分流制排水系統(tǒng)中水力模型對(duì)運(yùn)行方案的優(yōu)化

高 磊，朱 弋，潘 煒，黃堅(jiān)萍，王 輝，張留瓅

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

分流制排水系統(tǒng)中水力模型對(duì)運(yùn)行方案的優(yōu)化

高 磊，朱 弋，潘 煒，黃堅(jiān)萍，王 輝，張留瓅

（上海市城市排水有限公司排水設(shè)計(jì)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(zāi)效益，運(yùn)用排水系統(tǒng)水力模型科學(xué)評(píng)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(jì)降雨時(shí)該地區(qū)積水點(diǎn)的積水面積、積水深度、退水時(shí)間，結(jié)合降雨過程強(qiáng)度、泵站運(yùn)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(duì)城市排水系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力提出了新的要求[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及同時(shí)期排水模式由強(qiáng)排式向生態(tài)式的轉(zhuǎn)變，城市排水對(duì)暴雨雨水的管理變得越來越細(xì)致，對(duì)徑流過程的模擬和預(yù)測也提出了更精確的要求。

自20世紀(jì)60年代起，水力模型以其低廉的運(yùn)行成本和龐大的計(jì)算能力承擔(dān)起降雨事件的分析、模擬、預(yù)測工作。時(shí)至今日，水力模型的應(yīng)用早已成為城市防汛指揮科學(xué)可靠、行之有效的方法之一，在排水管道設(shè)計(jì)優(yōu)化、已建排水設(shè)施評(píng)估、排水系統(tǒng)運(yùn)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(duì)上海市中心的分流制系統(tǒng)長橋地區(qū)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)水力模型模擬，在此基礎(chǔ)上提出一項(xiàng)非工程排水系統(tǒng)調(diào)控優(yōu)化方案，并評(píng)估了其在減少積水面積、積水深度和退水時(shí)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(gè)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(jì)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?dāng)?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(duì)示范區(qū)管道、檢查井、泵站等排水設(shè)施要素進(jìn)行了收集、梳理及分析。應(yīng)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(tái)水泵，并在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行建模。研究人員校驗(yàn)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(duì)存疑的數(shù)據(jù)進(jìn)行了現(xiàn)場勘測、修正完善等復(fù)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(duì)各個(gè)區(qū)域的功能和紅線范圍進(jìn)行集水區(qū)劃分，并且根據(jù)市政雨水管道的接入點(diǎn)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(jìn)行地面徑流模擬，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)水流量過程線進(jìn)行模擬計(jì)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(duì)各集水區(qū)內(nèi)的徑流表面和徑流表面參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

（3）水力數(shù)學(xué)模型：根據(jù)研究區(qū)域排水系統(tǒng)的用地性質(zhì)和特點(diǎn)，對(duì)InfoWorks CS軟件提供的產(chǎn)匯流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較，最終確定對(duì)不同研究區(qū)域選用了一致的水力數(shù)學(xué)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(jì)算模型采用圣·維南方程組。

（4）管道儲(chǔ)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(chǔ)水容量調(diào)蓄，則會(huì)高估管道超載，洪災(zāi)的發(fā)生頻率，不能真正反映排水系統(tǒng)的儲(chǔ)量。研究采用InfoWorks CS的WaPUG User Note方法自定義參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)水補(bǔ)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(shí)的管網(wǎng)如何連接，都相當(dāng)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(chǔ)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(chǔ)水容量調(diào)蓄，則會(huì)高估管道超載，洪災(zāi)的發(fā)生頻率，不能真正反映排水系統(tǒng)的儲(chǔ)量。研究采用InfoWorks CS的WaPUG User Note方法自定義參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)水補(bǔ)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(shí)的管網(wǎng)如何連接，都相當(dāng)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(yàn)證

模型率定驗(yàn)證基本方法為：根據(jù)模型的計(jì)算值與實(shí)測值之間的擬合偏差特點(diǎn)，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，直到計(jì)算值與實(shí)測值擬合度滿足要求，此時(shí)的模型參數(shù)符合管網(wǎng)現(xiàn)狀情況。再通過模型對(duì)不同雨情驗(yàn)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(gè)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(yàn)證。對(duì)于實(shí)測數(shù)據(jù)和模型計(jì)算數(shù)據(jù)，2套曲線在形狀和數(shù)值上都應(yīng)相互擬合，同時(shí)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(duì)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(jì)算值與實(shí)測值間偏差滿足允許誤差要求。確定參數(shù)后，再對(duì)歷史降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以保證模型的應(yīng)用精度和實(shí)用價(jià)值。

（1）模型率定驗(yàn)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(yàn)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(qiáng)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(jìn)行模型的率定與驗(yàn)證。

