城市排水防汛預(yù)警決策支持系統(tǒng)運(yùn)行性能評(píng)價(jià)

王 輝，張留瓅

（上海市城市排水有限公司 排水設(shè)計(jì)研究分公司，上海市 200090）

防洪排水

城市排水防汛預(yù)警決策支持系統(tǒng)運(yùn)行性能評(píng)價(jià)

王 輝，張留瓅

（上海市城市排水有限公司 排水設(shè)計(jì)研究分公司，上海市 200090）

吸收引進(jìn)先進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的實(shí)時(shí)模型技術(shù)，集成排水管網(wǎng)仿真模擬和基于WEB的信息發(fā)布技術(shù)，利用scada系統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)、管網(wǎng)水力模型和氣象信息，通過建立城市排水防汛預(yù)警預(yù)測(cè)支持系統(tǒng)，率先在示范區(qū)實(shí)現(xiàn)了對(duì)排水系統(tǒng)運(yùn)行狀況的預(yù)報(bào)，對(duì)積水等事件的預(yù)測(cè)預(yù)警，以及對(duì)泵站調(diào)度的輔助決策支持，為建立適合上海本地特征的以信息和模型集成技術(shù)為基礎(chǔ)的智能調(diào)度決策系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

城市內(nèi)澇；預(yù)警預(yù)報(bào)；在線排水模型

0 引言

近年來，高速發(fā)展的城市化進(jìn)程引起城市水文特性的顯著變化，市區(qū)建筑日趨密集，混凝土路面面積急劇增加，雨水滲透能力減弱，雨水滯留與調(diào)蓄功能顯著下降；加之城市熱島效應(yīng)又造成降雨頻率增加，降雨歷時(shí)延長(zhǎng)，對(duì)于排澇標(biāo)準(zhǔn)普遍較低的城市排水系統(tǒng)來說，雨水更易積漫，排澇歷時(shí)增加。而城市經(jīng)濟(jì)類型的多元化及資產(chǎn)的高度密集型特征使得城市的綜合承載能力脆弱。上海在排水信息系統(tǒng)建設(shè)上已經(jīng)完成并積累了海量的歷史數(shù)據(jù)，包括排水設(shè)施的信息化管理、排水泵站運(yùn)行調(diào)度管理系統(tǒng)、道路積水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了城市排水防汛預(yù)警決策支持系統(tǒng)[1,2]（以下簡(jiǎn)稱防汛實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)）。

1 防汛實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)簡(jiǎn)介

防汛實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)在快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的水力模擬引擎的基礎(chǔ)上，引入實(shí)時(shí)模型，實(shí)時(shí)模型系統(tǒng)通過讀取SCADA系統(tǒng)采集的遙測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合排水管網(wǎng)模型對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及路面積水事件進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，提供泵站實(shí)時(shí)調(diào)度策略，并將結(jié)果對(duì)相關(guān)群體進(jìn)行發(fā)布，為排水決策提供輔助支持。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。防汛實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)日常執(zhí)行在線旱天模式，后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行，每隔兩個(gè)小時(shí)運(yùn)行一次并保存狀態(tài)，運(yùn)行穩(wěn)定性良好，能夠?yàn)橛晏祛A(yù)警模式的切換提供熱啟動(dòng)數(shù)據(jù)；降雨情況下，系統(tǒng)進(jìn)入雨天預(yù)警模式后，能夠在各種強(qiáng)度降雨情況下每隔15 min輸出一次預(yù)報(bào)模擬結(jié)果，實(shí)時(shí)生成應(yīng)對(duì)暴雨情況的調(diào)度方案運(yùn)行穩(wěn)定性較高。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行瀏覽、預(yù)報(bào)預(yù)警、輔助調(diào)度及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能，見表1。相系統(tǒng)運(yùn)行3年來，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整、優(yōu)化運(yùn)行，該系統(tǒng)對(duì)于強(qiáng)降雨天氣造成的城市內(nèi)澇提供了重要的決策支持。下面將就長(zhǎng)橋示范區(qū)防汛實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

圖1 防汛實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

表1 重點(diǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)預(yù)警系統(tǒng)基本功能

2 長(zhǎng)橋示范區(qū)概況

長(zhǎng)橋及相關(guān)系統(tǒng)采取分流制排水方式，位于徐匯、閔行交界地區(qū)，根據(jù)示范區(qū)地形信息資料，示范區(qū)內(nèi)以居民區(qū)為主，共計(jì)約11.6 km2，主要涉及隴南、隴西、梅隴、長(zhǎng)橋、康健和羅秀等6個(gè)排水系統(tǒng)，5個(gè)相關(guān)泵站。該區(qū)域四面均為河道水系，系統(tǒng)封閉性較好，受周邊排水系統(tǒng)影響較小。預(yù)警區(qū)域所處地理位置見圖2。

圖2 預(yù)警區(qū)域范圍圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行性能分析研究

該系統(tǒng)主要針對(duì)強(qiáng)降雨天氣造成的城市積水進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)及輔助決策支持。為此，本文以長(zhǎng)橋及周邊排水系統(tǒng)為為例，選擇強(qiáng)降雨及臺(tái)風(fēng)等條件下，評(píng)估防汛預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行性能。由于長(zhǎng)橋周邊系統(tǒng)未安裝管網(wǎng)內(nèi)的固定積水監(jiān)測(cè)點(diǎn)，故對(duì)系統(tǒng)周邊重要的三座泵站的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。典型日降雨情況見表2。

