城镇雨水管渠系统是海绵城市建设的重要元素,保障城镇雨水管渠设施的健全和正常运行对于保障城镇排水安全至关重要。在城镇建设、管道养护等过程中,必要时需进行排水管道临时封堵工程,而相关配套的临时排水措施是保障工程实施期间区域排水安全的重要举措,但目前国内对于临时排水措施设计和建设尚缺乏相关规范和研究,大多由施工单位根据经验自行实施,临时排水工程的投资和效益无法保障。为指导排水管道封堵临时排水措施的建设和管理,规范临时排水方案的编写,确保上海市临时封堵排水管道工程施工期的防汛排水安全,上海市开展了《上海市排水管道封堵临时排水方案编制导则》的编制研究工作。排水管道封堵工程设计流量是临时排水措施最关键的设计参数,目前上海市水务部门规定“汛期临排流量应为设计流量的100%,非汛期宜为设计流量的40%以上”^[1] ,但缺少相关理论依据,因此,设计流量是此次研究的重要组成部分。

　　 排水管道封堵临时排水措施应以保障封堵期间的排水安全和排水水质为目的,以“雨水汛期排水能力不降低、污水不冒溢”为原则,需确定合理且可行的临时排水措施的规模,并兼顾工程投资和工程效益。

　　 污水管道临时排水措施设计流量主要考虑现状污水流量与污水管道设计流量之间的差异,以避免临时排水措施设计规模大于现状实际流量而造成工程规模的浪费。

　　 对于上海地区已建的污水管道,影响其现状流量的主要因素是服务人口和管道入渗。当排水管道按规划实施,而区域发展尚相对滞后的时候,理论上旱流污水量达不到设计流量;而相关研究表明,上海市排水系统地下水渗入情况总体比较严重,以合流一期工程范围为例,其平均渗入量约为27%^[2] 。因此,污水管道现状流量并不能简单按照规划人口密度来确定,需按照实际的服务人口和地下水入渗数据进行理论分析或通过流量监测确定。

　　 与污水管道相比,雨水(合流)管道的设计流量不仅与降雨密切相关,而且还要考虑暴雨致灾的影响范围和可承受程度,因此,雨水(合流)管道临时排水措施设计流量的影响因素包括封堵时间和时长、工程所在地区的重要性、所封堵管道的重要性、封堵管道的可恢复性和现状管道流量或排水能力的限制等。

　　 分析上海市域26个降雨监测站(见图1)2005年~2014年的降雨资料,结果表明,上海市强降水(1小时降水量大于20mm)主要发生在每年的6~9月,频次占比达到82%,4月、5月和10月的强降水频次次之(见图2),而上海市暴雨积水发生的月际变化情况与强降水基本一致(见图3)。

　　 因此,雨水(合流)管封堵时间跨越6~9月时,将带来较大的排水防涝压力,而封堵时间为4月、5月和10月时,也存在一定概率遭受强降水,且封堵周期越长,概率越大。

　　 若不对承灾体(人类或财产等)构成威胁,暴雨内涝(积水)就不能称之为灾害。目前,暴雨内涝对上海城市产生的影响,包括造成房屋或地下空间进水、交通瘫痪等。不同地区,其人口、财富集聚和城市基础设施功能不同,暴露在暴雨内涝中的受灾影响亦不同,尤其是政治中心、商业中心、交通枢纽等人流密集的重点地区与历史易积水区域,其内涝将产生巨大的影响。

　　 封堵管道在排水系统中的位置不同,其服务范围和影响范围也存在差异。采用Infoworks CS水力模型模拟当采用原排水能力的临时排水措施时,封堵管道在排水系统中的上游、中游、下游等3种不同情景对系统排水能力的影响,模拟结果见表1和图4。结果表明,封堵管道位于系统下游时对系统排水的影响最大,系统排水负荷将增加50%;而当封堵管道位于系统上游时,系统排水负荷仅增加5%。因此,封堵管道在系统中不同位置对排水系统整体排水能力的影响存在显著差异。

　　 排水管道封堵工程中,有些封堵管道的排水能力在施工期间是不可恢复的,比如需要占用管位、管道需临时搬迁等,需在封堵工程结束后才可恢复;而有些封堵管道的排水能力是可以暂时恢复的,比如在施工现场以保护管道结构为主进行的封堵、在养护作业中为确保人员安全和有效作业进行的封堵等,该段管道在面临超过临排能力的短时强降雨时,可根据需要在12h内恢复排水功能。对于后一种情况,临排的标准可适当降低。

