按照《室外排水设计规范》(GB 50014—2006,2014年版)要求,上海市区的排水标准需从1年一遇提高到5年一遇。上海建成区占规划城市用地的比例很高,现有排水系统提标改造是需要面对的实际问题。上海建成区人口密度及建筑密度较高,旧排水管道开挖重排的可实施性差,改造工程的社会成本很高,难以普遍实施。而LID作为一种源头分散雨水管理措施,可在现有土地利用基础上分散布置,通过对雨水的滞蓄、存储,减少地表径流量,提高现有灰色系统的排水能力,有可能减少传统改造方案的市政道路开挖,其实施可能性与效果值得关注。为此,本文以建成区现有排水管道系统为基础,在上海建成区典型土地利用条件下,选择适合当地条件的LID设施;通过规划布置LID初步改造方案及优化方案评估LID规划方案在短历时和长历时设计降雨下的排水效果,探讨上海典型建成区灰色排水系统通过源头减量,提高排水标准的可行性。

　　 A汇水区域位于上海市杨浦区,建于1994年,服务面积约1.3m²,为合流制泵排系统。区域内主要是20纪80~90年代建造的多层住宅及少量商业建筑。根据A汇水区域的GIS数据,统计该区域主要用地类型的比例见表1。本文以A汇水区域的管道系统及用地概况为例(见图1),讨论在上海建成区类似用地条件下,LID设施提高现有系统排水能力的效果。

　　 上海LID设施应用的限制条件主要包括土壤渗透性、地下水位、地面坡度、土地供应等。上海市最小地下水埋深仅有0.5m,土壤质地粘重,渗透速率经常小于1×10^-6m/s,地面平坦不利于汇流,土地资源紧缺。参照《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构造(试行)》及国外相关导则^[1] 有关地下水最高动水位距LID设施底部的距离不小于1m的规定,渗透性LID设施应用受到明显限制。研究区域适用的LID设施主要是分散的滞蓄型LID设施,设施底部需做防渗处理、敷设下排水管道排除积水。参照国外导则^[2] 中不同LID设施的适用条件,结合上海市的特征,LID设施选择标准为:①不考虑渗透功能;②径流水量削减和峰值削减作为主要考虑因素;③尽可能少占用土地。由此确定适用的LID设施为滞蓄型生物滞留池、渗透铺装及绿色屋顶。雨水直接利用在南方高密度城区的费用效益不佳,因此不作为主要措施。

　　 SWMM5.1包含了常用的LID设施,能很好地表达LID设施运行的物理过程。本文以SWMM5.1作为模拟研究工具。

　　 根据SWMM模型的应用要求,结合A汇水区域排水管网数据与下垫面情况,考虑小区围墙对地表径流汇入市政管网路径的影响,细分了研究区域的子汇水区。其中不同子汇水区LID设施的下排水出口汇入该子汇水区的收水节点,未能通过LID设施收集的径流直接进入道路市政管网。对A汇水区域进行相应的概化:共划分了110个子汇水区,面积在0.14~7.26hm²之间;排水管网节点共182个;排水管总长为6.5km。根据以上结果建立研究区域的SWMM概化图(见图2)。

　　 参考相关文献、模型用户手册和实地监测值^[3,4] 选择研究区域的管网模型参数,其中产流过程采用Horton方程模拟降雨入渗过程。参考谭琼^[5] 、董欣^[6] 等对模型参数灵敏度的分析,选择灵敏度较高参数的初始值,提高管网模型率定效率。由A区域泵站SCADA系统选择2012年历时不同的3场降雨进行率定,一场降雨进行验证,4场降雨的N-S系数均在70%以上,满足模型使用要求。

　　 鉴于LID设施的雨水控制效果受降雨历时的影响较大^[7] ,本研究选用历时1h设计降雨评估系统的排水能力,并使用历时24h的降雨对长历时下LID设施的效果进行评价;降雨量根据最新修订的上海市中心城区短历时暴雨强度公式(式1)和上海市气候中心最新修编的长历时暴雨强度公式(式2)获取;短历时降雨设计雨型选用芝加哥雨型,长历时降雨选用SCSⅠ雨型^[8] 。

　　 式中i———降雨强度,mm/min;

　　 T———设计重现期,年;

　　 t———降雨历时,min。

　　 上海市建成区典型排水系统基本达到1年一遇排水标准,为评估在不同年代逐步建成的A系统的实际状况,使用上述经过率定验证的SWMM管网水力模型评价A系统的实际排水能力。在1年一遇1h(36.5mm)设计降雨下,A系统的地面积水量约为1 380 m³,其中某不利时刻积水情况见图3。现状管道系统总体上未达到1年一遇排水标准。

　　 对A系统积水情况分析,积水集中在上游某管段,参考Rivard等^[9] 针对排水系统水力改造提出的水力坡降线法,识别瓶颈管段。根据识别出的瓶颈管段,计划对上游长370m积水管段改造,并通过预抽空降低暴雨事件的泵站运行水位,重新评估A系统改造后的排水能力。在1年一遇降雨条件下,积水量约为500m³,基本达到1年一遇排水标准。以改造后的管道系统为基础,探讨用地概况及建筑类型类似于A汇水区域的建成区,通过低影响开发改造提高其排水标准的可能性。

