分流制排水系統(tǒng)中水力模型對運行方案的優(yōu)化

高 磊，朱 弋，潘 煒，黃堅萍，王 輝，張留瓅

（上海市城市排水有限公司排水設(shè)計研究分公司，上海市 200090）

分流制排水系統(tǒng)中水力模型對運行方案的優(yōu)化

高 磊，朱 弋，潘 煒，黃堅萍，王 輝，張留瓅

（上海市城市排水有限公司排水設(shè)計研究分公司，上海市 200090）

為更好發(fā)揮排水設(shè)施的防汛減災效益，運用排水系統(tǒng)水力模型科學評估了上海中心城區(qū)分流制系統(tǒng)長橋區(qū)域排水系統(tǒng)的防汛安全現(xiàn)狀調(diào)控方案。通過分析1 a一遇、2 a一遇和3 a一遇設(shè)計降雨時該地區(qū)積水點的積水面積、積水深度、退水時間，結(jié)合降雨過程強度、泵站運行等相關(guān)要素，提出該地區(qū)排水系統(tǒng)優(yōu)化方案，并模擬分析優(yōu)化調(diào)控后的防汛效果。

水力模型；排水系統(tǒng)；積水模擬；優(yōu)化

0　引言

現(xiàn)代化城市由于開發(fā)程度高、建筑密度大、以及地下空間的大幅開發(fā)，對城市排水系統(tǒng)的抗風險能力提出了新的要求[1]。隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及同時期排水模式由強排式向生態(tài)式的轉(zhuǎn)變，城市排水對暴雨雨水的管理變得越來越細致，對徑流過程的模擬和預測也提出了更精確的要求。

自20世紀60年代起，水力模型以其低廉的運行成本和龐大的計算能力承擔起降雨事件的分析、模擬、預測工作。時至今日，水力模型的應用早已成為城市防汛指揮科學可靠、行之有效的方法之一，在排水管道設(shè)計優(yōu)化、已建排水設(shè)施評估、排水系統(tǒng)運行優(yōu)化等方面，水力模型都起到了不可替代的作用[2～4]。上海在排水系統(tǒng)水力模型研究方面已有多年的研究基礎(chǔ)。本文將介紹利用InfoWorks CS軟件對上海市中心的分流制系統(tǒng)長橋地區(qū)進行的動態(tài)水力模型模擬，在此基礎(chǔ)上提出一項非工程排水系統(tǒng)調(diào)控優(yōu)化方案，并評估了其在減少積水面積、積水深度和退水時間等方面的優(yōu)化效果。

1　概述與建模

本次水力模型模擬研究區(qū)域東至黃浦江、西沿虹梅路，南到淀浦河，北抵張家塘港，面積約為780 hm2。研究區(qū)域包含4個排水系統(tǒng)，分別為梅隴、長橋、植物園和羅秀，均為分流制排水系統(tǒng)。研究區(qū)域內(nèi)共包含3座泵站，即梅隴、長橋和羅秀，3座泵站設(shè)計降雨重現(xiàn)期均為P=1。

1.1模型建立

（1）管網(wǎng)模型：根據(jù)所掌握的最新排水數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、GIS數(shù)據(jù)庫資料和排水設(shè)施竣工資料，對示范區(qū)管道、檢查井、泵站等排水設(shè)施要素進行了收集、梳理及分析。應用InfoWorks CS軟件建立管網(wǎng)模型，梳理并校核了長橋地區(qū)2600余根雨水管道、3座泵站、16臺水泵，并在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行建模。研究人員校驗并檢查了GIS數(shù)據(jù)中未連接的孤立管網(wǎng)，管道上下游連接關(guān)系、管道縱斷面數(shù)據(jù)異常、管道相關(guān)屬性異常等，對存疑的數(shù)據(jù)進行了現(xiàn)場勘測、修正完善等復核工作，見圖1。

圖1　研究區(qū)域管線圖

（2）集水區(qū)劃分：根據(jù)研究范圍內(nèi)各地塊地形信息分析，對各個區(qū)域的功能和紅線范圍進行集水區(qū)劃分，并且根據(jù)市政雨水管道的接入點位置、管徑等信息將各集水區(qū)與市政雨水管道連接。為了進行地面徑流模擬，對管網(wǎng)進水流量過程線進行模擬計算，研究人員依據(jù)不同集水區(qū)內(nèi)屋頂、道路、綠化等下墊面的分布比例，對各集水區(qū)內(nèi)的徑流表面和徑流表面參數(shù)進行設(shè)定。

