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海绵设施提高排涝标准的量化分析

发布时间:2016-07-22 08:45


背景与目标
•上海一般区域已建成排水系统的排涝标准只有1年一遇(达标率约80%);
•新的排水防涝规划已明确中心城区排水标准都要提高到5年一遇;
•已建成排水系统改造不仅社会成本很高,还存在管位不足等可实施性问题;
•在建成区通过源头削减措施,降低暴雨径流的水量与峰值,是提高现有系统排涝能力的一种可能的选择;
•相关措施的可行性与费用效益需要研究探讨。

 研究内容与方法
•根据上海的地域条件选择适用的LID 技术、确定设施的参数,以代表性建成区为例进行相关技术措施的方案布置; 
•用SWMM模型,评价海绵措施提高建成区排涝标准的效果;并计算通过翻排管道提高排涝标准的工程量; 
•比较采用海绵措施与翻排管道进行提标改造的费用效益。
代表性区域概况
• 鞍山排水区域(A区域):服务面积约1.3km2, 区域内主要为上世纪80~90年代建造的多层住宅及少量商业建筑;
• 合流制排水模式
土地利用状况、建筑情况与排水设施在建成区中具有代表性。

适用海绵设施的选择及设施布置方案
设施选择的依据:
• 少占用土地
• 就近汇流,适应平坦地形
• 底部设置防渗膜,通过排水管排水,适应高地下水位
适用的LID技术主要有生物滞留、绿色屋顶和渗透铺装
生物滞留设施含水率变化过程
• 基质组成(w/w):分级砂:表层土:木屑=75:20:5,厚度80cm;
• 进水结束后很短时间,重力水即疏干,基质含水率接近田间持水度;
• 基质中间部分可长期维持在田间持水度,表层与底层含水率低于田间持水度;
参照实测结果与降雨特性,确定模型中设施初始含水率的设置。
通过应用规模的实验,掌握上海应用条件下(排水管道出水)设施构造与设计参数与相应的水文控制效果。
不同介质组成与厚度绿色屋顶模型试验
• 使用翻斗雨量计连续检测降雨以及设施出流的流量过程
• 评价不同组成基质的绿色屋顶的水文、水质控制效果及基质含水率变化过程
绿色屋顶模型装置的含水率实测结果
•持水性好、植物可利用水量(available water) 高的基质是C1,B2;
•发生超过设施控制能力的大雨50h后,设施的含水率可降低到凋萎点以上约5%; 
•根据实验结果与上海市降雨分布的统计,确定适合的绿色屋顶的基质及其初始含水率设置。
生物滞留池 —— 绿地
绿色屋顶 ——旧多层寓
渗透铺装 ——小区道路、停车场与市政人行道
规模按照接近最大设置可能性考虑,在设施容积利用不充分的子区域适当调减。

水力模型的构建与改造效果评价
A区域现状排水能力的评估
•在1年一遇1h降雨 (36.5 mm/h,芝加哥雨型)条件下,A区域地面积水量约为1380m³,现状排水系统未能达到1年一遇的标准。
•根据水力坡降线法,识别瓶颈管段并拟定改造方案。改造后系统基本达到1年一遇排水标准。 
•按照改造后的管网数据,进行海绵设施提高已建成系统排涝能力的评估。
模型分析方法
•以经过率定的管网模型为框架,结合海绵设施布置方案,完成模型中设施的布置; 
•以子汇水区域为单位,考虑地表汇流条件,设置海绵设施的收集与排放途径; 
•设施排水管道出水接入排水管网; 
•通过设计暴雨下地面积水情况评价改造工程的效果。
短历时设计暴雨下海绵设施改造后系统排水能力
•以5年一遇1h设计降雨(58mm/h)作为模型输入降雨,根据积水量评估系统的排水能力,模拟时长取24h。 
•生物滞留池的初始含水率取凋萎点以上10%,绿色屋顶初始含水率取凋萎点以上5%。 
•通过孔口系数控制渗透铺装排空时间为24h。 
•在上述设计条件下,地面无明显积水,基本达到5年一遇标准。
直接从5年一遇1h降雨开始进行海绵设施效果的评估,特别是在不能下渗的地区,是效果评价有利。在设施含水率较高时发生暴雨,设施的水量滞留、峰值削减作用都会下降。
长历时暴雨下系统排水能力的评估
•海绵设施在上海主要是存储设施 
•历时24h,累积雨量143mm,按照SCSⅠ雨型分配雨量,最大1h降雨强度37.5mm; 
•模拟结果,地面积水量约为43m³,在模拟误差范围内,系统基本达到5年一遇排水标准。 
•因为输入降雨的峰值雨强只有1年一遇  结果仅说明增设海绵设施有可能使已建老系统达到接近于5年一遇标准
达到5年一遇标准传统改造方法的工程量
根据水力坡降法,通过模型计算识别瓶颈管段,结合管道超载程度、水流方向与服务面积调整的需要,确定翻排管道的范围。
管道:需改造管段总长度为1812m,占鞍山系统管道长度的28.7%
泵站:排水能力由10.22m³/s提高至16m³/s
直接成本来上海市积水点改造工程单位成本统计,因为不包括难以实施的改造项目,相关统计值偏低;已实施的泵站翻建费用不包括临时排水费用。
海绵设施改造成本
本课题提出的海绵设施改造方案,基本不改变土地用途,不包括征地费用。
A区域改造方案的总造价在1.40~1.60亿元
海绵设施改造的效益
因多数效益难以量化,本课题只讨论削减合流制溢流的直接效益。
削减溢流污染效益
通过平水年降雨过程的连续模拟,计算海绵设施的年溢流水量削减率,在平水年(1996年)降雨条件下,A区域实施海绵设施建设方案可削减年溢流量54.0%,年溢流次数从13次减少到6次。 
经模型试算,达到相同效果需建造容积7000m³(5.4mm径流深度)的调蓄池。不考虑征用土地的费用,调蓄池建造成本约为4550万元; 
全生命周期调蓄池排空水的处理费用约1025万元,其他运行维护费用不考虑。
两种提标改造方式的成本-效益
因地下水位高,不能下渗削减水量,对峰值流量的控制同样受到影响,海绵设施的建造成本可能略大于传统翻排管道的成本; 
同时考虑削减溢流污染的效果,海绵设施建造成本低于传统改造成本。

结语
•对土地紧缺、地下水位很高的上海,按照老城区的最大应用可能性布置海绵设施,在集中短历时暴雨条件下,有可能将1年一遇标准的建成系统的排涝能力提高到接近5年一遇。 
•考虑海绵设施同时具有的控制溢流污染等效益,海绵设施提高建成区排涝标准的费用效益优于翻排管道,重建泵站。
•考虑到传统提标改造方法的可实施性受到的限制(缺少管位、影响交通、征用土地困难等)可能更大,通过海绵设施实施提标改造,是一种值得关注的选择。
本文由活性炭除臭设备厂家思创环保整理发布。

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