（2）率定驗(yàn)證成果：率定驗(yàn)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(biāo)。以降雨日實(shí)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(shí)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(dǎo)則的率定標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到率定要求，水量上基本反映系統(tǒng)總體產(chǎn)匯流響應(yīng)情況。進(jìn)行水位率定時(shí)，以三個(gè)泵站的前池水位實(shí)測數(shù)據(jù)作為率定指標(biāo)。前池水位受水泵啟閉運(yùn)行變動(dòng)影響大，為此，模型設(shè)置為按照各泵站水泵運(yùn)行的實(shí)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(shí)際情況。

2　評(píng)估與優(yōu)化

本節(jié)通過對(duì)多個(gè)重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)降雨進(jìn)行了模擬分析，評(píng)估試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)排水系統(tǒng)的實(shí)際排水能力，為防汛調(diào)度提供更加科學(xué)的輔助決策。

2.1系統(tǒng)評(píng)估

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

（1）1 a一遇降雨

根據(jù)排水公司現(xiàn)行運(yùn)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(duì)1 a一遇暴雨下泵站運(yùn)行情況的分析發(fā)現(xiàn)：梅隴泵站最多開6臺(tái)流量1.5 m3/s的泵的5臺(tái)；羅秀最多開2臺(tái)流量2.5 m3/s中的1臺(tái)泵（目前配置僅2臺(tái)，規(guī)劃配置為4臺(tái)）；長橋泵站最大開6臺(tái)流量2.3 m3/s泵的4臺(tái)?？梢?，對(duì)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(diǎn)現(xiàn)狀管網(wǎng)的排水能力尚顯不足。各泵站具有進(jìn)一步降低現(xiàn)狀運(yùn)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(dá)到規(guī)劃配泵能力，由于羅秀路管道的連通作用導(dǎo)致長橋泵站分擔(dān)了羅秀系統(tǒng)部分水量，各個(gè)泵站的利用需要合理優(yōu)化。

（2）超頻率降雨

通過對(duì)超頻率降雨模擬，可快速、準(zhǔn)確地預(yù)測積水淹沒范圍、積退水時(shí)間，從而為指導(dǎo)排水工程調(diào)度運(yùn)行發(fā)揮科學(xué)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(duì)積水范圍的統(tǒng)計(jì)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(dāng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)1 a一遇，同時(shí)通過一定措施減輕系統(tǒng)在超頻暴雨下的積水災(zāi)害。

表1　不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨下試點(diǎn)區(qū)域積水范圍對(duì)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(yùn)行方案兼顧了水環(huán)境安全與防汛安全。對(duì)現(xiàn)狀運(yùn)行的評(píng)估表明相關(guān)泵站的防汛控制水位相對(duì)較高，這有利于控制放江污染。但在大雨期間仍有進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)減少系統(tǒng)暴雨積水面積14.7%，在超標(biāo)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(yùn)行水位對(duì)積水的改善效果

優(yōu)化方案不僅減少了積水面積，對(duì)降低積水深度、加快退水時(shí)間具有一定效果。對(duì)系統(tǒng)中代表性積水點(diǎn)進(jìn)行的研究表明，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)優(yōu)化方案可降低積水深度0.04 m，退水時(shí)間可縮短約18 min（按積水深度不小于10 cm計(jì)），總體改善效果較為可觀；在超標(biāo)降雨下也可降低積水深度0.002～0.01 m，縮短退水時(shí)間6～12 min（按積水深度不小于10 cm計(jì)），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(duì)象，運(yùn)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(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證。結(jié)果表明，模擬值與實(shí)測值的相對(duì)誤差符合英國水力建模規(guī)范的率定標(biāo)準(zhǔn)，模擬結(jié)果符合實(shí)際，能夠反映研究區(qū)域的實(shí)際水力運(yùn)行過程。

（2）經(jīng)過評(píng)估，長橋地區(qū)排水系統(tǒng)在現(xiàn)行運(yùn)行方案下，基本可以應(yīng)對(duì)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(dāng)面臨強(qiáng)度更大的降雨時(shí)，系統(tǒng)能力將無法滿足防汛安全的需求。

（3）合理地運(yùn)行水位對(duì)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(yùn)行調(diào)控優(yōu)化措施后，積水情況得到相應(yīng)改善，尤其在應(yīng)對(duì)1 a一遇設(shè)計(jì)降雨時(shí)，研究區(qū)域內(nèi)積水面積從0.30 km2減少到0.25 km2，同時(shí)積水深度與退水時(shí)間均相對(duì)減少，取得了較好的效果。

（4）由于研究區(qū)域?yàn)榉至髦频貐^(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(shí)按原高水位運(yùn)行模式，以實(shí)現(xiàn)泵站的節(jié)能降耗和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)；在大到暴雨期間以排水安全為主，適當(dāng)降低泵站的控制水位，進(jìn)一步提高防汛能力，減少暴雨對(duì)地區(qū)內(nèi)的積水影響。

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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(xiàng)目（2012）《上海市重點(diǎn)區(qū)域排水防汛實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)研究》

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