雨水管渠系统的任务是及时汇集并排除暴雨形成的地表径流,使城市居住区与工业企业免受地表积水或内涝灾害的影响,保障城市人民生命财产安全和维持正常的生活和生产秩序。在受纳水体水位较高的地区,服务区域内的雨水难以通过管渠自流排除时,雨水管渠系统往往由管渠和泵站2部分组成。雨水管渠系统设计中通常不考虑旱流情况,但在运行中,如果服务区域内地下水位较高或者存在雨污水管道混接情况,雨水管渠系统内往往蓄存了入渗地下水或者旱流污水。在降雨来临之前如果不进行及时处理,将会对排除雨水的正常运行造成不利影响。因此管渠系统预抽空成为雨水泵站的一种重要工作模式^[1,2] 。结合降雨气象预报,在降雨来临之前,启动雨水管渠系统预抽空运行模式将具有两方面的作用:①发挥小降雨事件下雨水管渠系统的蓄水功能;②改善强降雨条件下雨水管渠系统的排水能力^[3,4]。

　　 在由雨水管渠和泵站构成的系统中,集水井内水量通过泵站加压提升,而集水井之前的水量依靠管渠中水流的重力流动,往往存在泵站内集水井已抽到最低水位,集水井前雨水管渠内的水量还没有汇集过来,使得雨水管渠内的水量很难被完全抽空。因此为衡量雨水管渠系统预抽空的效果,将需要收集雨水管渠系统信息、构建雨水管渠与泵站一体化计算模型,然后借助雨水管渠系统水力计算工具,从雨水管渠预抽空需要历时和可排放容积两方面判断。

　　 为尽可能使计算结果符合实际情况,需要收集雨水管渠、泵站和排放口的详细资料,这些资料的获取来自服务范围内雨水排放设施的竣工图、GIS或CAD电子图以及雨水泵站运行资料。

　　 (1)雨水管渠由检查井(或跌水井)及其相连管段组成,需要收集资料包括:①各检查井(或跌水井)的编号、位置坐标、地面标高、检查井深度或井底标高、检查井的断面尺寸或直径等;②各管段的编号、上下游节点(检查井或跌水井)编号、直径、长度、起端和末端内底标高、粗糙系数等。

　　 (2)泵站需要收集资料包括:①集水井的断面几何尺寸、最高水位和最低水位、池底标高、旱季非工作状态水位等;②水泵进水管直径、长度和粗糙系数;③水泵台数、水泵扬程-流量特性曲线信息;④水泵出水管直径、长度、粗糙系数。

　　 (3)排放口信息:排放口处管底标高。如果是淹没出水,则需要排放口的水位变化数据。收集到这些数据后,就可以选择具有排水管网和泵站模拟功能的水力计算软件,根据软件对输入数据的要求,进行输入数据文件整理,并选择合适模拟参数,结合适当水泵控制方案,进行排水管渠系统的模拟计算^[5] 。

　　 水泵控制策略在雨水管渠系统预抽空操作中起到关键作用。如果采用了不利的控制策略,泵站运行下可能抽升水量太少,起不到好的排水效果。不合适的控制策略也会导致过分的水泵启闭,过快损耗水泵和电机机械及电力部件^[6] 。

　　 泵站运行中常采用2种控制策略(见图1)。第1种是各台水泵在不同水位依次开启,在相同的低水位同时关闭。该策略的优点是,如果排水中含有大量悬浮固体(沉积物),可以限制固体的沉降;第2种控制策略是顺序开启/关闭水泵方法,即一台水泵的开启水位是后续一台水泵的关闭水位。例如水泵P1的开启水位为水泵P2的关闭水位,水泵P2的开启水位为水泵P3的关闭水位,等等。该策略的优点是,随着集水井水位的下降,水泵依次关闭,在一定程度水量下不会运行过多台水泵。

　　 除了上述2种控制策略,也可以设计出其他控制策略,并在运行中考虑单台水泵的磨损防护^[7] 。

　　 雨水泵站开启之前,认为雨水管网和集水池中存储水量,与地下水进水量或污水进流量达到动态平衡,管网内水面与集水池水面处于相同水位高度,该高度通常认为是集水池的最高控制水位。实际运行中,该最高控制水位可高于集水井进水管管顶,但不得使管道上游地面冒水。集水井最低控制水位常低于进水管内底标高。

　　 雨水管渠系统可蓄水容积为雨水泵站开启前集水井、检查井(跌水井)和雨水管段蓄水量之和。

　　 (1)集水井蓄水量:为集水井水平剖面与变化水位的函数。当集水井各水位水平剖面不变时,蓄水量为底面积与最高和最低控制水位差的乘积。

　　 (2)检查井蓄水量:当检查井内底标高高于集水井最高控制水位时,检查井内蓄水量为零;当检查井内底标高低于最高控制水位时,蓄水量为检查井水平剖面与水位变化的函数;当检查井各水位的水平剖面不变时,蓄水量为底面积与水位变化范围的乘积。

