分流制排水系统中水力模型对运行方案的优化.pdf

2 0 1 6 年 0 2 月第 O 2期 城 市道桥与 防洪 防洪排水 1 1 9 D O I ： 1 0 1 6 7 9 9 c n k i c s d q y 2 0 1 6 0 2 0 3 2 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 ， 张留堞 ( 上海 市城 市排水 有 限公 司排 水设计 研 究分公 司 ， 上海 市 2 0 9 0) 摘 要 ： 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。 关键 词 ： 水 力模 型 ； 排 水系统 ； 积水模 拟 ； 优化 中 图分类 号 ： T U 9 9 2 0 3 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 1 1 9 0 4 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l 1 l 。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 2 0世纪 6 0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 。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 I n Wo r k s C S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 7 8 0 h m 。研究 区域包含 4个排水 系统 ，分别为梅 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 0 2 8 基金项 目 ： 上 海市城 市建设 投资 总公 司科 研项 目( 2 0 1 2 ) 上海市 重点区域排水防汛实时预警系统研究 作者简介： 高磊( 1 9 8 3 一 ) ， 女， 上海人， 工程师 ， 从事环境科学 、 城 市 排水方 面研 究工作 。 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 = I 。 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 、 G I S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 I n Wo r k s C S软件建立管 网模型， 梳理并校核了长桥地区 2 6 0 0余根雨水管 道 、 3座泵站 、 1 6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 G I S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 圈 ( 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 的接人点位置 、 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 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 0 防洪排水 城 市道桥与 防洪 2 0 1 6 年 0 2 月第O 2 期 ( 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 I n f o Wo r k s C S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( F i x e d P R Mo d e 1 ) ； 透 水表 面 的产流 模 型采用 霍顿 渗透 模 型 ( H o r t o n I n fi l t r a t i o n Mo d e 1 ) ； 汇流模 型采用 S WMM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 I n f o Wo r k s C S的 Wa P U G U s e r N o t e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 。 ( 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 I n f o Wo r k s C S的 Wa P U G U s e r N o t e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 。 = 争 ( 1 ) 式 中 ： 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 l 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 1 0 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 问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 S C A D A数据作为模型的率定验证数据基础 ， 以 5 m i n 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 、 基础旱流作为输人条 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 一 9 9 8 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 2 防洪排水 城市道桥 与防洪 2 0 1 6 年 0 2 月第 0 2 期 3 结论 与建议 ( 1 ) 研 究 以长 桥地 区排 水 系统 为对 象 ， 运 用 l n f o Wo r k s C S软件成功建立 了该地区的水力模 型 ， 挑选历史降雨事件对模 型进行率定验证 。结果表 明，模拟值与实测值的相对误差符合英国水力建 模规范 的率定标准 ， 模拟结果符合实际 ， 能够反 映 研究 区域的实际水力运行过程 。 ( 2 ) 经过评估 ， 长桥地 区排水系统在现行运行 方案 下 ， 基本 可以应对 1 a一遇暴雨 ， 虽然相关泵 站 尚有一定富余能力 ，但地 区内管 网能力 尚显不 足。因此当面临强度更大的降雨时 ， 系统能力将无 法满足防汛安全的需求 。 ( 3 ) 合理地运行水位对平衡水环境与防汛安全 关系非 常重要 。长桥地 区在采取运行调控优化措 施后， 积水情况得到相应改善， 尤其在应对 1 a 一 遇设计降雨时 ，研究 区域 内积水面积从 0 3 0 k m 减少到 0 2 5 k m ， 同时积水深度与退水时间均相对 减少 ， 取得 了较好 的效果 。 ( 4 ) 由于研究 区域为分流制地 区， 但存在一定 的雨 污混接现象 ，建议 日常旱 季和 中小雨时按原 高水位运行模式 ，以实现泵站的节能降耗和环境 保护 目标 ； 在大到暴雨期 间以排水安全为主 ， 适 当 降低泵站 的控制水位 ， 进一步提 高防汛能力 ， 减少 暴雨对地区内的积水影响 。 参考文 献 ： 1 1谭琼 ， 张 建频 ， 时珍 宝 排 水实 时模 型在上 海防 汛 中的示 范应用 J 中 国市政 工程 2 0 1 3 ( 1 0 ) ： 1 1 8 - 1 2 0 2 】 王竞茵， 张朝升， 荣宏伟， 等 水力模型在城市排水系统规划设计 中的应 用 J 环境 科学与技 术 2 0 1 4 ( 7 ) ： 1 7 3 1 7 6 3 1 陈吉宁， 赵冬泉， 等 城市排水管网数字化管理理论与应用 M I 北 京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 1 0 4 耿 为 民， 李剑 计算 机在 城市 排水管 网设 计 中的应 用 城 市道 桥与 防洪 ， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 6 4 6 7 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 X r 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 电 七 七 七 七 七 七 七 七 七 电 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 ( 上接 第 1 1 8页) 模板做三套。模板为组合式钢模板， 安装时站 楞每 隔 1 m间距设 置一对 ， 上下用 1 2螺 丝杆 卡 住。内侧木楞支顶， 以保证梁板施工宽度， 模板安 装 时涂擦 隔离剂。 ( 2 ) 梁板安装有两部分 ， 其一是支座的安装 ， 其二为梁板安装。支座安装时要求支座位置准确， 底座半整清 洁 ， 标高和设 计图纸一致 ， 如与 图示不 同， 应调整下部构造标高 ， 使 完成后 的上部结构达 到要求的标 高 ，所有这些调整应得到监理工程师 的同意。支座垫石混凝土做到一次浇注完成 ， 表面 平整 ， 高程精确 。预制板安装时 ， 注意做好支座 的 保护 ， 防止吊装过程中造成损伤 。 ( 3 ) 施 T 导 流 本工程施工 围堰采用草袋 围堰 ，相应 导流建 筑物设计洪水标准为 51 0 a ， 本工程导流建筑物 采用 5 a 一遇设计洪水标准 。 本工程水 下作业工程 主要 为桥 台基 础和桥 中 墩基础 的施工 。工程施工在枯水期进行桥梁施工 ， 利用围堰将上游来水部分截 留在河道 内 ，一部分 利用 围堰 中埋管 ( 内径 8 0 c m， 长 1 0 m) 将水排 入下游河道 ， 以降低围堰的填筑高度。 根据本工程采用枯水期 围堰挡水 的导流方式 的特点及施工进度安 排情况 ，导流挡水建筑 物选 择草袋围堰 。 堰顶顶宽为 2 0 m， 迎水坡 、 背水坡坡 比均采用 1 ： 1 5 。围堰布置在桥位桥墩基坑开挖线 上 游 1 0 r n外 ， 沿水 流垂 直方 向布置 ， 与两侧 堤防 形成封闭系统 。 6 结语 综 上所述 ，在设 计 中碰到漫水桥等特殊T作 环境下桥梁设计采用不 同的设计方法， 漫水桥作 为 一 项交通设施 ，设计及施工时应该充分考 虑到过 水时行车及行人 的安全 ，尽量避免漫水 时事 故的 发 生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m