本文研究区域位于上海市北外滩地区,具体指苏州河以北,南北高架共和新路以东,黄浦江以西的区域,总面积约83.25km²,共涉及宝山、闸北、虹口、杨浦4个行政区,46个排水系统,排水标准对照国家标准^[1]普遍偏低:多为1年一遇标准,局部地区甚至为0.5年一遇。汛期遇极端天气导致区域内路段积水的现象时有发生。

　　 为积极响应国家和上海市建设海绵城市的最新要求以及排水防涝相关的最新政策规划^[2,3]的要求,彻底解决区域内内涝积水、河道排水能力与市政排水泵站不匹配、雨污混接、初雨污染等一系列环境治理难题,本文探讨在虹口港—走马塘段沿线排水系统采用深层排水调蓄隧道集中调蓄和治理雨水的可行性,项目将聚焦现状暴雨积水严重,排水防涝和水环境矛盾突出的区域,在兼顾工程的示范性、实效性和操作性前提下,匡算设施规模并与相关工程妥善衔接,实现最大的环境效益。

　　 研究区域内排水标准对照国家标准^[1]普遍偏低:现状合流制系统26个(见图1),面积41.82km²,其中已建1年一遇强排系统19个;3年一遇强排系统2个,分别为大连、五角场系统;正在进行多系统联合改造的系统5个,分别是丹东、新松潘、杭州、惠民、霍山系统,受泵站用地限制,新建的丹东、新松潘系统按3年一遇标准建设。分流制系统20个(见图1),面积41.43km²,其中已建1年一遇强排系统18个;3年一遇强排系统2个,分别为大名、汉阳系统。

　　 区域内现状河道共5条,水面率约1.3%,属平原赶潮河网,河道底坡几乎为零,基本无自流能力,靠泵闸调水。河道现状设计标准为20年一遇,泵闸规模按照容量调洪法确定,总能力约145 m³/s,远小于沿线排水泵站总能力481.94 m³/s。汛期当遭遇连续强降雨时常发生河道水位上涨“内涝和溃堤两害取其轻”沿线泵站全部停泵的工况,引起城区大面积积水^[4]。河道排水能力与市政泵站不匹配问题突出。

　　 区域内已建的大型的污水处理工程包括合流一期工程、两港截流工程和污水三期工程等,污水经干线收集输送至竹园第一污水处理厂(规模170万m³/d)和竹园第二污水处理厂(规模50万m³/d)。

　　 根据收集到的排水管道GIS资料和泵站、污水处理厂实测运行的数据,由于排水用户本身缺乏分流制排放系统以及排水用户不规范的排水方式导致沿市政道路建设的雨污分流管道难以真正实现雨污分流,无法杜绝新建雨水管道排入污水管,导致新建雨污分流系统重新转变为合流排水系统,汛期雨水溢流污染严重。

　　 根据《上海市城市排水(雨水)防涝综合规划》^[5]和《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2014年版)的要求,本文深层排水调蓄隧道按表1、表2标准进行规模研究和工程选线。

　　 本工程研究主要遵循以下4个基本原则:①突出重点、解决积水;②提高标准、片区达标;③增加截流、初雨调蓄;④近远结合、内涝排放。工程分析以确保城市防汛安全为主线,以治理历年积水点、现状低洼区为抓手,以改善城市环境质量为前提,结合浅层排水系统的改造,以深层排水调蓄管道等综合措施为雨水系统、污水系统、合流系统的联系纽带,全面提高排水系统设计标准和面源污染削减率,排水防涝和面源污染治理相结合,建设与上海国际化大都市形象相适应的的一个综合排水防涝体系,全面提升水环境安全和水环境质量。

　　 本论文采用脱过系数法、面积负荷法2种方法分别计算了46个排水系统从现状标准提标至设计标准所需的调蓄量(即深层排水调蓄隧道的规模),见表3。

　　 由表3结果综合考虑,本研究深隧道调蓄量取98万m³。

　　 本文的研究思路是利用虹口港、杨树浦港、走马塘、虬江等水系构建“地下河道”,既解决虹口、杨浦、闸北、宝山地区46个低标系统的提标,又避免大面积翻建现状管线,消除现状积水点,填补排水空白区(民星地块),满足内涝防治排水的要求。5年一遇以内降雨时,深隧道是初期雨水及部分现状标准以外降雨的线性调蓄管道,雨后将调蓄雨水送至污水厂处理达标后排放。遭遇超标暴雨时,利用末端的排涝泵站,将雨水直排入黄浦江,此时深隧道的主要作用是作为超标雨水的排放通道。

　　 本研究根据已建46个排水系统在空间布局上的衔接关系,对其合理归并,划分为14个排水片区。

　　 根据研究思路拟定本论文工程选线路由如图2。

　　 一级调蓄隧道:全长31.5km,DN8 000,埋深30~60m。可分为2条,一条沿虹口港向北,经俞泾浦至走马塘,往东至政立路一直延伸至虬江,长约20.1km,另一条南起杨树浦港至东走马塘,往东至虬江,长约11.4km。建设深隧竖井19座,用于接纳超标雨水并配套预处理设施。

