基于水力模型的智慧排水工程设计与应用

罗贤伟

(上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200092)

随着我国城镇化的进程加快，城市规模急剧增大，给城市排水、管网等管理工作带来了严峻的挑战，随之智慧城市建设应运而生，智慧排水是智慧城市的重要组成部分。智慧排水借助“SCADA+GIS+MIS”整合模式，实现对厂、站、网在线监测设备的智能感知、积水模拟预测、优化调度及运行评估，为城市防汛排水及调度提供了丰富的分析数据，为排水管理实现智慧化奠定了夯实的基础[1-4]。

1 智慧排水的需求

1.1 智慧排水系统存在的问题

智慧排水在排水企业中已经伴随着智慧城市的步伐在如火如荼地进行，其目的是要解决排水运行过程的实际问题，为排水管理排忧解难。存在的关键问题主要有4个方面：(1)对于厂站网缺乏集中监管的有效手段；(2)对于管网泵站评估与分析缺乏科学依据；(3)对于多厂站的跨地域管理缺乏科学调度；(4)建立排水模型需要具备什么条件，要针对哪些数据进行分析、整理及汇总。

1.2 智慧排水管理的建设需求

智慧排水以城市排水管理信息化为核心，以新一代信息技术(如云计算、大数据、移动互联网、物联网等)和水力模型理论为基础，对城镇区域范围内排水过程进行最优化管理，辅助企业管理者提升整体运营管理水平及调度决策能力。基于智慧排水的设计理念和系统应用落地，需要实现4个方面的基本需求：(1)基于物联网的智能感知需求；(2)基于排水模型的综合分析和管理需求；(3)基于排水模型的泵站调度需求；(4)基于排水模型的智慧排水系统需求。

1.3 智慧排水应用达到的效果

通过构建“一网一平台”智慧排水，实现“全面感知、预警分析、科学评估、优化调度”，进而实现各类资源的全面共享与跨部门跨层级的业务协同，持续提升排水综合管理能力，实现排水管理、服务、决策更加科学、精细和智慧，提升企业整体运营管控能力和水平。达到的效果：(1)增强了排水公司集约化监管能力；(2)为城市防汛积水预警及分析提供科学依据；(3)为城市排水管网及泵站调度提高了决策支持能力。

2 智慧排水总体设计

2.1 设计原则

运用国内外成熟、先进的水力模型及计算机技术，把握信息化发展的大趋势，结合城市排水实际情况、特点、使用需求及对未来发展的要求，系统建设应遵循先进性、实用性、标准性、经济性、开放性、安全性、稳定性、扩展性等原则。

2.2 总体应用架构设计

智慧排水平台总体框架设计如图1所示。

图1 总体应用架构设计图Fig.1 Architecture Design of Overall Application

2.3 总体网络架构设计

城市排水公司具有完善的内外网基础设施建设，智慧排水系统作为公司层面的调度指挥中心平台，数据库和应用服务器等建设在公司机房内，具体网络架构如图2所示。污水处理厂、泵站与公司之间均建立VPN通讯链路；管网流量计、液位计，河道液位计均通过无线方式通讯；通过Internet获取气象部门发布雨量数据。

图2 总体网络架构设计图Fig.2 Architecture Design of Overall Network

3 排水管网水力模型核心应用功能

智慧排水系统通过建立区域排水管网系统离线和在线水力学模型，帮助管理人员对排水系统中的薄弱区域进行判断，指导应急调度，实时提供运行预警，优化调度策略，为防汛调度提供决策支持。该模型系统为智慧排水提供以下核心应用功能支撑。

3.1 管网数据检查

根据已经整理好的管网拓扑数据和管网运行数据对管网进行初步建模，通常会有大量的拓扑关系错误和其他数据错误。拓扑结构校验的同时，可以找到GIS的输入错误信息。通过本阶段的校验，基本要求达到管线连接关系与实际相符。整理并出具管网补测数据清单表，以供管网勘测参考。

3.2 预案模拟分析

用户根据实际需要自行配置不同情况(不同季节、不同污水管网负荷)的模拟预案，或者设定雨季时不同的降雨强度，分析某区域内排水管网的运行状态，可以让管理者及时掌握管网中的各种状态，如流量和流速等。根据模拟分析，能够评估排水管网的现状，分析发现排水管网运行过程中存在的问题，辅助排水调度。

3.3 管网工况分析

系统针对不同降雨期间、用水最高时、事故时等用水工况进行水力计算和工况校核分析，通过排水管网水力模型计算，分析现有城市排水系统的工况，为排水企业找出潜在的缺陷问题，以及对高风险管段提出规划改造建议。

对高负荷水量下的工况进行深入模拟分析，模拟泵站突发停机、合流管网降雨溢流、排水管网溢流等工况下可能会出现的问题，针对排水管网出现的问题进行原因分析，为应急措施提供决策依据。

