基于水力模型的智慧排水工程設計與應用

羅賢偉

(上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092)

隨著我國城鎮化的進程加快，城市規模急劇增大，給城市排水、管網等管理工作帶來了嚴峻的挑戰，隨之智慧城市建設應運而生，智慧排水是智慧城市的重要組成部分。智慧排水借助“SCADA+GIS+MIS”整合模式，實現對廠、站、網在線監測設備的智能感知、積水模擬預測、優化調度及運行評估，為城市防汛排水及調度提供了豐富的分析數據，為排水管理實現智慧化奠定了夯實的基礎[1-4]。

1 智慧排水的需求

1.1 智慧排水系統存在的問題

智慧排水在排水企業中已經伴隨著智慧城市的步伐在如火如荼地進行，其目的是要解決排水運行過程的實際問題，為排水管理排憂解難。存在的關鍵問題主要有4個方面：(1)對于廠站網缺乏集中監管的有效手段；(2)對于管網泵站評估與分析缺乏科學依據；(3)對于多廠站的跨地域管理缺乏科學調度；(4)建立排水模型需要具備什么條件，要針對哪些數據進行分析、整理及匯總。

1.2 智慧排水管理的建設需求

智慧排水以城市排水管理信息化為核心，以新一代信息技術(如云計算、大數據、移動互聯網、物聯網等)和水力模型理論為基礎，對城鎮區域范圍內排水過程進行最優化管理，輔助企業管理者提升整體運營管理水平及調度決策能力?；谥腔叟潘脑O計理念和系統應用落地，需要實現4個方面的基本需求：(1)基于物聯網的智能感知需求；(2)基于排水模型的綜合分析和管理需求；(3)基于排水模型的泵站調度需求；(4)基于排水模型的智慧排水系統需求。

1.3 智慧排水應用達到的效果

通過構建“一網一平臺”智慧排水，實現“全面感知、預警分析、科學評估、優化調度”，進而實現各類資源的全面共享與跨部門跨層級的業務協同，持續提升排水綜合管理能力，實現排水管理、服務、決策更加科學、精細和智慧，提升企業整體運營管控能力和水平。達到的效果：(1)增強了排水公司集約化監管能力；(2)為城市防汛積水預警及分析提供科學依據；(3)為城市排水管網及泵站調度提高了決策支持能力。

2 智慧排水總體設計

2.1 設計原則

運用國內外成熟、先進的水力模型及計算機技術，把握信息化發展的大趨勢，結合城市排水實際情況、特點、使用需求及對未來發展的要求，系統建設應遵循先進性、實用性、標準性、經濟性、開放性、安全性、穩定性、擴展性等原則。

2.2 總體應用架構設計

智慧排水平臺總體框架設計如圖1所示。

圖1 總體應用架構設計圖Fig.1 Architecture Design of Overall Application

2.3 總體網絡架構設計

城市排水公司具有完善的內外網基礎設施建設，智慧排水系統作為公司層面的調度指揮中心平臺，數據庫和應用服務器等建設在公司機房內，具體網絡架構如圖2所示。污水處理廠、泵站與公司之間均建立VPN通訊鏈路；管網流量計、液位計，河道液位計均通過無線方式通訊；通過Internet獲取氣象部門發布雨量數據。

圖2 總體網絡架構設計圖Fig.2 Architecture Design of Overall Network

3 排水管網水力模型核心應用功能

智慧排水系統通過建立區域排水管網系統離線和在線水力學模型，幫助管理人員對排水系統中的薄弱區域進行判斷，指導應急調度，實時提供運行預警，優化調度策略，為防汛調度提供決策支持。該模型系統為智慧排水提供以下核心應用功能支撐。

3.1 管網數據檢查

根據已經整理好的管網拓撲數據和管網運行數據對管網進行初步建模，通常會有大量的拓撲關系錯誤和其他數據錯誤。拓撲結構校驗的同時，可以找到GIS的輸入錯誤信息。通過本階段的校驗，基本要求達到管線連接關系與實際相符。整理并出具管網補測數據清單表，以供管網勘測參考。

3.2 預案模擬分析

用戶根據實際需要自行配置不同情況(不同季節、不同污水管網負荷)的模擬預案，或者設定雨季時不同的降雨強度，分析某區域內排水管網的運行狀態，可以讓管理者及時掌握管網中的各種狀態，如流量和流速等。根據模擬分析，能夠評估排水管網的現狀，分析發現排水管網運行過程中存在的問題，輔助排水調度。

3.3 管網工況分析

系統針對不同降雨期間、用水最高時、事故時等用水工況進行水力計算和工況校核分析，通過排水管網水力模型計算，分析現有城市排水系統的工況，為排水企業找出潛在的缺陷問題，以及對高風險管段提出規劃改造建議。

對高負荷水量下的工況進行深入模擬分析，模擬泵站突發停機、合流管網降雨溢流、排水管網溢流等工況下可能會出現的問題，針對排水管網出現的問題進行原因分析，為應急措施提供決策依據。

