基于水力模型的智慧排水工程設(shè)計與應(yīng)用

羅賢偉

(上海市政工程設(shè)計研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092)

隨著我國城鎮(zhèn)化的進(jìn)程加快，城市規(guī)模急劇增大，給城市排水、管網(wǎng)等管理工作帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，隨之智慧城市建設(shè)應(yīng)運而生，智慧排水是智慧城市的重要組成部分。智慧排水借助“SCADA+GIS+MIS”整合模式，實現(xiàn)對廠、站、網(wǎng)在線監(jiān)測設(shè)備的智能感知、積水模擬預(yù)測、優(yōu)化調(diào)度及運行評估，為城市防汛排水及調(diào)度提供了豐富的分析數(shù)據(jù)，為排水管理實現(xiàn)智慧化奠定了夯實的基礎(chǔ)[1-4]。

1 智慧排水的需求

1.1 智慧排水系統(tǒng)存在的問題

智慧排水在排水企業(yè)中已經(jīng)伴隨著智慧城市的步伐在如火如荼地進(jìn)行，其目的是要解決排水運行過程的實際問題，為排水管理排憂解難。存在的關(guān)鍵問題主要有4個方面：(1)對于廠站網(wǎng)缺乏集中監(jiān)管的有效手段；(2)對于管網(wǎng)泵站評估與分析缺乏科學(xué)依據(jù)；(3)對于多廠站的跨地域管理缺乏科學(xué)調(diào)度；(4)建立排水模型需要具備什么條件，要針對哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理及匯總。

1.2 智慧排水管理的建設(shè)需求

智慧排水以城市排水管理信息化為核心，以新一代信息技術(shù)(如云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等)和水力模型理論為基礎(chǔ)，對城鎮(zhèn)區(qū)域范圍內(nèi)排水過程進(jìn)行最優(yōu)化管理，輔助企業(yè)管理者提升整體運營管理水平及調(diào)度決策能力。基于智慧排水的設(shè)計理念和系統(tǒng)應(yīng)用落地，需要實現(xiàn)4個方面的基本需求：(1)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知需求；(2)基于排水模型的綜合分析和管理需求；(3)基于排水模型的泵站調(diào)度需求；(4)基于排水模型的智慧排水系統(tǒng)需求。

1.3 智慧排水應(yīng)用達(dá)到的效果

通過構(gòu)建“一網(wǎng)一平臺”智慧排水，實現(xiàn)“全面感知、預(yù)警分析、科學(xué)評估、優(yōu)化調(diào)度”，進(jìn)而實現(xiàn)各類資源的全面共享與跨部門跨層級的業(yè)務(wù)協(xié)同，持續(xù)提升排水綜合管理能力，實現(xiàn)排水管理、服務(wù)、決策更加科學(xué)、精細(xì)和智慧，提升企業(yè)整體運營管控能力和水平。達(dá)到的效果：(1)增強了排水公司集約化監(jiān)管能力；(2)為城市防汛積水預(yù)警及分析提供科學(xué)依據(jù)；(3)為城市排水管網(wǎng)及泵站調(diào)度提高了決策支持能力。

2 智慧排水總體設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

運用國內(nèi)外成熟、先進(jìn)的水力模型及計算機技術(shù)，把握信息化發(fā)展的大趨勢，結(jié)合城市排水實際情況、特點、使用需求及對未來發(fā)展的要求，系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)遵循先進(jìn)性、實用性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性、開放性、安全性、穩(wěn)定性、擴展性等原則。

2.2 總體應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計

智慧排水平臺總體框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計圖Fig.1 Architecture Design of Overall Application

2.3 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

城市排水公司具有完善的內(nèi)外網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，智慧排水系統(tǒng)作為公司層面的調(diào)度指揮中心平臺，數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)器等建設(shè)在公司機房內(nèi)，具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。污水處理廠、泵站與公司之間均建立VPN通訊鏈路；管網(wǎng)流量計、液位計，河道液位計均通過無線方式通訊；通過Internet獲取氣象部門發(fā)布雨量數(shù)據(jù)。

圖2 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計圖Fig.2 Architecture Design of Overall Network

