分流制排水系统中水力模型对运行方案的优化

2016-11-25黄坚萍张留瓅

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：长桥积水水力

高磊，朱弋，潘炜，黄坚萍，王辉，张留瓅

（上海市城市排水有限公司排水设计研究分公司，上海市 200090）

分流制排水系统中水力模型对运行方案的优化

高磊，朱弋，潘炜，黄坚萍，王辉，张留瓅

（上海市城市排水有限公司排水设计研究分公司，上海市 200090）

为更好发挥排水设施的防汛减灾效益，运用排水系统水力模型科学评估了上海中心城区分流制系统长桥区域排水系统的防汛安全现状调控方案。通过分析1 a一遇、2 a一遇和3 a一遇设计降雨时该地区积水点的积水面积、积水深度、退水时间，结合降雨过程强度、泵站运行等相关要素，提出该地区排水系统优化方案，并模拟分析优化调控后的防汛效果。

水力模型；排水系统；积水模拟；优化

0　引言

现代化城市由于开发程度高、建筑密度大、以及地下空间的大幅开发，对城市排水系统的抗风险能力提出了新的要求[1]。随着计算机技术的蓬勃发展，以及同时期排水模式由强排式向生态式的转变，城市排水对暴雨雨水的管理变得越来越细致，对径流过程的模拟和预测也提出了更精确的要求。

自20世纪60年代起，水力模型以其低廉的运行成本和庞大的计算能力承担起降雨事件的分析、模拟、预测工作。时至今日，水力模型的应用早已成为城市防汛指挥科学可靠、行之有效的方法之一，在排水管道设计优化、已建排水设施评估、排水系统运行优化等方面，水力模型都起到了不可替代的作用[2～4]。上海在排水系统水力模型研究方面已有多年的研究基础。本文将介绍利用InfoWorks CS软件对上海市中心的分流制系统长桥地区进行的动态水力模型模拟，在此基础上提出一项非工程排水系统调控优化方案，并评估了其在减少积水面积、积水深度和退水时间等方面的优化效果。

1　概述与建模

本次水力模型模拟研究区域东至黄浦江、西沿虹梅路，南到淀浦河，北抵张家塘港，面积约为780 hm2。研究区域包含4个排水系统，分别为梅陇、长桥、植物园和罗秀，均为分流制排水系统。研究区域内共包含3座泵站，即梅陇、长桥和罗秀，3座泵站设计降雨重现期均为P=1。

1.1模型建立

（1）管网模型：根据所掌握的最新排水数据管理系统、GIS数据库资料和排水设施竣工资料，对示范区管道、检查井、泵站等排水设施要素进行了收集、梳理及分析。应用InfoWorks CS软件建立管网模型，梳理并校核了长桥地区2600余根雨水管道、3座泵站、16台水泵，并在此数据基础上进行建模。研究人员校验并检查了GIS数据中未连接的孤立管网，管道上下游连接关系、管道纵断面数据异常、管道相关属性异常等，对存疑的数据进行了现场勘测、修正完善等复核工作，见图1。

图1　研究区域管线图

（2）集水区划分：根据研究范围内各地块地形信息分析，对各个区域的功能和红线范围进行集水区划分，并且根据市政雨水管道的接入点位置、管径等信息将各集水区与市政雨水管道连接。为了进行地面径流模拟，对管网进水流量过程线进行模拟计算，研究人员依据不同集水区内屋顶、道路、绿化等下垫面的分布比例，对各集水区内的径流表面和径流表面参数进行设定。

（3）水力数学模型：根据研究区域排水系统的用地性质和特点，对InfoWorks CS软件提供的产汇流数学模型进行比较，最终确定对不同研究区域选用了一致的水力数学模型：不透水表面的产流模型采用固定径流系数模型（Fixed PR Model）；透水表面的产流模型采用霍顿渗透模型（Horton Infiltration Model）；汇流模型采用SWMM模型（非线性水库法），管道计算模型采用圣·维南方程组。

（4）管道储量调蓄：由于管网模型未完全涵盖雨水箅、连接支管和社区内部雨水管道，若不考虑这部分管道及井深具有的储水容量调蓄，则会高估管道超载，洪灾的发生频率，不能真正反映排水系统的储量。研究采用InfoWorks CS的WaPUG User Note方法自定义参数进行储水补偿，见式（1）。该方法假设汇水面积沿管道长度线性分布，不论真实的管网如何连接，都相当于均匀地将屋面/路面径流通过连接管连接到模型管道。

式中：X为建筑物到模型管道的平均连接管长度；A为汇水面积；L为模型管道长度。

1.2模型率定验证

模型率定验证基本方法为：根据模型的计算值与实测值之间的拟合偏差特点，对模型参数进行率定，直到计算值与实测值拟合度满足要求，此时的模型参数符合管网现状情况。再通过模型对不同雨情验证，确定模型的可靠性。

根据《英国排水系统水力模型工程师执业规范》要求，排水模型至少需执行2个流量日的修正，其中1天数据可用于模型调整，另1天数据用于模型验证。对于实测数据和模型计算数据，2套曲线在形状和数值上都应相互拟合，同时满足总流量数值偏差与峰值流量数值偏差均在±10%以内。在本次研究中，研究人员分别采集了梅陇、长桥和罗秀等3座泵站的总排放量和集水池水位数据，先通过对比2套曲线的拟合度、分析数据的误差值来调整参数，以减少模型误差，直至模型计算值与实测值间偏差满足允许误差要求。确定参数后，再对历史降雨数据进行验证，以保证模型的应用精度和实用价值。