3.4 城市積水分析

在線模型通過與SCADA系統對接，采集降雨實時數據，模擬未來發生積水的橋區或敏感點，預測某地點積水發生的時間，大大提升城市防汛預測能力和防汛應急處置水平。

系統具有氣象數據接口和水力模型接口，可根據氣象數據和當地的暴雨強度公式，計算雨型，然后結合區域排水水力模型，計算預測區域中敏感點處的積水情況，包括積水范圍、最大積水深度、消退時長等。為管理者進行決策提供了強有力的數據支撐，以便管理人員和決策人員及時、準確地了解，并對現場進行指揮調度。

3.5 排水能力評估

通過水力模型與GIS地理信息系統結合，展示模擬區域范圍的各種降雨情況影響，再結合已有污水泵站、雨水泵站、調蓄池及城市海綿設施進行聯合調度，在一定時間范圍內評估城市基礎排水設施的排水能力、效果及對區域防汛減輕的作用。

3.6 泵站運行評估

泵站運行評估分2種模式：單獨泵站運行評估和多級泵站運行評估。單獨泵站運行評估是指對所涉及建模區域內每個單獨泵站水泵運行的能耗、水泵和前池的匹配情況進行具體評估分析。多級泵站運行評估又叫多級泵站聯合調度評估，其目標是弄清楚現狀多級泵站處理水量與運行規則之間的關系，為廠、站、網聯合調度提供優化運行與調度決策依據。

4 基于水力模型的智慧排水應用

4.1 智慧排水門戶

智慧排水門戶是對外信息發布和瀏覽的窗口，集眾多信息于一體，實現一體化監管，包括廠、站、網等實時數據呈現，與水力模型系統集成，積水預警信息發布。智慧排水門戶以對企業繁多的系統進行集成和通用為出發點，立足為統一化綜合管控提供有力的平臺，避免信息孤島，實現多源、多系統集成、數據共享的目標。應用單點登錄統一訪問技術、多框架集成技術，使得各個系統可以集中使用和統一管理，能夠有效防范風險、優化管理，減少企業IT維護成本，提升運營效益，為企業發展帶來較大的增值作用。

4.2 集中運行監管

智慧排水一體化運行監視系統應用集污水處理廠、泵站、管網、河道、雨量等廠、站、網全過程監測數據于統一平臺，構建各個業務環節的實時監視、數據分析、統計報表、實時報警等運行監視功能。實時反映廠、站、網的生產運行狀態，實現集約化實時動態遠程監視，輔助管理者全面掌握排水運行情況，為智慧排水聯合調度提供基礎的一體化監視功能。一目了然地了解排水風險點，優先處理風險等級高的問題，有利于資源的調配，同時，也利用智慧排水系統輔助實現了多廠站、跨地域、精準化調度決策支持。

4.3 調度決策支持

(1) 管網流速與壓力評估

管網流速和管網壓力將通過不同顏色分別代表高風險、中高風險、中低風險和低風險類別，在GIS地圖上進行直觀顯示。通過分析復雜管網的網絡拓撲結構、上下游之間的關系，幫助準確掌握管網的結構特征。通過結合雨、污水排水現狀動態模擬，分析得出管網流速和管網壓力，能夠更全面反映排水管網的排水負荷現狀，分析出雨污水管網系統中的薄弱環節和區域，為城市管網的規劃及改造提供決策支持。

(2) 溢流點分布

根據模型模擬的管道水動力結果，分析易發生污水溢流的節點，并在GIS地圖上以不同顏色代表不同風險等級對管道進行展示。

(3) 調度信息查詢

通過在GIS地圖上點擊任意模型要素能夠查詢任意節點或管道的水位、流速等信息。通過排水管網水力模型計算，分析現有城市排水系統不同降雨期間、用水最高時、事故時等用水工況，實現工況信息查詢。

(4) 動態模擬

系統根據實際需要自行配置不同情況的模擬預案，動態模擬管網中的流量和流速，評估排水管網的現狀，分析發現排水管網運行過程中存在的問題，輔助排水調度。

4.4 泵站優化調度

獲取排水管網歷史數據和實時數據，預測未來某時段內的運行情況。根據不同工況進行模擬分析，得出泵站運行結果，輔助調度決策，可提高對單級泵站或多級泵站聯合調度、合理調度的優化決策能力，也增強了風險控制能力。

4.5 水力模型集成

水力模型軟件需要結合信息化平臺對模型結果進行直觀性展示，以起到對日常工作的決策支持與調度指揮作用?；谂潘緦嵤┝斯芫W水動力學模型系統，可最大限度地實現模型數據及分析結果的共享性。

通過對應用在GIS地圖上展示排水管網水力學模型的計算結果進行分析，動態模擬管網運行狀況，實現對城市排水系統的科學管理、預測分析。排水管網模型集成設計與應用邏輯結構如圖3所示。

圖3 排水管網模型集成設計與應用圖Fig.3 Integrated Design and Application Diagram of Drainage Network Model