　　 以经瓶颈改造后的A系统为基础,接近LID设施最大可能占地比例,规划布置LID方案(方案I),评估系统的排水能力。根据初步评估结果,以方案I为基础,改善LID方案(方案II),评估LID系统可能达到的排水能力。

　　 上述选用的3种LID设施中,生物滞留池的介质较厚,相同面积下水文控制效果较好,主要布置在道路两侧绿地及大块绿地中;研究区域内住宅以6~7层公寓房为主,适合应用轻型介质的粗放型绿色屋顶;渗透铺装主要用于小区内道路及停车场的改造。方案I每种设施所占相关下垫面的比例见表2,其中下沉式绿地率是生物滞留设施占绿地的比例。

　　 参照朋四海^[10] 、陈昱霖^[11] 场地试验设施参数及国内外LID设计手册,结合A汇水区域特征,选择SWMM模型中3种LID设施的设计值与模型参数见表3。其中LID设施排空时间通过孔口排放系数控制,本文设定LID设施24h排空,以增强不能经下渗削减水量的滞蓄型LID对洪峰削减及峰现时间延滞的效果。

　　 LID设施提高建成区排水能力的评估是比较现状条件(场景A)与上述LID改造(场景B)两种场景下系统在设计暴雨下的积水量,据此评价LID系统提高建成区排水能力的效果,目的在于考察与A区域用地及建筑类型相似的条件下,LID设施提高上海市建成区排水标准的效果。

　　 在上述方案I基础上,选用5年一遇1h设计降雨(58mm/h)作为模型输入降雨,以积水量作为评估系统排水能力的标准,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%,接近设施实际含水情况。模拟结果显示,场景A下地面积水量为14 740m³,场景B下积水量约为310 m³。场景B相比场景A积水量削减14 430m³,对模拟结果的水量平衡统计见表4。

　　 由表4可知,场景B中的LID设施在降雨前、后的储水量增加约为16 000 m³,与增加LID设施对原有系统积水的削减量基本相同。而在上述的LID设计方案I与参数设置条件下,计算A系统内LID设施的总滞蓄容量约为15 800m²,与模拟结果一致,积水量的削减主要是被LID设施滞留存储。

　　 为进一步讨论A系统在极端不利条件下可能达到的排水能力,在相同的场景B条件下,采用24h长历时降雨,评估实行低影响开发改造可能达到的排水标准。根据公式(2),上海5年一遇24h设计降雨量143mm。采用美国水土保持局的SCSⅠ雨型,雨量分配过程如图4。SCSⅠ雨型峰值1h降雨量37mm,为1年一遇1h设计降雨量,SCSII雨型峰值1h降雨量为5年一遇水平,而在长历时大暴雨中同步发生5年一遇短历时暴雨的概率应明显小于5年一遇。因此,选用SCSⅠ雨型评估系统排水能力更具实际参考价值。在此长历时降雨条件下,计算所得积水量为1 280m³,折算为区域平均径流深度约为1mm。模拟结果显示,峰值出现之前,累积降雨量约42mm,LID设施的含水率已达到饱和,基本无调蓄容积,导致峰值出现时产生地面积水。此时,虽然LID设施已基本没有存储、滞留作用,因峰值雨量也只有1年一遇,所以积水量不大。

　　 在方案I的LID设施布置场景下,24h5年一遇设计降雨,A系统存在明显积水。方案I所选用的3种常用LID设施中,绿色屋顶、透水铺装的应用比例虽然接近最大可能性,但这两种设施单位面积的调蓄容积较小,LID系统整体径流控制效果不够理想。浅层调蓄模块具有厚度小、孔隙率大的特点,适用于上海的高地下水位;具有较大的雨水调蓄容积,可替代部分渗透铺装,增大LID系统的调蓄容积。以方案I为基础,在用地接近最大可能的前提下,调整LID规划方案(方案II),其中浅层调蓄模块替换部分透水铺装用于停车场、人行道路及建筑周围的道路中,收集停车场、道路及屋顶雨水,每种LID设施占相关下垫面比例见表5。在与方案I总占地比例相同的基础上,由于浅层调蓄模块造价较高,根据控制目标的需要使用;方案II中的浅层调蓄模块用量根据方案I的积水量和透水铺装占比减少后所减少的调蓄量确定。选用SWMM模型中的渗透沟作为浅层调蓄模块在模型的设置,其中浅层调蓄模块的厚度取200mm,孔隙率取95%,底部设置防渗层,通过孔口控制出水速度,其他LID设施的模型参数不变,在24h5年一遇设计降雨下,方案Ⅱ的积水量约为112 m³,在模拟误差范围内,系统达到5年一遇排水标准。对模拟结果做水量平衡统计,相比方案I,设施蓄水量增加约为1 300m³,与改善方案后积水的削减量基本相同。

　　 在上海市典型建成区,以接近最大应用可能性为条件,进行已建成区LID改造,现有1年一遇标准排水系统,在5年一遇短历时设计暴雨及长历时降雨条件下,评价区域均无明显积水,与LID结合的已建排水系统基本达到5年一遇的排水标准。本文探讨的提标设想存在实施条件的限制,所述的达到5年一遇的标准与《海绵城市建设技术指南》对新系统建设的要求也存在差异。但本文的工作对旧城区排水系统改造的方案决策仍然具有参考价值。