随着我国城镇化进程的快速发展,雨水排放系统暴露出越来越多的问题,每年5—8月,大规模的城市内涝似乎正在成为常态. 2012年7月的北京,2014年5月的深圳,不论是古老的历史文化名城,还是年轻的现代大都市,似乎都无法经受雨水的考验. 对比国内外雨水系统设计规范与设计过程发现,在雨水系统规划设计阶段,主观人为的参数设置往往导致雨水系统建成后在关键时刻不能发挥排涝作用,其中雨水提升泵站最优服务半径的研究基本处于空白,不论是规范上,还是实际规划设计过程中,都是人为主观确定,缺少科学数据.

发达国家在经历排水系统的创建、发展和治理之后,自20世纪70年代起就开始致力于暴雨防涝系统的管理,重点集中在限制雨水和合流制系统溢流次数和流量,以及研究溢流污水的处理途径. 由于城市排水管理和排水过程的复杂性,要想对雨水径流过程有清晰的认识,必须借助现代信息方法和技术手段进行准确模拟和预测. 因此,世界上涌现了上百种城市暴雨排放模型,用于雨水管网的规划、设计以及运行管理,以达到减少溢流量、减少管道超载和地面淹水以及减少溢流的污染负荷等多个目标,降低暴雨造成的城市危害^[1-7].

城市降雨与径流过程模型包括径流过程模拟(水文和水力学模拟)和径流水质模拟两部分. 陈礼国等^[8-12]自20世纪80年代起对雨水管网汇流模型进行了系列研究,先后对瞬时单位线法求雨水管网系统入流流量过程线的数值计算方法、城市排水系统非恒定流模拟模型、雨水道变径流系数、瞬时单位线法推求雨水管网入流流量过程线、城市雨水管网系统地面径流损失规律、牛顿迭代逼近法求解雨水管道非线性运动波方程、城市雨水管网非线性运动波法模拟技术、特殊情况下雨水管道设计流量的确定方法、瞬时单位线法求雨水管网系统入流流量过程线的数值计算方法、遗传算法推求瞬时单位线参数并计算流量过程线、城市排水系统非恒定流模拟模型、雨水管渠设计参数折减系数的理论、节点递归算法优化雨水管网和城市暴雨强度公式推求系统的开发等进行了深入的研究.

近20年来,随着城市径流问题的日益突出,各种精度较高的城市水文和水力计算模型已被广泛用于雨水管道系统的规划、设计和管理. 目前最具影响的有:英国环境部及全国水资源委员会的沃林福特模型(Wallingford model)、美国陆军工程师兵团水文学中心的“暴雨”模型(storage, treatment, overflow, runoff mode storm)和美国环保局的雨水管理模型(storm water management mode, SWMM)等. 这些模型可对整个城市降雨、径流过程进行较为准确的模拟.

虽然国内外学者对城市雨水径流过程模拟已展开了大量研究并取得了显著成果,但关于雨水泵站最优服务半径的研究尚未见报道. 本研究采用动态规划的数学方法,以全局最优为目标,建立并求解了不同地质条件下雨水提升泵站的最优服务半径,为雨水系统规划提供了一个新的参考.

我国《室外排水设计规范》(GB 5014—2006)^[13]中对各个地区雨水管网最大允许埋深有所规定和建议采用值,但是雨水提升泵站规划设置的位置及其所能保障的最优服务半径一直未给出建议值或者规定. 这一情况易造成雨水系统规划时,雨水提升泵站规划位置主观性强,科学性低,且易造成局部区域雨水得不到提升,形成排涝死角,故而发生有地下雨水管网系统的同时,还造成大面积积水或内涝的情况^[14-15]. 我国给水排水专业相关的多本规范中,对涉及到人身财产安全的系统一般都设置了强制条例,例如,防火规范中消防系统有许多强制条例,设计时必须遵守,目的是提高系统的安全性. 人们以前认为雨水系统不会直接造成人身财产安全问题,但近年来,因雨水系统排放不畅而造成的城市内涝事件中,人员伤亡常有发生,且造成的整体社会损失有明显上升趋势.因此,建议在制定雨水系统相关规范时参考消防系统的做法,设置强制性规范. 鉴于我国雨水管道最大允许埋深的情况,应用本动态规划方法,可以得出我国雨水提升泵站最优服务半径,如表2所示.

表2 雨水提升泵站最优服务半径
Table 2 The optimal service radius of stormwater pumping station

针对我国近年来城市内涝频发及《室外排水设计规范》(GB 5014—2006)^[13]中雨水提升泵站设置存在的问题,提出了雨水提升泵站最优服务半径的概念,并建立了数学模型,应用动态规划原理与方法对模型进行了求解. 研究表明,应用动态规划方法求解雨水提升泵站最优服务半径,可简化求解过程,缩短计算次数和时间,提高计算效率. 以6管段组成的雨水管网为例,常规工程计算次数为66次,而动态规划方法仅为36次. 应用研究方法,推算了我国雨水管道最大允许埋深从5～8 m的雨水提升泵站最优服务半径,供设计和管理决策参考. 鉴于城市雨水系统的重要性,建议进一步展开城市雨水提升泵站最优服务半径的研究,并组织专家论证,逐步形成具有强制性的规范条文,以提高规划设计的科学性和合理性.