控制溢流污染等效益,海綿設施提高建成區排澇標準的費用效益優于翻排管道,重建泵站。  
    • 考慮到傳統提標改造方法的可實施性受到的限制(缺少管位、影響交通、征用土地困難等)可能更大,通過海綿設施實施提標改造,是一種值得關注的選擇。
 
    注:本文根據同濟大學李田教授在“第五屆城市排水防澇暨雨水控制利用技術論壇”上的發言整理而成,原標題《海綿設施提高上海建成區排澇標準的可行性與費用效益探討》。
(作者:李田 編輯:admin)
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