　　 二级输送管道:全长28.5km,DN4 000,埋深约为15~25m。用于输送三级收集管道的雨水接入深隧道,主要利用河道底部及部分主干道路地下空间敷设。

　　 三级收集管道:全长23.9km,管径DN3 000,埋深10~15m。三级管道工程量主要是在每个现状系统总管的上游接出约1/2长的总管,将原有系统的汇水面积减小50%以上,削减排水系统上游的排涝压力,充分利用现有设施排水能力。经模型测算,需在水位不受下游水位顶托的情况下,基本能满足已建系统提标需求。

　　 末端泵站:实现深隧从静态调蓄到动态调蓄的转变,泵站规模200m³/s,其中15m³/s用以提升初期雨水至合流污水一期总管(富裕能力约20m³/s)进竹园污水处理厂进行处理,泵站拟选址在共青森林公园万竹园内。

　　 模型建立:本研究建立了现状46个排水系统和5条河道的水力模型^[6],管网资料主要来自排水管网GIS数据和其他测绘数据,并以大量设计、竣工情况及现场手工记录资料作为补充和交叉核对,以反映最符合现状实际管网。模型建立过程包括管网信息输入及校正、下垫面提取、汇水区划分、数字地形建立及纠正、泵闸等控制性构筑物的概化仿真、旱流及降雨等边界条件的确立等。最终建立精细的联合水力模型服务面积约为83.3km²,管段数19 579根,排水系统46个,排水泵站53座。模型截图见图3。

　　 本研究用数场典型降雨事件对模型进行了率定,反复修正模型技术参数,使各泵站的模拟结果能够基本反映出排水公司实际监测的运行情况,模型精度满足英国《排水系统水力模型工程师职业规范》的技术要求。图4所示为2011年8月4日降雨时,虹镇、溧阳、横浜及曲阳泵站模拟的前池水位和实际监测水位对比图。可以看出,现状模型能够较好地反映实际情况。

　　 根据本研究深层调蓄隧道系统的布局,系统在5年一遇,50年一遇,100年一遇3h降雨时平均积水深度、积水面积以及最不利点积水时间模拟结果见图5、图6。

　　 从图中可知,通过本研究一~三级调蓄管道和末端泵站的建设,能够有效控制城区积水面积和积水深度,在大面积翻建现状管线的前提下,实现排水标准的提高,有效应对100年一遇降雨并控制积水深度在15cm以下。同时,可以将最不利点积水时间控制在1h以内。

　　 经过测算,本研究深层调蓄隧道实施后,可以整体削减片区河道和黄浦江污染负荷,减少初雨和溢流污染放江量95%以上,满足区域水功能区划要求。同时,结合片区内海绵城市的建设,可有效控制年径流总量达到85%以上。

　　 与苏州河深隧衔接:本研究深层隧道拟沿东大名路与苏州河深隧衔接,突破其由于建设条件引起的部分功能限制,发挥协调效益。

　　 与合流一期、污水三期、两港截污干线衔接:充分利用合流一期和污水三期的富裕能力输送初期雨水至竹园污水处理厂进行处理;同时实现污水量的灵活调配,为污水干线的放空检修创造条件。

　　 本文研究利用虹口港、杨树浦港、走马塘、虬江等水系构建“地下河道”建设深层排水调蓄隧道的可行性,既解决虹口、杨浦、闸北、宝山地区46个低标系统的提标,又避免大面积翻建现状管线,消除现状积水点,满足内涝防治排水的要求。匡算调蓄规模为98万m³,一级调蓄隧道全长31.5 km,DN8 000,埋深30~60m,二级输送管道全长28.5km,DN4 000,埋深15~25m,三级收集管道:全长23.9km,管径DN3 000,埋深10~15m,末端泵站实现深隧从静态调蓄到动态调蓄的转变,泵站规模200m³/s,其中15m³/s用以提升初期雨水至合流污水一期总管进竹园污水处理厂进行处理。

　　 本项目实施后,服务范围内46个排水系统共约83.3km²区域的排水防涝能力将大大提高,排水系统可达到设计暴雨重现期5年一遇的标准,并有效应对100年一遇强降雨;同时整体削减片区河道和黄浦江污染负荷,减少初雨和溢流污染放江量95%以上,满足区域水功能区划要求。

　　 鉴于深隧调蓄管道系统工程影响范围广、投资规模大、技术难度大、建设周期长,提出2点建议:

　　 (1)进一步研究探索深层调蓄管道设计、施工和运行所需的技术和运行模式。

　　 (2)加强市规土、绿化等部门沟通协调,及早协调落实相关设施用地及深层地下空间,以便今后工程实施。