　　 为避免临时排水措施设计流量大于现状排水管道排水能力,与上游、下游管道排水能力不匹配,造成设施能力浪费,因此,最终临时排水措施设计流量应与现状排水管道排水能力进行比较后取较小值。

　　 通过对影响排水管道(含雨水管、污水管和合流管)封堵工程临时排水措施的设计流量的因素进行分析,并确定设计流量调整系数。经专家咨询后,确定上海市临时排水措施设计流量的计算公式为:

　　 式中Q_L———临时排水措施设计流量,L/s;

　　 Q_dr———截流井以前的旱流污水量,包括设计综合生活污水量和设计工业废水量,L/s;

　　 Q_s———雨水设计流量,L/s;

　　 α₁———时间重要性系数;

　　 α₂———地区重要性系数;

　　 α₃———管道重要性系数;

　　 α₄———封堵管道可恢复性影响系数。

　　 其中时间重要性系数α₁,宜按表2的规定取值。

　　 地区重要性系数α₂,宜按表3的规定取值。其中重要地区是指人流、交通较为密集或发生积水后,影响较大的地区,主要包括政治中心、商业中心、旅游中心、交通枢纽和交通干道。易积水区域主要包括上海市排水防汛部门发布的低洼处和由各区县排水管理部门统计得到的历史积水地区。具体如表4和表5所示。

　　 管道重要性系数α₃,宜按表6的规定取值。考虑到实际操作的便利,将封堵管道在系统中不同的位置与管道管径相对应。根据上海市实际情况,系统上游、中游和下游的合流或雨水管道管径分别为小于1 050mm、1 050~1 650mm和大于1 650mm。

　　 封堵管道可恢复影响系数α₄,可按表7的规定取值。

　　 为避免通过上述公式计算得到的临时排水措施设计流量大于现状管道排水能力(污水管道为现状流量),造成设施能力浪费,最终应对临时排水措施设计流量进行校核。

　　 对于雨水管和合流管,应比较临时排水措施设计流量与现状排水管道排水能力Q_x后取较小值,其效果相当于Q_L乘以流量折减系数α₅:当临时排水措施设计流量Q_L小于现状排水能力Q_x时,α₅为1;当大于时,则α₅为Q_x/Q_L,其中Q_x可由管径、管材、坡度等因素计算后确定。

　　 对于污水管道,根据封堵污水管道的管径和现状流量,确定流量折减系数α₅。其中管径大于600mm的污水管道,建议根据现状服务范围内实际服务人口数,计算得到现状流量Q_m,并采用观测上下游泵站流量或现场实测的方式进行复核,α₅的取值为Q_m/Q_dr;当缺乏复核数据资料时,α₅取1。对于管径小于等于600mm的污水管道,因为其设计流量较小,临时排水设施规模有限,从经济角度考虑,可不复核现状流量,取1。

　　 以上海市某合流制排水系统为例(见图5),整个系统服务面积2.59km²,设计重现期为1年一遇,设计综合径流系数为0.65。假设临时封堵怀德路某路段的排水管道A-B,其水流方向为由北向南,管径为DN1 650,管长为65m,坡度为0.000 61,埋深为4.9m。预计封堵起止时间为2015年6月1日至次年3月31日。

　　 通过计算得知,封堵管段的满流排水能力Q_x为2.249m³/s;由于缺少计算书,将Q_x近似为封堵管道的雨水设计流量Q_s。根据临时封堵排水工程的基本情况,确定设计流量影响因素、分别为1.2、1、1和1。计算得临时排水措施设计流量Q_L为2.474m³/s。经校核,Q_L大于Q_x,因此,临时排水措施设计流量最终确定为2.249m³/s。

　　 结合封堵时间重要性、地区重要性、管道重要性、封堵管道可恢复性等因素的影响,同时考虑区域现状污水流量和现状雨水管道(合流管道)排水能力的限制,提出了上海市排水管道封堵临时排水措施设计流量的计算公式和校核方法,可在保障工程投资效益的同时提升区域排水安全,为上海市排水管道封堵临时排水工程的科学规范实施提供技术支撑,也可为其他城市新型城镇化建设过程中合理合规地保障排水设施排水能力提供借鉴。