《排水系統數學模型構建及應用標準》解讀

譚 瓊

(上海市水務規劃設計研究院,上海 200233)

《室外排水設計標準》等規范規定在排水管道設計中應引入排水系統模型進行設計校核[1-2]。水利部關于推進智慧水利建設的指導意見和實施方案指出,要加快構建具有預報、預警、預演、預案(簡稱“四預”)功能的智慧水利體系。上海市水務局出臺了《上海市水務海洋行業城市數字化轉型實施意見》《關于開展排水系統“廠、站、網”一體化運行監管平臺建設的實施意見》和《關于推進上海市雨水排水系統提標工作的意見》等文件。加快制定本行業數字化轉型所需的標準規范,并推進上海市城鎮化地區排水模型的高質量構建和應用必要且迫切。

排水系統數學模型是排水智慧化模擬的核心技術,在國際上已有數十年的發展。由于模型專業性較強,涉及參數眾多,缺少規范引領將對模型的應用效果乃至決策質量產生較大影響。但由于水情、雨情、人口密度、污染、開發強度、空間利用等差異,國外相關標準不能在上海照搬。2021年4月,根據上海市住房和城鄉建設管理委員會《關于印發<2021年上海市工程建設規范、建筑標準設計編制計劃>的通知》(滬建標定〔2020〕771號)的要求,上海市水務規劃設計研究院聯合上海市排水管理事務中心等7家單位共同開展了地方標準的編制,經兩年的反復研究討論、征詢意見、修改完善,完成了《排水系統數學模型構建及應用標準》(DG/TJ 08-2430—2023),并經上海市住房和城鄉建設管理委員會組織審查,于2023年7月批準發布。

1 標準基本規定

1.1 標準適用范圍

本標準適用于上海市城鎮排水系統的規劃、設計、運行、維護、調度、評估和管理,以及內澇防治與水環境治理等過程中涉及的排水系統數學模型的構建和應用?？紤]到現階段上海市模型技術發展成熟程度,本標準技術內容以排水系統數學模型的水文水力機理模型為主,不對水質模型進行規范。

1.2 模型分類分級

劃分模型層級的目的是確定模型對排水設施的概化程度,明確各層級模型包含的設施對象。根據上海市污水集中外排為主、分散為輔,平原河網強排、自排結合,水利分片治理的格局,結合國內外規范調研和上海市已建模型經驗,本標準將上海市排水系統數學模型劃分為3個層級。從一級到三級模型,聚焦的設施服務范圍逐步縮小,模型對象的詳細程度逐步增加。一級模型為大尺度,包含模擬對象數量相對較少,以主干與次干污水管、雨水主干管渠、相關泵站、污水廠為主,常用于市級、污水干線系統或戰略規劃階段模擬分析;二級模型為中等尺度,一般包含所有市政管道、檢查井和相關排水設施,常用于排水系統尺度的評估、精細化模擬與輔助決策;三級模型為小尺度,細化到街坊、廠區、園區、下立交、地道等內部排水管道和泵站,用于針對特定區域的詳細評估與設計方案驗證。

此外,結合業務場景需求,規定了模型構建類別——根據建模對象排水體制,分為污水、雨水、合流三大類型;按建模對象設施所處建設階段,排水模型分為現狀、規劃兩類;按模擬計算輸入邊界數據的實時性,排水模型分為離線、實時兩種。

一個模型中可根據實際情況,包含單一或多種類型/層級模型的靈活組合。在模型構建工作中,還要充分考慮服務區域范圍,形成片區、行政區、排水系統的體系架構。

1.3 模擬方式

標準規定排水管渠、河道模擬應采用一維模型,地表積水模擬可在一維管渠模型基礎上耦合二維地表漫流模型或耦合一維地表漫流模型。精度要求不高的快速評估階段,可采取地表二維漫流模擬。易澇區分析和整改、內澇風險評估類項目宜結合數字地面高程模型,構建一維管渠與二維地表漫流耦合模型。