3 排水管網(wǎng)水力模型核心應(yīng)用功能

智慧排水系統(tǒng)通過建立區(qū)域排水管網(wǎng)系統(tǒng)離線和在線水力學(xué)模型，幫助管理人員對排水系統(tǒng)中的薄弱區(qū)域進(jìn)行判斷，指導(dǎo)應(yīng)急調(diào)度，實時提供運行預(yù)警，優(yōu)化調(diào)度策略，為防汛調(diào)度提供決策支持。該模型系統(tǒng)為智慧排水提供以下核心應(yīng)用功能支撐。

3.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)檢查

根據(jù)已經(jīng)整理好的管網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)和管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)對管網(wǎng)進(jìn)行初步建模，通常會有大量的拓?fù)潢P(guān)系錯誤和其他數(shù)據(jù)錯誤。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)校驗的同時，可以找到GIS的輸入錯誤信息。通過本階段的校驗，基本要求達(dá)到管線連接關(guān)系與實際相符。整理并出具管網(wǎng)補測數(shù)據(jù)清單表，以供管網(wǎng)勘測參考。

3.2 預(yù)案模擬分析

用戶根據(jù)實際需要自行配置不同情況(不同季節(jié)、不同污水管網(wǎng)負(fù)荷)的模擬預(yù)案，或者設(shè)定雨季時不同的降雨強度，分析某區(qū)域內(nèi)排水管網(wǎng)的運行狀態(tài)，可以讓管理者及時掌握管網(wǎng)中的各種狀態(tài)，如流量和流速等。根據(jù)模擬分析，能夠評估排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀，分析發(fā)現(xiàn)排水管網(wǎng)運行過程中存在的問題，輔助排水調(diào)度。

3.3 管網(wǎng)工況分析

系統(tǒng)針對不同降雨期間、用水最高時、事故時等用水工況進(jìn)行水力計算和工況校核分析，通過排水管網(wǎng)水力模型計算，分析現(xiàn)有城市排水系統(tǒng)的工況，為排水企業(yè)找出潛在的缺陷問題，以及對高風(fēng)險管段提出規(guī)劃改造建議。

對高負(fù)荷水量下的工況進(jìn)行深入模擬分析，模擬泵站突發(fā)停機、合流管網(wǎng)降雨溢流、排水管網(wǎng)溢流等工況下可能會出現(xiàn)的問題，針對排水管網(wǎng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行原因分析，為應(yīng)急措施提供決策依據(jù)。

3.4 城市積水分析

在線模型通過與SCADA系統(tǒng)對接，采集降雨實時數(shù)據(jù)，模擬未來發(fā)生積水的橋區(qū)或敏感點，預(yù)測某地點積水發(fā)生的時間，大大提升城市防汛預(yù)測能力和防汛應(yīng)急處置水平。

系統(tǒng)具有氣象數(shù)據(jù)接口和水力模型接口，可根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)氐谋┯陱姸裙剑嬎阌晷停缓蠼Y(jié)合區(qū)域排水水力模型，計算預(yù)測區(qū)域中敏感點處的積水情況，包括積水范圍、最大積水深度、消退時長等。為管理者進(jìn)行決策提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐，以便管理人員和決策人員及時、準(zhǔn)確地了解，并對現(xiàn)場進(jìn)行指揮調(diào)度。

3.5 排水能力評估

通過水力模型與GIS地理信息系統(tǒng)結(jié)合，展示模擬區(qū)域范圍的各種降雨情況影響，再結(jié)合已有污水泵站、雨水泵站、調(diào)蓄池及城市海綿設(shè)施進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，在一定時間范圍內(nèi)評估城市基礎(chǔ)排水設(shè)施的排水能力、效果及對區(qū)域防汛減輕的作用。

3.6 泵站運行評估

泵站運行評估分2種模式：單獨泵站運行評估和多級泵站運行評估。單獨泵站運行評估是指對所涉及建模區(qū)域內(nèi)每個單獨泵站水泵運行的能耗、水泵和前池的匹配情況進(jìn)行具體評估分析。多級泵站運行評估又叫多級泵站聯(lián)合調(diào)度評估，其目標(biāo)是弄清楚現(xiàn)狀多級泵站處理水量與運行規(guī)則之間的關(guān)系，為廠、站、網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度提供優(yōu)化運行與調(diào)度決策依據(jù)。

