超大排水系统模型构建技术与应用

张爱平

(上海市排水管理事务中心,上海 200001)

全面推进数字化转型是面向未来塑造城市核心竞争力的关键之举,是超大城市治理体系和治理能力现代化的必然要求。 排水系统作为上海的安全中枢之一,是城市治理的重点,随着排水管网总量的增大和新时代排水系统功能需求的增加,原有依靠人工经验进行管理调度的难度越来越大,迫切需要通过构建排水信息化监管平台对排水系统进行系统性、综合性治理。 排水系统模型作为信息化平台的“智能中枢”,可用于初步识别系统存在问题,指导形成问题、工程、评估清单,为排水系统更新改造提供基础。 此外,排水系统模型还可以用于构建如污水干线系统平稳调度、内涝预警与预案编制、放江污染控制等多应用场景,促进排水业务管理能级提升。 鉴于此,项目将构建白龙港区域排水系统模型,其作为上海市排水运行调度管理平台模型构建的重要组成部分,将为上海市排水系统的现状评估[1-2]、洪涝灾害预测[3-4]、运行调度[5-6]和规划制定提供重要决策支持。

1 项目概述

1.1 项目范围

本项目的建设范围以上海市白龙港污水区域服务范围为边界,包含边界内现状污水及雨水系统,包括但不限于检查井、管道、泵站、调蓄池、污水厂、排放口等。 白龙港区域位于本市中部区域,其服务范围北至竹园区域南侧边界,西至闵行区界,南为闵行区界及杭州湾区域北侧边界,东至长江,服务面积约为1 075 km2,涉及黄浦、静安(南片)、徐汇、长宁、闵行、浦东及青浦(徐泾东部区域)7 个区。

1.2 污水系统

如图1 所示,白龙港区域目前已形成“二片、二厂、三线”污水处理格局。 “二片”指白龙港污水处理厂污水片和虹桥污水处理厂污水片,“二厂”指白龙港污水处理厂和虹桥污水处理厂,“三线”指污水二期中线、南干线、污水二期南线三条污水干线。

图1 白龙港区域污水系统Fig.1 Wastewater System of Bailonggang Area

1.2.1 “二片”

白龙港区域“二片”总服务面积为1 075 km2。其中,虹桥厂及其收集系统服务虹桥污水处理厂片,服务面积为67 km2。 现状白龙港污水处理厂和规划白龙港第二污水处理厂及其收集系统主要服务白龙港污水处理厂片,服务面积为1 008 km2。

1.2.2 “二厂”

(1)白龙港污水处理厂

白龙港污水处理厂规划设计规模为350 万m3/d,近期总规模为280 万m3/d,出水执行一级A 排放标准,另外包括应急处理设施(采用一级强化处理工艺)。 近年来,白龙港污水处理厂超负荷运行情况较为严重,其中2020 年平均处理水量为311.34 万m3/d,2021 年平均进厂水量为323.4 万m3/d。

(2)虹桥污水处理厂

虹桥污水处理厂设计规模为20 万m3/d,出水执行一级A 以上排放标准,另外包括容积5 万m3/d的污水调蓄池1 座。 近年来,虹桥污水处理厂处理水量较为平稳,其中2020 年平均处理水量为20.32万m3/d,2021 年平均处理水量为20.32 万m3/d。

1.2.3 “三线”

(1)中线

中线浦西段收集黄浦区合流污水,浦西总管过黄浦江后沿龙阳路,龙东大道、奚阳公路向东至白龙港污水处理厂,沿途有M1、M2 两座中途泵站。

(2)南干线

南干线主要节点泵站为南干线1#、3#、4#、5#和6#泵站,主要过江管有1 根。 南干线自日晖港起,穿越黄浦江,向东横贯川沙县全境,至长江口南岸的川沙白龙港。 由于南干线建设年代久远、应急抢险事件频发,目前正在对南干线3#～6#泵站间的干线管线实施搬迁改建。

(3)南线

南线总管服务范围涉及徐汇区、闵行区、长宁区和浦东新区中部地区。 主要节点泵站为SA 泵站、吴闵1#泵站、华泾港泵站及SB 泵站,主要过江管有3 根。

1.3 雨水系统

如图2 所示,白龙港污水系统范围内涉及到的雨水排水系统共计188 个,其中雨水强排系统有177 个,合流制强排系统为11 个。 目前区域内部分雨水系统正处于改造、建设期,预计至2035 年,区域内将建成197 个雨水排水系统,其中雨水强排系统增至186 个,合流制强排系统为11 个。

图2 白龙港区域雨水系统图Fig.2 Rainwater System of Bailonggang Area

2 模型构建思路

2.1 项目模拟软件

采用InfoWorks ICM 11.0 进行上海市中心城区(白龙港区域) 排水模型的建模与分析工作,InfoWorks ICM 是综合的城市排水、流域及海绵城市一体化模型系统,能够模拟树状管网和环状管网、重力流和压力流不同流态;上海常用管道断面形状、材料、粗糙系数、坡度;调蓄池、溢流、截留管道以及泵站、堰等附属构筑物的水流状况;能以图形、表格、动态专题图等多种形式展示排水系统管道负荷状态、系统积水冒溢等模拟结果。

2.2 项目顶层设计

根据项目要求,本次排水模型的建立过程中不做模型概化,保留GIS 系统中的所有检查井以及管道数据。 而上海市白龙港区域现状已建排水系统异常复杂,其中污水及合流管网约为3 825 km,雨水管网约为4 954 km,检查井数目超过33 万个。 为解决系统庞大、运行缓慢、无应用场景等问题,项目组从顶层设计出发,提出了“四分”思路,即“分系统、分片区、分主次、分时节”。