1.4 建模范圍

模型范圍不應小于排水系統規劃服務區域,應根據研究區域范圍、應用需求及模型類型,確定建模范圍的匯水區邊界和管渠、泵站等排水設施。

建模匯水區邊界應結合區域地形、用地分類、地面匯流路徑、管網坡向、相鄰系統連通性等情況確定。上海市排水系統存在較多邊界管道相互連通的情況,如建模時根據系統設計邊界直接截斷,難以全面反映相鄰系統間的流量交換和外界水位的影響。因此,經分析評估有必要的,建模匯水區邊界范圍應在目標排水系統范圍基礎上適當擴大。

二級模型是排水系統尺度的常用模型,本標準結合了近年建模實踐、上海市排水行業地理信息系統(GIS)數據庫建設現狀及模型維護需求,規定二級模型宜保留與排水行業GIS數據庫相同的管網設施密度與管徑范圍,在不對模擬結果產生明顯影響時,可適當簡化部分支管,但不應簡化地勢低洼易澇區的檢查井和管渠。

管網河網約束作用明顯的自排區、風暴潮洪多碰頭條件下的城市內澇分析等情況,宜構建管網-河網一體化排水模型,充分反映河網與管網之間的動態耦合關系。

1.5 基本流程

建模基本流程宜包括:建模類型與范圍確定、基礎數據收集與處理、模型構建與測試、模型率定與驗證、模型評價與驗收、模型應用與維護,如圖1所示。

2 數據收集與處理

2.1 一般規定

數據是建模的必要前提,應依據模型類型,通過資料收集、現場調查、監測和測量等手段,獲取基礎地理數據、設施數據、監測/預報數據和業務數據4類基礎資料。對建模數據進行標準化處理,還需對數據的完整性和準確性進行校核。

2.2 4類數據

地理數據:應利用影像圖、基礎地形圖、數字高程模型等基礎地理數據進行模型對象的空間定位、土壤類型、土地利用、地形地貌分析和匯水范圍劃分。構建規劃模型時還應收集地區控制性詳細規劃,包括人口、用地、豎向地形、產業分布、市政設施、道路交通、河流水系、海綿城市等城市規劃和水務規劃空間數據集,用于規劃雨污水量預測、規劃排水設施布局與規模確定、規劃工程效益評估。地形圖比例尺中心城區不宜低于1∶500,數字高程模型分辨率宜為2～30 m。當不同來源數據的平面坐標和高程系統不一致時,應按上海市現行通用坐標系和高程系統進行坐標與高程的轉換或校正。

設施數據:宜優先利用排水設施GIS,必要時開展現場探測,獲取各類設施空間數據和屬性數據。GIS數據一般依據竣工圖輸入,其尺寸、標高應當反映設施建設的最終情況,但隨著設施運行可能出現沉降等變化,同一對象在原始設計圖紙、GIS庫、CCTV檢測、物探報告中的屬性信息可能不一致,這時應該進行合理甄別使用。各設施對象應設置主關鍵字段,并在關聯設施對象的屬性列表中正確對應。

監測數據:宜收集降雨、蒸發、流量、潮(水)位、積水深度、泵機狀態、閘門狀態等時間序列監測數據開展模型計算和率定驗證。應分別調查雨量、水位、泵閘狀態等實時監測情況,以及預報降雨、潮(水)位、流量等實時預報情況,連接多源時空數據庫。應檢查監測數據合理性、一致性,并對異常值進行修正。

業務數據:包括排水設施的生產運行方案、調度細則等業務數據,用于輔助制定模型中相關設施的調度規則;排水系統易澇區、歷史積水記錄、災害突發事件等業務數據及同步降雨、潮(水)位、設施運行數據,用于系統診斷與重演驗證;排水系統管道檢測修復、養護清淤、雨污混接調查、外水分析等業務數據,作為模型水力計算參數設置參考因素等。應建立與相關設施的拓撲對應關系,核查空間位置是否準確,對問題進行核實處理并記錄。