（3）水力數(shù)學模型：根據(jù)研究區(qū)域排水系統(tǒng)的用地性質(zhì)和特點，對InfoWorks CS軟件提供的產(chǎn)匯流數(shù)學模型進行比較，最終確定對不同研究區(qū)域選用了一致的水力數(shù)學模型：不透水表面的產(chǎn)流模型采用固定徑流系數(shù)模型（Fixed PR Model）；透水表面的產(chǎn)流模型采用霍頓滲透模型（Horton Infiltration Model）；匯流模型采用SWMM模型（非線性水庫法），管道計算模型采用圣·維南方程組。

（4）管道儲量調(diào)蓄：由于管網(wǎng)模型未完全涵蓋雨水箅、連接支管和社區(qū)內(nèi)部雨水管道，若不考慮這部分管道及井深具有的儲水容量調(diào)蓄，則會高估管道超載，洪災的發(fā)生頻率，不能真正反映排水系統(tǒng)的儲量。研究采用InfoWorks CS的WaPUG User Note方法自定義參數(shù)進行儲水補償，見式（1）。該方法假設(shè)匯水面積沿管道長度線性分布，不論真實的管網(wǎng)如何連接，都相當于均勻地將屋面/路面徑流通過連接管連接到模型管道。

（4）管道儲量調(diào)蓄：由于管網(wǎng)模型未完全涵蓋雨水箅、連接支管和社區(qū)內(nèi)部雨水管道，若不考慮這部分管道及井深具有的儲水容量調(diào)蓄，則會高估管道超載，洪災的發(fā)生頻率，不能真正反映排水系統(tǒng)的儲量。研究采用InfoWorks CS的WaPUG User Note方法自定義參數(shù)進行儲水補償，見式（1）。該方法假設(shè)匯水面積沿管道長度線性分布，不論真實的管網(wǎng)如何連接，都相當于均勻地將屋面/路面徑流通過連接管連接到模型管道。

式中：X為建筑物到模型管道的平均連接管長度；A為匯水面積；L為模型管道長度。

1.2模型率定驗證

模型率定驗證基本方法為：根據(jù)模型的計算值與實測值之間的擬合偏差特點，對模型參數(shù)進行率定，直到計算值與實測值擬合度滿足要求，此時的模型參數(shù)符合管網(wǎng)現(xiàn)狀情況。再通過模型對不同雨情驗證，確定模型的可靠性。

根據(jù)《英國排水系統(tǒng)水力模型工程師執(zhí)業(yè)規(guī)范》要求，排水模型至少需執(zhí)行2個流量日的修正，其中1天數(shù)據(jù)可用于模型調(diào)整，另1天數(shù)據(jù)用于模型驗證。對于實測數(shù)據(jù)和模型計算數(shù)據(jù)，2套曲線在形狀和數(shù)值上都應相互擬合，同時滿足總流量數(shù)值偏差與峰值流量數(shù)值偏差均在±10%以內(nèi)。在本次研究中，研究人員分別采集了梅隴、長橋和羅秀等3座泵站的總排放量和集水池水位數(shù)據(jù)，先通過對比2套曲線的擬合度、分析數(shù)據(jù)的誤差值來調(diào)整參數(shù)，以減少模型誤差，直至模型計算值與實測值間偏差滿足允許誤差要求。確定參數(shù)后，再對歷史降雨數(shù)據(jù)進行驗證，以保證模型的應用精度和實用價值。

（1）模型率定驗證資料：確定模型參數(shù)后，以SCADA數(shù)據(jù)作為模型的率定驗證數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以5 min為數(shù)據(jù)頻率，選取集水池水位、降雨強度、開泵情況等數(shù)據(jù)，輔以地區(qū)的積水歷史信息和現(xiàn)場采訪信息，進行模型的率定與驗證。