（1）模型率定验证资料：确定模型参数后，以SCADA数据作为模型的率定验证数据基础，以5 min为数据频率，选取集水池水位、降雨强度、开泵情况等数据，辅以地区的积水历史信息和现场采访信息，进行模型的率定与验证。

（2）率定验证成果：率定验证以梅陇、长桥、罗秀三座防汛泵站的总体排放量作为率定水量的指标。以降雨日实际降雨过程、基础旱流作为输入条件。通过调整模型参数，使模型反映系统实际特性。率定结果系统水量总体误差在-9.98%～6.7%，满足建模导则的率定标准，达到率定要求，水量上基本反映系统总体产汇流响应情况。进行水位率定时，以三个泵站的前池水位实测数据作为率定指标。前池水位受水泵启闭运行变动影响大，为此，模型设置为按照各泵站水泵运行的实际历史记录控制水泵开停。率定的泵站前池水位过程线见下图，模拟结果基本符合系统水位变化的实际情况。

2　评估与优化

本节通过对多个重现期的设计降雨进行了模拟分析，评估试点区域内排水系统的实际排水能力，为防汛调度提供更加科学的辅助决策。

2.1系统评估

由于排水系统是按1 a一遇设计，但其实际所能承受的降雨并不完全相应。为此，本研究将评估系统在不同降雨下的运行情况，把握系统实际排放的能力。

（1）1 a一遇降雨

根据排水公司现行运行方案，在1 a一遇降雨情况下，排水系统模拟的结果见图2。

图2　研究区域1 a一遇降雨模拟图

可见，在1 a一遇降雨下，罗秀、长桥和植物园的上游部分发生积水，主要集中在百色路、平福路、喜泰支路。对1 a一遇暴雨下泵站运行情况的分析发现：梅陇泵站最多开6台流量1.5 m3/s的泵的5台；罗秀最多开2台流量2.5 m3/s中的1台泵（目前配置仅2台，规划配置为4台）；长桥泵站最大开6台流量2.3 m3/s泵的4台。可见，对1 a一遇的降雨，泵站尚有一定富余能力。而上述路段仍发生积水现象，说明这些地点现状管网的排水能力尚显不足。各泵站具有进一步降低现状运行防汛水位的潜力来更好的保证服务区域的防汛安全。罗秀泵站尚未达到规划配泵能力，由于罗秀路管道的连通作用导致长桥泵站分担了罗秀系统部分水量，各个泵站的利用需要合理优化。

（2）超频率降雨

通过对超频率降雨模拟，可快速、准确地预测积水淹没范围、积退水时间，从而为指导排水工程调度运行发挥科学决策作用。图3和图4分别为现状管网遭遇2 a一遇和3 a一遇暴雨情况的模拟积水图。

图3　2 a一遇暴雨积水图

图4　3 a一遇暴雨积水图

可见，在超频率暴雨的情况下，发生积水的范围和深度明显增加。表1对积水范围的统计结果表明，2 a一遇暴雨下发生积水的范围比1 a一遇暴雨下的积水范围增大66.3%，在3 a一遇暴雨下积水范围增大162.2%。

上述分析表明，当前管网防汛能力尚显薄弱，急需将管网排水能力提高至设计标准1 a一遇，同时通过一定措施减轻系统在超频暴雨下的积水灾害。

表1　不同重现期设计暴雨下试点区域积水范围对比

2.2优化方案

由于研究区域内的三座泵站都为分流制的雨水泵站，但系统内存在一定程度的雨污混接，原运行方案兼顾了水环境安全与防汛安全。对现状运行的评估表明相关泵站的防汛控制水位相对较高，这有利于控制放江污染。但在大雨期间仍有进一步降低水位，增大系统调蓄的潜力。

现拟将梅陇泵站的开泵水位由3.8 m调整到0.3 m，停泵水位由1.2 m调整到-1.3 m；将长桥泵站的开泵水位由2.4 m调整到0.1 m，停泵水位由-1.3 m调整到-2.0 m；同时将罗秀泵站的开泵水位由2.5 m调整到-0.4 m，停泵水位由-1.2 m调整到-2.0 m。调整情况见表2。

表2　相关泵站开停泵水位调整情况

2.3优化成效

根据优化方案进行系统模拟后，研究区域内不同暴雨重现期条件下的积水面积均有所降低：设计标准内减少系统暴雨积水面积14.7%，在超标降雨下也可减少积水面积4.3%～6.0%。具体改善情况见表3。

表3　优化运行水位对积水的改善效果

优化方案不仅减少了积水面积，对降低积水深度、加快退水时间具有一定效果。对系统中代表性积水点进行的研究表明，设计标准内优化方案可降低积水深度0.04 m，退水时间可缩短约18 min（按积水深度不小于10 cm计），总体改善效果较为可观；在超标降雨下也可降低积水深度0.002～0.01 m，缩短退水时间6～12 min（按积水深度不小于10 cm计），具有一定的改善效果。