4 基于水力模型的智慧排水應(yīng)用

4.1 智慧排水門戶

智慧排水門戶是對外信息發(fā)布和瀏覽的窗口，集眾多信息于一體，實現(xiàn)一體化監(jiān)管，包括廠、站、網(wǎng)等實時數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，與水力模型系統(tǒng)集成，積水預(yù)警信息發(fā)布。智慧排水門戶以對企業(yè)繁多的系統(tǒng)進(jìn)行集成和通用為出發(fā)點，立足為統(tǒng)一化綜合管控提供有力的平臺，避免信息孤島，實現(xiàn)多源、多系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)共享的目標(biāo)。應(yīng)用單點登錄統(tǒng)一訪問技術(shù)、多框架集成技術(shù)，使得各個系統(tǒng)可以集中使用和統(tǒng)一管理，能夠有效防范風(fēng)險、優(yōu)化管理，減少企業(yè)IT維護(hù)成本，提升運營效益，為企業(yè)發(fā)展帶來較大的增值作用。

4.2 集中運行監(jiān)管

智慧排水一體化運行監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用集污水處理廠、泵站、管網(wǎng)、河道、雨量等廠、站、網(wǎng)全過程監(jiān)測數(shù)據(jù)于統(tǒng)一平臺，構(gòu)建各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的實時監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計報表、實時報警等運行監(jiān)視功能。實時反映廠、站、網(wǎng)的生產(chǎn)運行狀態(tài)，實現(xiàn)集約化實時動態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視，輔助管理者全面掌握排水運行情況，為智慧排水聯(lián)合調(diào)度提供基礎(chǔ)的一體化監(jiān)視功能。一目了然地了解排水風(fēng)險點，優(yōu)先處理風(fēng)險等級高的問題，有利于資源的調(diào)配，同時，也利用智慧排水系統(tǒng)輔助實現(xiàn)了多廠站、跨地域、精準(zhǔn)化調(diào)度決策支持。

4.3 調(diào)度決策支持

(1) 管網(wǎng)流速與壓力評估

管網(wǎng)流速和管網(wǎng)壓力將通過不同顏色分別代表高風(fēng)險、中高風(fēng)險、中低風(fēng)險和低風(fēng)險類別，在GIS地圖上進(jìn)行直觀顯示。通過分析復(fù)雜管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、上下游之間的關(guān)系，幫助準(zhǔn)確掌握管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征。通過結(jié)合雨、污水排水現(xiàn)狀動態(tài)模擬，分析得出管網(wǎng)流速和管網(wǎng)壓力，能夠更全面反映排水管網(wǎng)的排水負(fù)荷現(xiàn)狀，分析出雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)和區(qū)域，為城市管網(wǎng)的規(guī)劃及改造提供決策支持。

(2) 溢流點分布

根據(jù)模型模擬的管道水動力結(jié)果，分析易發(fā)生污水溢流的節(jié)點，并在GIS地圖上以不同顏色代表不同風(fēng)險等級對管道進(jìn)行展示。

(3) 調(diào)度信息查詢

通過在GIS地圖上點擊任意模型要素能夠查詢?nèi)我夤?jié)點或管道的水位、流速等信息。通過排水管網(wǎng)水力模型計算，分析現(xiàn)有城市排水系統(tǒng)不同降雨期間、用水最高時、事故時等用水工況，實現(xiàn)工況信息查詢。

(4) 動態(tài)模擬

系統(tǒng)根據(jù)實際需要自行配置不同情況的模擬預(yù)案，動態(tài)模擬管網(wǎng)中的流量和流速，評估排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀，分析發(fā)現(xiàn)排水管網(wǎng)運行過程中存在的問題，輔助排水調(diào)度。