4.6 調度方案管理

基于方案管理理念，通過方案管理的模式對系統中涉及到的各類型(離線、在線)、各時段模型進行管理，為用戶提供一系列模型編輯、計算和結果展示評估功能。系統基于方案庫的概念構建方案體系，用戶系統中所研究的模型方案均可由這一系列模型模板派生而來。

使用方案管理模式，并基于水力模型的技術，使得系統能夠較容易搭建各類模型，并按照相應的需求對模型進行設置和調整，快速做出符合要求的模型文件。系統能夠模擬展示某個時間段內(如連續幾個小時或1 d)降水的動態變化過程，通過選擇不同時間段對不同顏色代表的降水情況進行模擬動畫播放。

4.7 排水調度預警

結合泵站、管網及雨量計的實測數據進行分析，針對某個敏感點，如A橋區，根據模型模擬可預測該區域是否積水、積水面積、積水深度等情況，并發布預警信息。根據預警情況區分嚴重程度，形成態勢分析圖，為防汛排水調度提供決策支持，從而輔助決策人員根據當前狀態提出應對預案。

4.8 排水智能感知

智能感知為智慧排水保駕護航，實現數據采集、信息集成和智能感知的水務物聯網感知平臺。

從污水處理廠、泵站、管網、河道、雨量等監測設備、儀表中采集實時在線監測數據、集成視頻，實現采集與集成方式統一化、標準化、共享化。通過建立數據生命周期管理機制，結合智慧排水系統平臺應用，實現統一數據匯聚、共享交換及集成服務平臺，確保智能感知數據的實時性、安全性、準確性、完好性及穩定性，為智慧排水提供可靠的數據基礎保障。

4.9 智慧移動應用

移動應用系統采用嵌入式GIS、空間分析、無線通信等技術，通過移動手持終端實現城市防汛應急信息發布、查詢、反饋以及應急指揮互動，為城市防汛應急一體化、實時化、精確化提供強有力的信息技術保障。實現的應用功能主要包括：GIS輔助查詢、天氣信息預報、實時監視、報警信息、即時通信工具、輔助綜合指揮信息服務。

5 項目應用實例

(1)建模示范區域范圍

N城市正在建設基于水力模型的智慧排水系統，排水管網模型研究區域包括2座污水處理廠服務區域，總面積約為90 km2，包括40座雨、污水泵站。研究區域內排水管網為雨污分流制管網，污水經提升泵站最終進入污水處理廠，雨水就近排河或排江。

(2)遇到的問題及應對策略

智慧排水系統建設過程中管網存在2種主要問題：管網流向不明確、建模示范區相關管網數據缺失或不明確。由于管網年代久遠，無CAD圖紙資料，部分管線概化處理，最終會影響管網建模的精準性及實施的整體效果，因此，對本項目提出建立1～2個典型示范點進行建模。方案策略為建立平臺+示范點：一是建立基于水力模型的完整智慧排水平臺，保障系統功能完整性；二是選定2個易澇的橋區示范點，且要求本區域范圍的管網、泵站、液位監測等資料相對齊全。根據排水管網水力模型建模需要對這2個典型示范點所需的相關數據進行勘測，以達到建模的要求。

(3)項目建設成效

N城市智慧排水項目基于示范區模型及示范點建設主要建設成效包括離線模型應用、在線模型應用及智慧排水應用。

離線模型應用：使用示范區管網離線模型評估管網現狀，分析不同工況下管網負荷、泵站運行情況，優化泵站調度，并運用離線模型分析不同降雨條件下排水系統負荷及預測積水。根據模型實現示范區域管網現狀評估、預案分析及優化調度方案。

在線模型應用：以率定后的離線模型、氣象資料、實測雨量、水位及水泵啟閉等相關數據為基礎，實現在線模擬、在線預測預報功能。運用模型分析排水系統內易積水區域、積水原因、預測給定雨量、雨型強度等條件下的積水區位置分布、積退水過程等，為防汛提供事先積水深度、積水信息預警，為汛期突發事件提供實時調度策略。

智慧排水應用：模型結果輸出，并能與智慧排水系統集成，實現集中運行監視、調度決策支持、泵站優化調度、調度方案、排水調度預警及移動應用功能，為城市排水防汛實時化、精確化提供強有力的信息技術保障。

6 結論與展望

城市排水管網復雜，存在部分雨、污水管混接。城市高速發展，城市水文、用地條件的改變和氣候變化，帶來很大的雨洪壓力。排水系統如何與城市形象協調，建立智慧排水城市，會面臨不少的挑戰，多級泵站的合理調度在其中起著重要作用。

本文總結了基于水力模型的智慧排水設計與應用，借助信息技術、GIS技術及模型仿真技術，實現對排水管網運行狀態隨時、隨地監控和科學評估，建立了一套完善的定量化決策支持系統，并結合水力模型計算結果，實現排水管網過程的模擬仿真，提升排水行業的運營管理水平，從而達到優化調度、節能減排的目的。未來可結合大數據分析，挖掘出排水系統中的薄弱環節，輔助管網改擴建設計，加強排水系統的可靠性和穩定性運行。