3 模型構建與測試

模型構建與測試是建模工作的重要環節,涉及軟件選擇、降雨與水位、水量、源頭設施、管網設施、地面漫流、計算測試和實時平臺搭建各環節的模擬概化方法和技術要求。

3.1 軟件要求

建模軟件的選擇,應結合應用目標、模型類型、排水管網規模、體量和對象類型等因素確定;軟件性能主要考慮可模擬規模、流態、維度、河道耦合度、計算性能、軟件界面友好性和完善度等。

3.2 降雨潮(水)位

考慮到城市化地區降雨時間空間分布不均和上海市每一個排水泵站基本具備降雨監測記錄的現狀,規定采用歷史實測降雨或設計降雨開展雨水徑流模擬時,應考慮降雨空間變化,合理設置參與計算的雨量過程數量。采用歷史降雨模擬時,采用的過程降雨分布及數量宜與研究排水區域內已建雨量站密度保持一致。設計雨型應根據項目研究目標確定,可按上海市地方標準選取短歷時設計雨型或長歷時設計雨型[3-4]。

污水模型下游水位邊界宜采用管道、泵站、污水廠等點位的水位監測數據,必要時可在模型中對污水廠提升泵站、調蓄池、溢流堰等廠內構筑物和排放口等設施進行概化模擬。當河湖水位影響雨水排水設施出流時,應根據工況合理設置河湖出水口的水位邊界,最好采用同步實測潮(水)位、河網模型同步計算水位。設計條件下參考上海市防洪除澇相關規劃和標準規定的水利片控制水位[4]。

3.3 水量水文

模型應引入影響排水系統運行的所有水量來源,包括但不限于:生活污水、工業廢水、地下水滲入、降雨徑流、初期雨水截流、分流制系統雨污混接、研究范圍與相鄰系統間可能存在的水力聯系(包括可能存在的河水倒灌、“借道轉輸”的雨污水等)。建模時,應根據地區情況,結合模型類型和水量影響比重,正確處理和適當概化水量。模型包含的各類水量來源應根據地區實際情況按表1的規定選取。

表1 排水系統數學模型水量來源

規定應按照地形地貌、地表、用地和市政管網布局合理劃分子匯水區,二級模型的子匯水區宜以街坊為單元進行劃分,一般尺度為2～4 hm2(1 hm2=0.01 km2)。二級以上模型應采取分布式方法進行子匯水區降雨徑流模擬,基于滲透性分類計算下墊面面積,城市地區宜區分鋪裝路面、屋面、透水性表面、水面以及其他地表。

現狀污水模型有條件地區,宜開展供水量、污水處理量、設施運行量等數據關聯分析,結合地區人口普查、供用水量監測、排水戶調查、排水流量監測等數據,確定污水定額、時變化曲線、日(季節)變化曲線、廢水量和地下水入滲水量。

應結合模型軟件,針對不同下墊面類型選用合適的產匯流計算方法。產流模型應扣除蒸發、植被截留、洼蓄和土壤下滲等損失。匯流模型可采用水力學方法或水文學方法。

3.4 源頭設施

源頭設施模擬方法及參數設置應反映設施使用的初始狀態,以及調蓄空間和含水率的占用和恢復過程,相關參數宜結合上海市海綿城市建設相關標準規范和現場試驗確定。

3.5 模型計算與測試

模型計算時應設置合理的上下游邊界、計算時間步長、結果輸出步長、初始狀態和可調控設施的控制方式。模型的穩定性測試應選取一般與極端工況進行計算,確保模型運行正常,計算結果滿足質量守恒原則。例如,分別模擬旱流日、低強度多峰值的降雨、5年一遇歷時2 h的設計降雨、100年一遇歷時2 h或24 h的設計降雨。應仔細檢查整個模型、排水口、主次干管、附屬設施等重要位置的水深和流量過程線,包括以下信息。

