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基于排水系统水力模型的城市防汛运行调控的优化
更新时间:2016-12-07 来源:《净水技术》 作者:朱弋,潘炜,黄坚萍,张留瓅,高磊

摘要:为更好地发挥排水设施的防汛减灾效益,该文运用水力模型科学评估了上海中心城区肇家浜区域排水系统的防汛安全现状调控方案。通过分析1 年一遇、3 年一遇和5 年一遇设计降雨时该地区敏感积水点的积水面积、积水深度、退水时间,结合降雨过程强度、管道水力特性、泵站运行等相关要素,提出该地区排水系统优化调控的思路,并计算分析优化调控后的防汛效果。研究表明,通过降低特定泵站降雨运行水位,并配合预抽空等优化方法,能够实现增强系统调蓄能力,减轻重点泵站排水压力,以及部分缓解区域的内积水情况。优化后的调控运行模式不论是对改善整体区域内的涝情,还是对缓解敏感积水点的积水都有较为显著的作用。

20 世纪后半叶,当现代城市在数量和规模上不断实现突破时,城市排水已然真正成为了一门科学。近年来,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[1 4]。

上海在模型研究方面已有20 余年的研究经验,上海市城市排水有限公司等单位早已拥有能够熟练应用MIKE Uran,Sewer CAT,InfoWorks CS 等软件对大中小型排水管网进行评估优化的科技团队。本文利用InfoWorks CS 软件对上海市中心的肇家浜地区进行了动态水力模型模拟,在此基础上提出了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敏感点附近积水面积、积水深度和退水时间等方面的优化效果。

1 模型概述

试验的水力模型模拟研究区域约为23. 5 km2,包含5 个排水系统,分别为肇家浜、鲁班、小木桥、宛平和蒲汇塘,排水模式均为合流。其中,肇家浜排水系统是建国后上海市区内建立的第一个较完整的合流制排水系统,其服务区地处市中心繁华地带,涵盖多处重要党政机关、领事馆、商业街等,地理位置十分重要。而其中的宛平路德昌路地区由于地势低洼,作为历史积水敏感点,本研究将其作为重点研究对象。研究区域内共包含6 座泵站,即肇家浜、鲁班、小木桥雨、宛平南、新蒲汇塘和乌鲁木齐,6 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:数据根据已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进行收集。研究团队应用InfoWorks CS 软件建立管网模型,梳理并校核了肇家浜地区8 300 余根雨水管道、8 100 余处检查井、6 座防汛泵站的34 台雨水泵和15 台污水泵数据,并在此庞大的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,如图1 所示。

(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,共形成不同研究区域的集水区1 959 块,如图2 所示。

(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,即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(HortonInfiltration 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。因此研究采用InfoWorks CS 的WaPUG UserNote 15 方法自定义参数进行储水补偿,如公式(1)所示。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。

X = AL(1)

其中:X—建筑物到模型管道的平均连接管长度;

A—汇水面积;

L—模型管道长度。

1.2 模型率定验证

模型率定验证基本方法: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肇家浜、鲁班、小木桥雨、宛平南、新蒲汇塘和乌鲁木齐等6 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,本次研究选取2013 年6 月23 日“小雨”和2012 年7月6 日“1 年一遇标准降雨”两种类型雨情分别进行验证,数据频率为5 min。

(2)率定验证成果:以2013 年6 月23 日降雨事件进行“小雨”雨情下系统模型和参数的率定验证。该日降雨总量为25 mm,降雨历时逾2 h,最大小时降雨强度达17. 5 mm/ h。模拟结果显示系统集水池水位曲线趋势基本吻合,系统总排放量误差最低为-9. 37%,最高为0. 19%,符合英国水力建模规范的率定标准。同样,以2012 年7 月6 日降雨事件进行“1年一遇标准降雨”雨情下的率定验证,该日降雨总量为55 mm,降雨历时5 h,最大小时降雨强度达43.2 mm/ h。模拟结果显示系统总排放量误差为-8. 97% ~2. 8%,符合英国水力建模规范的率定标准。

版权、出处:《净水技术》

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