4.4 泵站優(yōu)化調(diào)度

獲取排水管網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，預(yù)測未來某時段內(nèi)的運行情況。根據(jù)不同工況進(jìn)行模擬分析，得出泵站運行結(jié)果，輔助調(diào)度決策，可提高對單級泵站或多級泵站聯(lián)合調(diào)度、合理調(diào)度的優(yōu)化決策能力，也增強了風(fēng)險控制能力。

4.5 水力模型集成

水力模型軟件需要結(jié)合信息化平臺對模型結(jié)果進(jìn)行直觀性展示，以起到對日常工作的決策支持與調(diào)度指揮作用。基于排水公司實施了管網(wǎng)水動力學(xué)模型系統(tǒng)，可最大限度地實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的共享性。

通過對應(yīng)用在GIS地圖上展示排水管網(wǎng)水力學(xué)模型的計算結(jié)果進(jìn)行分析，動態(tài)模擬管網(wǎng)運行狀況，實現(xiàn)對城市排水系統(tǒng)的科學(xué)管理、預(yù)測分析。排水管網(wǎng)模型集成設(shè)計與應(yīng)用邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 排水管網(wǎng)模型集成設(shè)計與應(yīng)用圖Fig.3 Integrated Design and Application Diagram of Drainage Network Model

4.6 調(diào)度方案管理

基于方案管理理念，通過方案管理的模式對系統(tǒng)中涉及到的各類型(離線、在線)、各時段模型進(jìn)行管理，為用戶提供一系列模型編輯、計算和結(jié)果展示評估功能。系統(tǒng)基于方案庫的概念構(gòu)建方案體系，用戶系統(tǒng)中所研究的模型方案均可由這一系列模型模板派生而來。

使用方案管理模式，并基于水力模型的技術(shù)，使得系統(tǒng)能夠較容易搭建各類模型，并按照相應(yīng)的需求對模型進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，快速做出符合要求的模型文件。系統(tǒng)能夠模擬展示某個時間段內(nèi)(如連續(xù)幾個小時或1 d)降水的動態(tài)變化過程，通過選擇不同時間段對不同顏色代表的降水情況進(jìn)行模擬動畫播放。

4.7 排水調(diào)度預(yù)警

結(jié)合泵站、管網(wǎng)及雨量計的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，針對某個敏感點，如A橋區(qū)，根據(jù)模型模擬可預(yù)測該區(qū)域是否積水、積水面積、積水深度等情況，并發(fā)布預(yù)警信息。根據(jù)預(yù)警情況區(qū)分嚴(yán)重程度，形成態(tài)勢分析圖，為防汛排水調(diào)度提供決策支持，從而輔助決策人員根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)提出應(yīng)對預(yù)案。

4.8 排水智能感知

智能感知為智慧排水保駕護(hù)航，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息集成和智能感知的水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知平臺。

從污水處理廠、泵站、管網(wǎng)、河道、雨量等監(jiān)測設(shè)備、儀表中采集實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、集成視頻，實現(xiàn)采集與集成方式統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化、共享化。通過建立數(shù)據(jù)生命周期管理機制，結(jié)合智慧排水系統(tǒng)平臺應(yīng)用，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)匯聚、共享交換及集成服務(wù)平臺，確保智能感知數(shù)據(jù)的實時性、安全性、準(zhǔn)確性、完好性及穩(wěn)定性，為智慧排水提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)保障。

4.9 智慧移動應(yīng)用

移動應(yīng)用系統(tǒng)采用嵌入式GIS、空間分析、無線通信等技術(shù)，通過移動手持終端實現(xiàn)城市防汛應(yīng)急信息發(fā)布、查詢、反饋以及應(yīng)急指揮互動，為城市防汛應(yīng)急一體化、實時化、精確化提供強有力的信息技術(shù)保障。實現(xiàn)的應(yīng)用功能主要包括：GIS輔助查詢、天氣信息預(yù)報、實時監(jiān)視、報警信息、即時通信工具、輔助綜合指揮信息服務(wù)。