(1)模擬運行是否完整,是否收斂。

(2)檢查井的水量平衡情況:確保進出流量質量守恒偏差在10%以內。

(3)檢查井的冒溢情況:對于旱天重力流模擬,一般情況下應無冒溢。

(4)溢流情況:對于旱天模擬,一般情況下應無溢流。

(5)泵站運行情況:集水池水位和泵機開停是否符合設置規則,運行是否正常。

(6)管道超負荷情況:判斷管道來水、流動是否合理。

3.6 實時模型

實時模型應以數學模型為內核,與遙測雨量、水位、水泵水閘等設施狀態監測數據,以及降雨、潮(水)位等預報數據實現在線連接,基于實時計算發揮預報預警決策支持功能。模型實時數據讀取頻率、計算頻率、計算時長、輸出參數的設置應兼顧性能與時效,實現模型的滾動計算。宜在泵站上下游、調蓄設施上下游、主干管、次干管、易澇點、排河口等位置建設實時監測點位,監測雨量、水位、流量等關鍵參數,參與實時模型計算或驗證預報結果。

4 模型率定與驗證

《排水系統數學模型構建及應用標準》明確了模型率定與驗證的場次要求,對率定驗證點位的選取、精度目標指標進行了規定。

4.1 場次要求

模型率定和模型驗證應采用各自獨立的多組實測數據,根據系統類型及運行實際,分別對旱天、雨天開展率定。用于率定驗證的雨天數據宜包含3場以上有效降雨,宜包含不同降雨強度與歷時特性。用于率定驗證的旱天數據宜包含工作日、非工作日,考慮不同季節情況下的波動。

4.2 點位要求

上海市在泵站、污水廠、調蓄設施、易積水點安裝的固定監測點應作為模型率定驗證的基礎點位。在項目條件允許時,宜開展臨時流量監測,補充用于模型率定驗證與計算的數據,率定驗證點位密度宜不低于排水系統、次干管、主干管個數。同時,宜根據積水路段記錄、溢流頻次等歷史數據開展模型驗證。

4.3 精度目標

《排水系統數學模型構建及應用標準》提出,應按目標、需求、數據情況和管道功能,分A、B兩個等級確定模型精度目標,主要考慮:(1)用于調度控制的點位精度要求應高于非控制點位;(2)主管、干管的精度要求應高于支管;(3)積水點、溢流點等重點關注區域的精度要求應高于一般區域。同一模型中,視應用情況和數據條件,可設置高精度點位(A級)和一般精度點位(B級)。

模型精度評定的項目應包含峰值流量(水位)、峰現時間、流量總量和流量(水位)過程。模擬誤差采用絕對誤差、相對誤差、納什效率系數(NSEC)3類指標。NSEC用于衡量模擬過程與實測過程之間的吻合程度,按式(1)計算。

(1)

點位的精度目標應根據表2的規定確定。

表2 模型精度目標

5 模型評價與驗收

5.1 質量評價

在應用模型之前,應針對模型整體或模型區域開展模型質量評價,判斷所建模型與應用需求的匹配度。區域范圍較大、率定驗證點位較多的模型,質量等級宜按表3的規定,根據模型整體或評價區域內點位率定驗證合格率評定。合格率應根據達到目標精度要求的點位占所有率定點位的百分比確定。

表3 模型質量評價等級判定

5.2 驗收歸檔

建設單位可根據需要對模型建設項目開展模型專項質量審核與驗收歸檔。模型用于上海市重要工程的、建設規模較大的重點項目應進行質量審核與專項驗收。建設單位可委托第三方單位進行質量審核。審核單位應參照本標準對模型類型、范圍、深度、計算條件的合理性、規范性、準確性、適用性等方面進行全面審核。模型建設項目的專項驗收應由建設單位組織,提交建模報告、監測報告、測試報告和模型源文件、數據集等,資料齊全且模型滿足目標、功能、質量要求時出具驗收報告。有第三方審核報告的可以依據審核結論進行驗收。