3.4 城市积水分析

在线模型通过与SCADA系统对接，采集降雨实时数据，模拟未来发生积水的桥区或敏感点，预测某地点积水发生的时间，大大提升城市防汛预测能力和防汛应急处置水平。

系统具有气象数据接口和水力模型接口，可根据气象数据和当地的暴雨强度公式，计算雨型，然后结合区域排水水力模型，计算预测区域中敏感点处的积水情况，包括积水范围、最大积水深度、消退时长等。为管理者进行决策提供了强有力的数据支撑，以便管理人员和决策人员及时、准确地了解，并对现场进行指挥调度。

3.5 排水能力评估

通过水力模型与GIS地理信息系统结合，展示模拟区域范围的各种降雨情况影响，再结合已有污水泵站、雨水泵站、调蓄池及城市海绵设施进行联合调度，在一定时间范围内评估城市基础排水设施的排水能力、效果及对区域防汛减轻的作用。

3.6 泵站运行评估

泵站运行评估分2种模式：单独泵站运行评估和多级泵站运行评估。单独泵站运行评估是指对所涉及建模区域内每个单独泵站水泵运行的能耗、水泵和前池的匹配情况进行具体评估分析。多级泵站运行评估又叫多级泵站联合调度评估，其目标是弄清楚现状多级泵站处理水量与运行规则之间的关系，为厂、站、网联合调度提供优化运行与调度决策依据。

4 基于水力模型的智慧排水应用

4.1 智慧排水门户

智慧排水门户是对外信息发布和浏览的窗口，集众多信息于一体，实现一体化监管，包括厂、站、网等实时数据呈现，与水力模型系统集成，积水预警信息发布。智慧排水门户以对企业繁多的系统进行集成和通用为出发点，立足为统一化综合管控提供有力的平台，避免信息孤岛，实现多源、多系统集成、数据共享的目标。应用单点登录统一访问技术、多框架集成技术，使得各个系统可以集中使用和统一管理，能够有效防范风险、优化管理，减少企业IT维护成本，提升运营效益，为企业发展带来较大的增值作用。

4.2 集中运行监管

智慧排水一体化运行监视系统应用集污水处理厂、泵站、管网、河道、雨量等厂、站、网全过程监测数据于统一平台，构建各个业务环节的实时监视、数据分析、统计报表、实时报警等运行监视功能。实时反映厂、站、网的生产运行状态，实现集约化实时动态远程监视，辅助管理者全面掌握排水运行情况，为智慧排水联合调度提供基础的一体化监视功能。一目了然地了解排水风险点，优先处理风险等级高的问题，有利于资源的调配，同时，也利用智慧排水系统辅助实现了多厂站、跨地域、精准化调度决策支持。

4.3 调度决策支持

(1) 管网流速与压力评估

管网流速和管网压力将通过不同颜色分别代表高风险、中高风险、中低风险和低风险类别，在GIS地图上进行直观显示。通过分析复杂管网的网络拓扑结构、上下游之间的关系，帮助准确掌握管网的结构特征。通过结合雨、污水排水现状动态模拟，分析得出管网流速和管网压力，能够更全面反映排水管网的排水负荷现状，分析出雨污水管网系统中的薄弱环节和区域，为城市管网的规划及改造提供决策支持。

(2) 溢流点分布

根据模型模拟的管道水动力结果，分析易发生污水溢流的节点，并在GIS地图上以不同颜色代表不同风险等级对管道进行展示。

(3) 调度信息查询

通过在GIS地图上点击任意模型要素能够查询任意节点或管道的水位、流速等信息。通过排水管网水力模型计算，分析现有城市排水系统不同降雨期间、用水最高时、事故时等用水工况，实现工况信息查询。

(4) 动态模拟

系统根据实际需要自行配置不同情况的模拟预案，动态模拟管网中的流量和流速，评估排水管网的现状，分析发现排水管网运行过程中存在的问题，辅助排水调度。

4.4 泵站优化调度

获取排水管网历史数据和实时数据，预测未来某时段内的运行情况。根据不同工况进行模拟分析，得出泵站运行结果，辅助调度决策，可提高对单级泵站或多级泵站联合调度、合理调度的优化决策能力，也增强了风险控制能力。

4.5 水力模型集成

水力模型软件需要结合信息化平台对模型结果进行直观性展示，以起到对日常工作的决策支持与调度指挥作用。基于排水公司实施了管网水动力学模型系统，可最大限度地实现模型数据及分析结果的共享性。

通过对应用在GIS地图上展示排水管网水力学模型的计算结果进行分析，动态模拟管网运行状况，实现对城市排水系统的科学管理、预测分析。排水管网模型集成设计与应用逻辑结构如图3所示。

图3 排水管网模型集成设计与应用图Fig.3 Integrated Design and Application Diagram of Drainage Network Model