表2 示范區(qū)典型日降雨情況表

（1）大雨

2014年9月22日屬于大雨降雨標(biāo)準(zhǔn)，至次日凌晨1時(shí)，降雨量累積46.6 mm，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)降雨預(yù)警模式，隨后雨勢(shì)加強(qiáng)。長(zhǎng)橋系統(tǒng)及周邊三座泵站實(shí)際運(yùn)行情況及模擬預(yù)測(cè)情況見圖3。

圖3 2014年9月22日長(zhǎng)橋、梅隴、及羅秀泵站模擬預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 顯示，降雨期間，防汛預(yù)警系統(tǒng)分別模擬預(yù)測(cè)了長(zhǎng)橋、梅隴及羅秀三座泵站未來數(shù)小時(shí)內(nèi)的運(yùn)行水位，并根據(jù)運(yùn)行水位提供了泵機(jī)開啟的推薦運(yùn)行方案。將模型模擬運(yùn)行水位與SCADA系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行記錄進(jìn)行比較，三座泵站模擬運(yùn)行水位與實(shí)際水位波峰與波谷在出現(xiàn)的時(shí)間上有較高的一致性，且隨降雨歷時(shí)兩者具有基本相同的變化趨勢(shì)，表明防汛預(yù)警系統(tǒng)在降雨期間基本上反映了排水系統(tǒng)內(nèi)水位的變化特性。但由于實(shí)際運(yùn)行過程中，泵站的啟閉受系統(tǒng)間的聯(lián)合調(diào)度及預(yù)抽空等諸多主客觀因素影響，因此，實(shí)際運(yùn)行水位較模擬水位偏低。同時(shí)，模型模擬了泵站內(nèi)泵機(jī)應(yīng)執(zhí)行的最優(yōu)調(diào)度方案，即未來數(shù)小時(shí)內(nèi)該泵站應(yīng)開啟的泵機(jī)臺(tái)數(shù)及持續(xù)的時(shí)間，以最大程度降低系統(tǒng)內(nèi)降雨積水情況。模擬結(jié)果顯示，模擬調(diào)度方案與實(shí)際運(yùn)行調(diào)度方案在最大開泵臺(tái)數(shù)、開啟時(shí)間、持續(xù)時(shí)間均具有較高的一致性。

（2）“海葵”臺(tái)風(fēng)

“?？迸_(tái)風(fēng)期間，長(zhǎng)橋示范區(qū)內(nèi)當(dāng)日降雨達(dá)大暴雨標(biāo)準(zhǔn)，全天總降雨量達(dá)到113.9 mm。三座泵站模擬與實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)比見表3。

表3 “海葵”期間泵站降雨預(yù)警結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 2012年8月8日長(zhǎng)橋泵站模擬預(yù)測(cè)結(jié)果

由表2可以看出，“?？迸_(tái)風(fēng)期間，梅隴、羅秀兩座泵站實(shí)際運(yùn)行水位峰值與模擬結(jié)果較為吻合，水位模擬誤差值在15%以下；而長(zhǎng)橋泵站由于“海葵”來勢(shì)兇猛，泵站實(shí)際運(yùn)行中采取了低水位運(yùn)行模式，導(dǎo)致水位峰值誤差較大。同時(shí)，模擬與實(shí)際最大開泵臺(tái)數(shù)一致，且雨水泵開停時(shí)間與實(shí)際基本一致，誤差較小。降雨期間，三座泵站模擬運(yùn)行水位與實(shí)際水位變化趨勢(shì)基本一致，水位峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本一致，見圖4。

2012年至今，預(yù)警決策支持平臺(tái)主要經(jīng)歷了兩次大規(guī)模臺(tái)風(fēng)降雨考驗(yàn)，其中2013年10月7日的“菲特”臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從影響上海到離境前后共計(jì)3 d，降雨強(qiáng)度也超過2012年8月8日的“?？迸_(tái)風(fēng)。預(yù)警決策支持平臺(tái)自2013年10月6日早上10：35進(jìn)入雨天預(yù)警模式，至10月9日上午9：00轉(zhuǎn)入在線旱天模式，總計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過70 h，共計(jì)運(yùn)算并輸出結(jié)果280次。臺(tái)風(fēng)期間平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，梅隴泵站能夠持續(xù)穩(wěn)定輸出預(yù)報(bào)模擬結(jié)果，且模擬結(jié)果與SCADA系統(tǒng)記錄吻合程度較高。

4 結(jié)論

（1）預(yù)警決策支持平臺(tái)的建立主要是為了應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨天氣下的城市防汛安全問題，平臺(tái)運(yùn)行期間了經(jīng)歷了大雨、暴雨及“?？迸c“菲特”臺(tái)風(fēng)等極端天氣的考驗(yàn)，該平臺(tái)能夠較準(zhǔn)確地反映管網(wǎng)及泵站的運(yùn)行情況，較好地發(fā)揮了決策支持作用。

（2）建議根據(jù)排水系統(tǒng)管網(wǎng)布局，在關(guān)鍵管段安裝水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為模型的驗(yàn)證提供更為詳實(shí)準(zhǔn)確的依據(jù)。并對(duì)模型實(shí)際運(yùn)行情況持續(xù)進(jìn)行總結(jié)分析，為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局提供指導(dǎo)。

[1]祁繼英,白海梅.水力模型用于排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].中國(guó)給水排水,2008,24(4)：36-39.

[2]譚瓊,張建頻,時(shí)珍寶.排水實(shí)時(shí)模型在上海防汛中的示范應(yīng)用[J].中國(guó)市政工程,2013(10)：118-110.

TU992

A

1009-7716（2016）05-0120-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.033

2016-01-19

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)

（2013ZX07304-003）。

王輝（1982-），女，河北石家莊人，工程師，從事市政排水與污泥處理處置研究工作。