6 模型應用與維護

對典型應用場景如規劃方案比選、內澇風險評估、實時預報預警、運行調度方案制定過程中模型相關要求進行了規定。

6.1 規劃方案

規劃模型使用的用地分類、污水量、地下水入滲量、設計降雨等應與上海市現行雨污水規劃相一致。改建地區規劃模型宜在現狀經率定驗證模型的基礎上進行局部修改,新建地區規劃模型應對推理法設計方案進行校核修正。規劃模型水力計算結果應符合國家現行標準中相關規定,應核查的水力參數包括:管渠充滿度、設計流速、壓力流設計承壓值、設計暴雨重現期下的積水深度和退水時長等。目前,上海市正在開展的推進排水詳細層級規劃編制工作的意見,要求構建雨水排水模型,全面應用于詳細層級規劃的編制與評估。《排水系統數學模型構建及應用標準》為“綠、灰、藍、管”多種雨水提標方案的比選確定提供了技術支持。

6.2 內澇風險評估

城市內澇風險評估與區劃宜采取一維、二維耦合模型進行排水系統內澇風險及整改措施評估。采用設計暴雨重現期和內澇防治重現期進行內澇模擬,必要時應增加其他重現期設計降雨、歷史降雨、極端暴雨和氣候變化影響因素進行內澇風險評估。宜挑選反映管網流態、水位變化、積水范圍、積水深度和積水歷時等信息的指標進行內澇風險統計評估。應繪制不同降雨條件下的積水淹沒圖,有條件地區應繪制積水風險區劃圖,并基于GIS生成表達風險評估結果的電子地圖。目前,上海市剛完成第一次全國自然災害綜合風險普查,其中就利用排水系統內澇風險評估模型和歷史內澇數據,以情景分析法為主,開展了內澇風險評估?；趯χ行某菂^暴雨淹沒情況的分析,在綜合集成不同量級暴雨淹沒程度的基礎上,以內澇風險區劃圖的形式整體反映不同地塊內澇危險性的差異,為提升上海市抵御內澇災害的綜合防范能力和“安全韌性城市”建設提供了科學決策依據。

6.3 實時預報預警

宜采用實時模型用于內澇預報預警,應以經率定驗證的模型為計算引擎,與雨量、水位、水泵等設施狀態實況和預報水、雨、工情數據實現在線連接,并充分考慮降雨的時間空間分布,具有數據診斷和容錯機制。預報起始點之前應使用實況數據參與模型運算;起始點之后的預見期,應使用降雨、水位預報數據參與模型運算。實時模擬應采用滾動計算方式,計算間隔宜根據監測數據采集頻率和預報時效需求設置,降雨期間不宜超過30 min。宜建立汛后模型效果評估、汛前模型更新維護機制,不斷提高內澇預報模型精度與成效。目前,上海市中心城部分地區已開展了實時預報預警工作,并在防汛演練和會商中提前發布積水深度、范圍和歷時,較好支持了“四預”工作。

6.4 運行調度方案

應利用模型為排水運行調度提供技術支撐,對管網、泵站、調蓄池、污水廠等設施的運行情況進行評估,對運行方案進行優化,提高廠站網一體化聯動調度能力,實現平穩運行、均化水量、節能降耗和放江污染削減等多重目標。模型成果應與運行監管等平臺相融,近期應具備模型情景展示和實時監測數據展示功能,遠期宜具備實時模型計算與動態預警預報功能。應建立模型定期更新維護機制,更新維護周期不宜超過12個月,宜建立模型庫與GIS數據庫間的數據規范更新機制。

7 結語

《排水系統數學模型構建及應用標準》針對上海市城鎮排水的規劃、設計、運行、維護、調度、評估和管理,以及內澇防治與水環境治理等過程中涉及的排水系統數學模型的構建和應用,系統提出全流程構建與運行維護的技術要求,貫穿“綠、灰、藍、管”各環節,特別是對廠站網一體化運行管理與智能調度、水污染治理防控、實時防汛預警等應用領域進行了規范。目前,上海市已按照《關于開展排水系統“廠、站、網”一體化運行監管平臺建設的實施意見》和《排水系統數學模型構建及應用標準》要求,在中心城開展了石洞口、竹園、白龍港三大片區雨污水模型的構建和審核工作。《排水系統數學模型構建及應用標準》總結提煉的規范經驗,可為其他地區和城市排水模型構建和應用工作提供參考依據。