5 項目應(yīng)用實例

(1)建模示范區(qū)域范圍

N城市正在建設(shè)基于水力模型的智慧排水系統(tǒng)，排水管網(wǎng)模型研究區(qū)域包括2座污水處理廠服務(wù)區(qū)域，總面積約為90 km2，包括40座雨、污水泵站。研究區(qū)域內(nèi)排水管網(wǎng)為雨污分流制管網(wǎng)，污水經(jīng)提升泵站最終進(jìn)入污水處理廠，雨水就近排河或排江。

(2)遇到的問題及應(yīng)對策略

智慧排水系統(tǒng)建設(shè)過程中管網(wǎng)存在2種主要問題：管網(wǎng)流向不明確、建模示范區(qū)相關(guān)管網(wǎng)數(shù)據(jù)缺失或不明確。由于管網(wǎng)年代久遠(yuǎn)，無CAD圖紙資料，部分管線概化處理，最終會影響管網(wǎng)建模的精準(zhǔn)性及實施的整體效果，因此，對本項目提出建立1～2個典型示范點進(jìn)行建模。方案策略為建立平臺+示范點：一是建立基于水力模型的完整智慧排水平臺，保障系統(tǒng)功能完整性；二是選定2個易澇的橋區(qū)示范點，且要求本區(qū)域范圍的管網(wǎng)、泵站、液位監(jiān)測等資料相對齊全。根據(jù)排水管網(wǎng)水力模型建模需要對這2個典型示范點所需的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行勘測，以達(dá)到建模的要求。

(3)項目建設(shè)成效

N城市智慧排水項目基于示范區(qū)模型及示范點建設(shè)主要建設(shè)成效包括離線模型應(yīng)用、在線模型應(yīng)用及智慧排水應(yīng)用。

離線模型應(yīng)用：使用示范區(qū)管網(wǎng)離線模型評估管網(wǎng)現(xiàn)狀，分析不同工況下管網(wǎng)負(fù)荷、泵站運行情況，優(yōu)化泵站調(diào)度，并運用離線模型分析不同降雨條件下排水系統(tǒng)負(fù)荷及預(yù)測積水。根據(jù)模型實現(xiàn)示范區(qū)域管網(wǎng)現(xiàn)狀評估、預(yù)案分析及優(yōu)化調(diào)度方案。

在線模型應(yīng)用：以率定后的離線模型、氣象資料、實測雨量、水位及水泵啟閉等相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)在線模擬、在線預(yù)測預(yù)報功能。運用模型分析排水系統(tǒng)內(nèi)易積水區(qū)域、積水原因、預(yù)測給定雨量、雨型強度等條件下的積水區(qū)位置分布、積退水過程等，為防汛提供事先積水深度、積水信息預(yù)警，為汛期突發(fā)事件提供實時調(diào)度策略。

智慧排水應(yīng)用：模型結(jié)果輸出，并能與智慧排水系統(tǒng)集成，實現(xiàn)集中運行監(jiān)視、調(diào)度決策支持、泵站優(yōu)化調(diào)度、調(diào)度方案、排水調(diào)度預(yù)警及移動應(yīng)用功能，為城市排水防汛實時化、精確化提供強有力的信息技術(shù)保障。

6 結(jié)論與展望

城市排水管網(wǎng)復(fù)雜，存在部分雨、污水管混接。城市高速發(fā)展，城市水文、用地條件的改變和氣候變化，帶來很大的雨洪壓力。排水系統(tǒng)如何與城市形象協(xié)調(diào)，建立智慧排水城市，會面臨不少的挑戰(zhàn)，多級泵站的合理調(diào)度在其中起著重要作用。

本文總結(jié)了基于水力模型的智慧排水設(shè)計與應(yīng)用，借助信息技術(shù)、GIS技術(shù)及模型仿真技術(shù)，實現(xiàn)對排水管網(wǎng)運行狀態(tài)隨時、隨地監(jiān)控和科學(xué)評估，建立了一套完善的定量化決策支持系統(tǒng)，并結(jié)合水力模型計算結(jié)果，實現(xiàn)排水管網(wǎng)過程的模擬仿真，提升排水行業(yè)的運營管理水平，從而達(dá)到優(yōu)化調(diào)度、節(jié)能減排的目的。未來可結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，挖掘出排水系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，輔助管網(wǎng)改擴建設(shè)計，加強排水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性運行。