　　 (3)雨水管段蓄水量:根据集水井最高控制水位,雨水管渠可能处于蓄满水量、部分蓄水量和无蓄水状态。雨水管段通常具有一定坡度,当雨水管段下端内底标高高于最高控制水位时,该管段内无蓄水;当雨水管段下端内底标高低于最高控制水位时,将存在蓄满水量和部分蓄水量的计算。

　　 我国华东某市范围内的一小型雨水排水系统,服务面积240hm²,雨水管道总长约5 500m,管径在0.60~2.00m之间(见图2)。通过构建雨水管网模型,共划分为16个管段。排水泵站内设有3台1200HLB-12A型混流泵,额定流量为3.275m³/s,额定扬程为10 m。泵站运行的最高开泵水位为-0.67m,运行最低停泵水位为-3.00m。集水井断面积为12m×6m,内底标高-3.30m,溢流水位3.00m,旱季流量溢入污水管网。排水泵站处地面标高为3.50m。

　　 服务区域内地势较平坦,管道以一定坡度坡向泵站。地下水位较高,为3.00m。平时有地下水入渗或污水进入。服务面积内建筑密度较高,地表径流系数取0.6。

　　 试计算雨水管网可预抽水量,并分析开泵方案。

　　 首先,设旱季排水管渠内水面高度与地下水位相同,雨水管渠、检查井和泵站集水井的水面积高度均取3.00m。根据管渠、检查井和集水池容积计算方法,得到该雨水管渠系统在降雨前的蓄水量为6 615m³。

　　 其次,忽略泵站操作时段内的外部进流量,即雨水泵站预抽空仅针对以上计算蓄水量6 615 m³操作。水力模拟采用美国环境保护局开发的雨水管理模型(SWMM 5.1),计算选项采用动态波分析,模拟总历时采用10h。雨水泵站控制策略,考虑2种方案见表1。

　　 方案1采用不同集水井水位下依次开泵,当集水井达到最低水位-0.30m(即水深0.30m)时同时关泵的运行方式。集水井水位随时间变化和水泵启闭情况分别见图3、图4和表2,可以看出:①最初0:00~0:14,水泵P1连续2次启闭,共抽升2 804m³水量,占总抽升水量4 350m³的64.5%。②随着后续管网水量流入变缓,每次启闭的间距变大。③P2运行8min,P3仅运行2min。④如果计算到14min,则总提升水量为2 804+1 724+428=4 956(m³),占可提升水量6 615m³的74.9%;考虑地表径流系数0.6,对应降雨约为3.44 mm(见表3)。⑤抽升最长可延长到1h16min。

　　 方案2采用根据集水井水深依次开启/关闭水泵的运行方式。集水井水位随时间变化和水泵启闭情况分别见图5、图6和表3,可以看出:①最初0:00~0:14,水泵P1仅一次启闭,共抽升3 024 m³水量,占总抽升水量4 352m³的69.5%。②随着后续管网水量逐渐流入,每次启闭的间距变大。③水泵P2运行2次,P3仅运行1 min。④如果计算到14min,则总提升水量为3 024+1 944+216=5 184(m³),占可提升水量6 615m³的78.4%;考虑地表径流系数0.6,对应降雨为3.60mm(见表3)。

　　 方案1与方案2相比:①由前14min提升水量看,方案1为4 956m³,方案2为5 184m³。②方案1中水泵P1在第1h内共启闭9次,且在前14min内启闭2次,而方案2中水泵P1在第1h内共启闭7次,且在前14 min仅启闭1次。③水泵P2在方案1的前14min内启闭1次,而方案2的前14min内启闭2次。因此从提升水量、启闭次数,并结合日常雨水泵站“开车要猛,停车要缓”的运行经验,方案2的运行方式更合理可行。

　　 分析中也可以看出,通过水泵运行并不能将管网内的存水量完全抽干。因为管网内水量依靠重力驱动,流向集水井需要一定时间,随着时间推移,每次水泵启闭的间距变长,提升水量变少。但是当合理划分提升时间后,如表3和表4所示,可针对天气预报的暴雨出现时间的提前量,采取不同的水泵启闭运行方式。例如表3所示,方案1的运行可分别针对天气预报的提前量分为14min、28min和1h16min;方案2的运行可分别针对天气预报的提前量分为14min、31min和55min。

　　 针对地下水位较高或存在雨污混接情况的雨水管渠系统,可以通过构建雨水管渠和泵站联合运行模型,定量分析降雨之前雨水管渠系统内存储水量预抽空方案。由于管网内存水量需要一定时间汇集到泵站集水井,因此短时间内难以将系统内存水抽空。针对较小降雨事件,通过预抽空运行,可以将该部分雨水容纳在管渠系统内,减少降雨期间的泵站运行时间。通过运行分析,可更有效针对天气预报中降雨将要出现的时间,优化运行方案,合理安排水泵的提升。

　　 考虑到雨水管渠系统的布局、标高、集水井形式、水泵磨损的复杂性和可能的地下水入渗,在理论分析基础上还需结合实际情况适当调整和验证模型参数。