（2）率定驗證成果：率定驗證以梅隴、長橋、羅秀三座防汛泵站的總體排放量作為率定水量的指標。以降雨日實際降雨過程、基礎(chǔ)旱流作為輸入條件。通過調(diào)整模型參數(shù)，使模型反映系統(tǒng)實際特性。率定結(jié)果系統(tǒng)水量總體誤差在-9.98%～6.7%，滿足建模導則的率定標準，達到率定要求，水量上基本反映系統(tǒng)總體產(chǎn)匯流響應情況。進行水位率定時，以三個泵站的前池水位實測數(shù)據(jù)作為率定指標。前池水位受水泵啟閉運行變動影響大，為此，模型設(shè)置為按照各泵站水泵運行的實際歷史記錄控制水泵開停。率定的泵站前池水位過程線見下圖，模擬結(jié)果基本符合系統(tǒng)水位變化的實際情況。

2　評估與優(yōu)化

本節(jié)通過對多個重現(xiàn)期的設(shè)計降雨進行了模擬分析，評估試點區(qū)域內(nèi)排水系統(tǒng)的實際排水能力，為防汛調(diào)度提供更加科學的輔助決策。

2.1系統(tǒng)評估

由于排水系統(tǒng)是按1 a一遇設(shè)計，但其實際所能承受的降雨并不完全相應。為此，本研究將評估系統(tǒng)在不同降雨下的運行情況，把握系統(tǒng)實際排放的能力。

（1）1 a一遇降雨

根據(jù)排水公司現(xiàn)行運行方案，在1 a一遇降雨情況下，排水系統(tǒng)模擬的結(jié)果見圖2。

圖2　研究區(qū)域1 a一遇降雨模擬圖

可見，在1 a一遇降雨下，羅秀、長橋和植物園的上游部分發(fā)生積水，主要集中在百色路、平福路、喜泰支路。對1 a一遇暴雨下泵站運行情況的分析發(fā)現(xiàn)：梅隴泵站最多開6臺流量1.5 m3/s的泵的5臺；羅秀最多開2臺流量2.5 m3/s中的1臺泵（目前配置僅2臺，規(guī)劃配置為4臺）；長橋泵站最大開6臺流量2.3 m3/s泵的4臺?？梢?，對1 a一遇的降雨，泵站尚有一定富余能力。而上述路段仍發(fā)生積水現(xiàn)象，說明這些地點現(xiàn)狀管網(wǎng)的排水能力尚顯不足。各泵站具有進一步降低現(xiàn)狀運行防汛水位的潛力來更好的保證服務(wù)區(qū)域的防汛安全。羅秀泵站尚未達到規(guī)劃配泵能力，由于羅秀路管道的連通作用導致長橋泵站分擔了羅秀系統(tǒng)部分水量，各個泵站的利用需要合理優(yōu)化。

（2）超頻率降雨

通過對超頻率降雨模擬，可快速、準確地預測積水淹沒范圍、積退水時間，從而為指導排水工程調(diào)度運行發(fā)揮科學決策作用。圖3和圖4分別為現(xiàn)狀管網(wǎng)遭遇2 a一遇和3 a一遇暴雨情況的模擬積水圖。

圖3　2 a一遇暴雨積水圖

圖4　3 a一遇暴雨積水圖

可見，在超頻率暴雨的情況下，發(fā)生積水的范圍和深度明顯增加。表1對積水范圍的統(tǒng)計結(jié)果表明，2 a一遇暴雨下發(fā)生積水的范圍比1 a一遇暴雨下的積水范圍增大66.3%，在3 a一遇暴雨下積水范圍增大162.2%。

上述分析表明，當前管網(wǎng)防汛能力尚顯薄弱，急需將管網(wǎng)排水能力提高至設(shè)計標準1 a一遇，同時通過一定措施減輕系統(tǒng)在超頻暴雨下的積水災害。

表1　不同重現(xiàn)期設(shè)計暴雨下試點區(qū)域積水范圍對比

2.2優(yōu)化方案

由于研究區(qū)域內(nèi)的三座泵站都為分流制的雨水泵站，但系統(tǒng)內(nèi)存在一定程度的雨污混接，原運行方案兼顧了水環(huán)境安全與防汛安全。對現(xiàn)狀運行的評估表明相關(guān)泵站的防汛控制水位相對較高，這有利于控制放江污染。但在大雨期間仍有進一步降低水位，增大系統(tǒng)調(diào)蓄的潛力。