4.6 调度方案管理

基于方案管理理念，通过方案管理的模式对系统中涉及到的各类型(离线、在线)、各时段模型进行管理，为用户提供一系列模型编辑、计算和结果展示评估功能。系统基于方案库的概念构建方案体系，用户系统中所研究的模型方案均可由这一系列模型模板派生而来。

使用方案管理模式，并基于水力模型的技术，使得系统能够较容易搭建各类模型，并按照相应的需求对模型进行设置和调整，快速做出符合要求的模型文件。系统能够模拟展示某个时间段内(如连续几个小时或1 d)降水的动态变化过程，通过选择不同时间段对不同颜色代表的降水情况进行模拟动画播放。

4.7 排水调度预警

结合泵站、管网及雨量计的实测数据进行分析，针对某个敏感点，如A桥区，根据模型模拟可预测该区域是否积水、积水面积、积水深度等情况，并发布预警信息。根据预警情况区分严重程度，形成态势分析图，为防汛排水调度提供决策支持，从而辅助决策人员根据当前状态提出应对预案。

4.8 排水智能感知

智能感知为智慧排水保驾护航，实现数据采集、信息集成和智能感知的水务物联网感知平台。

从污水处理厂、泵站、管网、河道、雨量等监测设备、仪表中采集实时在线监测数据、集成视频，实现采集与集成方式统一化、标准化、共享化。通过建立数据生命周期管理机制，结合智慧排水系统平台应用，实现统一数据汇聚、共享交换及集成服务平台，确保智能感知数据的实时性、安全性、准确性、完好性及稳定性，为智慧排水提供可靠的数据基础保障。

4.9 智慧移动应用

移动应用系统采用嵌入式GIS、空间分析、无线通信等技术，通过移动手持终端实现城市防汛应急信息发布、查询、反馈以及应急指挥互动，为城市防汛应急一体化、实时化、精确化提供强有力的信息技术保障。实现的应用功能主要包括：GIS辅助查询、天气信息预报、实时监视、报警信息、即时通信工具、辅助综合指挥信息服务。

5 项目应用实例

(1)建模示范区域范围

N城市正在建设基于水力模型的智慧排水系统，排水管网模型研究区域包括2座污水处理厂服务区域，总面积约为90 km2，包括40座雨、污水泵站。研究区域内排水管网为雨污分流制管网，污水经提升泵站最终进入污水处理厂，雨水就近排河或排江。

(2)遇到的问题及应对策略

智慧排水系统建设过程中管网存在2种主要问题：管网流向不明确、建模示范区相关管网数据缺失或不明确。由于管网年代久远，无CAD图纸资料，部分管线概化处理，最终会影响管网建模的精准性及实施的整体效果，因此，对本项目提出建立1～2个典型示范点进行建模。方案策略为建立平台+示范点：一是建立基于水力模型的完整智慧排水平台，保障系统功能完整性；二是选定2个易涝的桥区示范点，且要求本区域范围的管网、泵站、液位监测等资料相对齐全。根据排水管网水力模型建模需要对这2个典型示范点所需的相关数据进行勘测，以达到建模的要求。

(3)项目建设成效

N城市智慧排水项目基于示范区模型及示范点建设主要建设成效包括离线模型应用、在线模型应用及智慧排水应用。

离线模型应用：使用示范区管网离线模型评估管网现状，分析不同工况下管网负荷、泵站运行情况，优化泵站调度，并运用离线模型分析不同降雨条件下排水系统负荷及预测积水。根据模型实现示范区域管网现状评估、预案分析及优化调度方案。

在线模型应用：以率定后的离线模型、气象资料、实测雨量、水位及水泵启闭等相关数据为基础，实现在线模拟、在线预测预报功能。运用模型分析排水系统内易积水区域、积水原因、预测给定雨量、雨型强度等条件下的积水区位置分布、积退水过程等，为防汛提供事先积水深度、积水信息预警，为汛期突发事件提供实时调度策略。

智慧排水应用：模型结果输出，并能与智慧排水系统集成，实现集中运行监视、调度决策支持、泵站优化调度、调度方案、排水调度预警及移动应用功能，为城市排水防汛实时化、精确化提供强有力的信息技术保障。

6 结论与展望

城市排水管网复杂，存在部分雨、污水管混接。城市高速发展，城市水文、用地条件的改变和气候变化，带来很大的雨洪压力。排水系统如何与城市形象协调，建立智慧排水城市，会面临不少的挑战，多级泵站的合理调度在其中起着重要作用。

本文总结了基于水力模型的智慧排水设计与应用，借助信息技术、GIS技术及模型仿真技术，实现对排水管网运行状态随时、随地监控和科学评估，建立了一套完善的定量化决策支持系统，并结合水力模型计算结果，实现排水管网过程的模拟仿真，提升排水行业的运营管理水平，从而达到优化调度、节能减排的目的。未来可结合大数据分析，挖掘出排水系统中的薄弱环节，辅助管网改扩建设计，加强排水系统的可靠性和稳定性运行。