分流制排水系統中水力模型對運行方案的優化

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計研究分公司，上海市 200090）

分流制排水系統中水力模型對運行方案的優化

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計研究分公司，上海市 200090）

為更好發揮排水設施的防汛減災效益，運用排水系統水力模型科學評估了上海中心城區分流制系統長橋區域排水系統的防汛安全現狀調控方案。通過分析1 a一遇、2 a一遇和3 a一遇設計降雨時該地區積水點的積水面積、積水深度、退水時間，結合降雨過程強度、泵站運行等相關要素，提出該地區排水系統優化方案，并模擬分析優化調控后的防汛效果。

水力模型；排水系統；積水模擬；優化

0　引言

現代化城市由于開發程度高、建筑密度大、以及地下空間的大幅開發，對城市排水系統的抗風險能力提出了新的要求[1]。隨著計算機技術的蓬勃發展，以及同時期排水模式由強排式向生態式的轉變，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，在排水管道設計優化、已建排水設施評估、排水系統運行優化等方面，水力模型都起到了不可替代的作用[2～4]。上海在排水系統水力模型研究方面已有多年的研究基礎。本文將介紹利用InfoWorks CS軟件對上海市中心的分流制系統長橋地區進行的動態水力模型模擬，在此基礎上提出一項非工程排水系統調控優化方案，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化效果。

1　概述與建模

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

1.1模型建立

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

圖1　研究區域管線圖

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

（3）水力數學模型：根據研究區域排水系統的用地性質和特點，對InfoWorks CS軟件提供的產匯流數學模型進行比較，最終確定對不同研究區域選用了一致的水力數學模型：不透水表面的產流模型采用固定徑流系數模型（Fixed PR Model）；透水表面的產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）管道儲量調蓄：由于管網模型未完全涵蓋雨水箅、連接支管和社區內部雨水管道，若不考慮這部分管道及井深具有的儲水容量調蓄，則會高估管道超載，洪災的發生頻率，不能真正反映排水系統的儲量。研究采用InfoWorks CS的WaPUG User Note方法自定義參數進行儲水補償，見式（1）。該方法假設匯水面積沿管道長度線性分布，不論真實的管網如何連接，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）管道儲量調蓄：由于管網模型未完全涵蓋雨水箅、連接支管和社區內部雨水管道，若不考慮這部分管道及井深具有的儲水容量調蓄，則會高估管道超載，洪災的發生頻率，不能真正反映排水系統的儲量。研究采用InfoWorks CS的WaPUG User Note方法自定義參數進行儲水補償，見式（1）。該方法假設匯水面積沿管道長度線性分布，不論真實的管網如何連接，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：根據模型的計算值與實測值之間的擬合偏差特點，對模型參數進行率定，直到計算值與實測值擬合度滿足要求，此時的模型參數符合管網現狀情況。再通過模型對不同雨情驗證，確定模型的可靠性。

根據《英國排水系統水力模型工程師執業規范》要求，排水模型至少需執行2個流量日的修正，其中1天數據可用于模型調整，另1天數據用于模型驗證。對于實測數據和模型計算數據，2套曲線在形狀和數值上都應相互擬合，同時滿足總流量數值偏差與峰值流量數值偏差均在±10%以內。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據，先通過對比2套曲線的擬合度、分析數據的誤差值來調整參數，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。確定參數后，再對歷史降雨數據進行驗證，以保證模型的應用精度和實用價值。

（1）模型率定驗證資料：確定模型參數后，以SCADA數據作為模型的率定驗證數據基礎，以5 min為數據頻率，選取集水池水位、降雨強度、開泵情況等數據，輔以地區的積水歷史信息和現場采訪信息，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、基礎旱流作為輸入條件。通過調整模型參數，使模型反映系統實際特性。率定結果系統水量總體誤差在-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總體產匯流響應情況。進行水位率定時，以三個泵站的前池水位實測數據作為率定指標。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，模擬結果基本符合系統水位變化的實際情況。

2　評估與優化

本節通過對多個重現期的設計降雨進行了模擬分析，評估試點區域內排水系統的實際排水能力，為防汛調度提供更加科學的輔助決策。

2.1系統評估

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

（1）1 a一遇降雨

根據排水公司現行運行方案，在1 a一遇降雨情況下，排水系統模擬的結果見圖2。

圖2　研究區域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現：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。可見，對1 a一遇的降雨，泵站尚有一定富余能力。而上述路段仍發生積水現象，說明這些地點現狀管網的排水能力尚顯不足。各泵站具有進一步降低現狀運行防汛水位的潛力來更好的保證服務區域的防汛安全。羅秀泵站尚未達到規劃配泵能力，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部分水量，各個泵站的利用需要合理優化。

（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度運行發揮科學決策作用。圖3和圖4分別為現狀管網遭遇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，發生積水的范圍和深度明顯增加。表1對積水范圍的統計結果表明，2 a一遇暴雨下發生積水的范圍比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，當前管網防汛能力尚顯薄弱，急需將管網排水能力提高至設計標準1 a一遇，同時通過一定措施減輕系統在超頻暴雨下的積水災害。

表1　不同重現期設計暴雨下試點區域積水范圍對比

2.2優化方案

由于研究區域內的三座泵站都為分流制的雨水泵站，但系統內存在一定程度的雨污混接，原運行方案兼顧了水環境安全與防汛安全。對現狀運行的評估表明相關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，增大系統調蓄的潛力。

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

表2　相關泵站開停泵水位調整情況

2.3優化成效

根據優化方案進行系統模擬后，研究區域內不同暴雨重現期條件下的積水面積均有所降低：設計標準內減少系統暴雨積水面積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　優化運行水位對積水的改善效果

優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。對系統中代表性積水點進行的研究表明，設計標準內優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　結論與建議

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

（2）經過評估，長橋地區排水系統在現行運行方案下，基本可以應對1 a一遇暴雨，雖然相關泵站尚有一定富余能力，但地區內管網能力尚顯不足。因此當面臨強度更大的降雨時，系統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境與防汛安全關系非常重要。長橋地區在采取運行調控優化措施后，積水情況得到相應改善，尤其在應對1 a一遇設計降雨時，研究區域內積水面積從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）由于研究區域為分流制地區，但存在一定的雨污混接現象，建議日常旱季和中小雨時按原高水位運行模式，以實現泵站的節能降耗和環境保護目標；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，減少暴雨對地區內的積水影響。

[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規劃設計中的應用[J].環境科學與技術.2014(7):173-176.

[3]陳吉寧,趙冬泉,等.城市排水管網數字化管理理論與應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[4]耿為民,李劍.計算機在城市排水管網設計中的應用[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

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

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