現(xiàn)擬將梅隴泵站的開泵水位由3.8 m調(diào)整到0.3 m，停泵水位由1.2 m調(diào)整到-1.3 m；將長橋泵站的開泵水位由2.4 m調(diào)整到0.1 m，停泵水位由-1.3 m調(diào)整到-2.0 m；同時將羅秀泵站的開泵水位由2.5 m調(diào)整到-0.4 m，停泵水位由-1.2 m調(diào)整到-2.0 m。調(diào)整情況見表2。

表2　相關(guān)泵站開停泵水位調(diào)整情況

2.3優(yōu)化成效

根據(jù)優(yōu)化方案進行系統(tǒng)模擬后，研究區(qū)域內(nèi)不同暴雨重現(xiàn)期條件下的積水面積均有所降低：設(shè)計標準內(nèi)減少系統(tǒng)暴雨積水面積14.7%，在超標降雨下也可減少積水面積4.3%～6.0%。具體改善情況見表3。

表3　優(yōu)化運行水位對積水的改善效果

優(yōu)化方案不僅減少了積水面積，對降低積水深度、加快退水時間具有一定效果。對系統(tǒng)中代表性積水點進行的研究表明，設(shè)計標準內(nèi)優(yōu)化方案可降低積水深度0.04 m，退水時間可縮短約18 min（按積水深度不小于10 cm計），總體改善效果較為可觀；在超標降雨下也可降低積水深度0.002～0.01 m，縮短退水時間6～12 min（按積水深度不小于10 cm計），具有一定的改善效果。

3　結(jié)論與建議

（1）研究以長橋地區(qū)排水系統(tǒng)為對象，運用InfoWorks CS軟件成功建立了該地區(qū)的水力模型，挑選歷史降雨事件對模型進行率定驗證。結(jié)果表明，模擬值與實測值的相對誤差符合英國水力建模規(guī)范的率定標準，模擬結(jié)果符合實際，能夠反映研究區(qū)域的實際水力運行過程。

（2）經(jīng)過評估，長橋地區(qū)排水系統(tǒng)在現(xiàn)行運行方案下，基本可以應對1 a一遇暴雨，雖然相關(guān)泵站尚有一定富余能力，但地區(qū)內(nèi)管網(wǎng)能力尚顯不足。因此當面臨強度更大的降雨時，系統(tǒng)能力將無法滿足防汛安全的需求。

（3）合理地運行水位對平衡水環(huán)境與防汛安全關(guān)系非常重要。長橋地區(qū)在采取運行調(diào)控優(yōu)化措施后，積水情況得到相應改善，尤其在應對1 a一遇設(shè)計降雨時，研究區(qū)域內(nèi)積水面積從0.30 km2減少到0.25 km2，同時積水深度與退水時間均相對減少，取得了較好的效果。

（4）由于研究區(qū)域為分流制地區(qū)，但存在一定的雨污混接現(xiàn)象，建議日常旱季和中小雨時按原高水位運行模式，以實現(xiàn)泵站的節(jié)能降耗和環(huán)境保護目標；在大到暴雨期間以排水安全為主，適當降低泵站的控制水位，進一步提高防汛能力，減少暴雨對地區(qū)內(nèi)的積水影響。

[1]譚瓊,張建頻,時珍寶.排水實時模型在上海防汛中的示范應用[J].中國市政工程.2013(10):118-120.

[2]王競茵,張朝升,榮宏偉,等.水力模型在城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中的應用[J].環(huán)境科學與技術(shù).2014(7):173-176.

[3]陳吉寧,趙冬泉,等.城市排水管網(wǎng)數(shù)字化管理理論與應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[4]耿為民,李劍.計算機在城市排水管網(wǎng)設(shè)計中的應用[J].城市道橋與防洪,2002(3):64-67.

TU992.03

A

1009-7716（2016）02-0119-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.032

2015-10-28

上海市城市建設(shè)投資總公司科研項目（2012）《上海市重點區(qū)域排水防汛實時預警系統(tǒng)研究》

高磊（1983-），女，上海人，工程師，從事環(huán)境科學、城市排水方面研究工作。