(1)分系统

分系统是指区分雨、污水系统,对两者分别建模(合流制地区则建立一套管网,考虑旱天及雨天情况),而雨水系统中的截流污水通过截流泵与污水系统进行关联(暂不考虑管网存在的局部雨污混接)。

(2)分片区

在污水系统中,将污水系统首先拆分为虹桥污水厂服务片区及白龙港污水厂服务片区,然后在白龙港污水厂服务片区中又根据3 条干线划分其相关支线服务片区,为后续主干模型与支线模型的区分提供基础,并保障建模范围全覆盖、无遗漏。

在雨水系统中,则根据现有的雨水片区进行划分,对每个雨水片区分别进行建模与率定验证,针对有连通的雨水系统,则考虑联合建模。

(3)分主次

对模型进行一、二级分类,其中一级模型为污水主干模型,包含污水系统主干以及泵站等相应设施。二级模型为雨污水(含合流制)的排水分区,包含支线、主管等所有市政管道。

(4)分时节

上海市排水系统运行受旱季、雨季影响较大,因此,在运行数据应用及率定过程中,区分旱季、雨季,并提出不同率定要求。

2.3 技术路线

基于上海市排水设施GIS 数据库,本项目排水系统模型构建的技术路线如图3 所示。 在对上海市中心城区开展基础信息调研,在获取社会经济、排水系统、地形水文、排水设施监测数据的基础上,根据建模类型与层级,输入/导入排水管网、泵站、汇水区下垫面等数据,设置模型初始参数,开展模型构建工作。 随后测试不同输入条件下模型的收敛性,确保所构建的模型数值稳定。 现状模型需要整理用于模型率定验证的旱天和雨天实测调查数据,通过率定验证合理识别模型参数。 结合系统特性和已有监测站点分布情况,选择合适的率定点位;必要时,补充开展临时流量监测。 最终可使用模型开展规划方案论证、风险评估、内涝预报预警、排水运行调度等应用。

图3 排水模型构建技术路线Fig.3 Technical Route of Drainage Modeling

3 模型数据资料

3.1 数据调查与收集

根据项目要求,调查、收集模型构建所需的数据及资料,如表1 所示,主要包括基础地理数据、监测/预报数据、设施数据以及业务数据[7]。

表1 基础数据收集Tab.1 Basic Data Collection

3.2 数据录入与整理

根据GIS、物探、竣工资料,将检查井和管网数据,包括检查井高程、编号,以及管道管底标高、管径、材质、系统类型等,导入模型网络中;根据管材、管龄分类设置管渠曼宁粗糙系数初始值;根据水力连接情况,合理设置局部水头损失,并结合模型率定调整。 管渠淤积严重的,模拟时考虑淤积深度对断面的影响。合理概化泵站、调蓄池、污水处理厂等排水设施,并根据设计资料、正确设置其空间位置及物理参数。根据调度方案及历史运行记录,合理设置设施中的各类控制对象,如检查井、管道、闸门、格栅、水泵等。

3.3 拓扑关系问题核查

采用可获得的最新资料模拟排水管网,并对其中的信息及拓扑关系进行核查。 根据经验,管道系统数据或多或少存在一些问题,主要包括以下9 类:信息缺失、标高存疑、倒虹存疑、管径存疑、管道连接性存疑、排口存疑、泵站存疑、孤立管道复核和孤立管道删除。

4 模型构建与试运行

4.1 雨水模型构建

白龙港区域雨水系统集水区的划分原则是根据原有的雨水片区,结合河道、地形和已建管道拓扑等,通过泰森的方法进行精细化的子集水区划分工作,整个白龙港区域最终划分超过15 万个子集水区。 对区域内15 万个子集水区进行下垫面批量提取工作,将其分为道路、建筑物、植被、水系、道路铺装以及其他6 类。 雨水模型的产流模型根据提取的6 种下垫面属性分成固定径流系统(Fixed)与霍顿产流(Horton)。 汇流模型统一采用城市经典的SWMM 汇流模型[8]。

模型采用的降雨主要为上海市实测降雨与设计降雨;河道水位数据为白龙港区域河道常水位数据;雨水泵站运行设置主要是将雨水泵站的历史运行数据清洗成5 min 等步长的运行数据通过RTC regulator 导入模型作为泵站启闭的边界条件。

模型试运行主要是通过采用不同重现期的降雨时间来评估模型运行的鲁棒性以及积水范围的合理性。 项目针对各雨水片区分别在1 年1 遇、5 年1遇以及50 年1 遇的降雨条件下进行模拟,查看模型运行的稳定性,同步评估模拟产生的积水点合理性(包括积水深度、相邻检查井冒溢情况),并与现有积水点资料进行对比。

4.2 污水模型构建

通过问题识别、反馈、复核、更新机制,全面梳理白龙港区域污水管网家底,最终形成包括3 条干线、72 条泵排支线、133 条重力支线在内的白龙港区域污水系统拓扑关系图。 考虑到模型响应速度及后期污水模型的应用场景,将污水排水模型分为两大组成部分:污水主干模型以及污水支线模型。

(1)污水干线模型

白龙港系统过于复杂,污水主干管道总长度超过180 km,因此,采用分段梳理、分段建立、分段验证的思路,即从白龙港污水厂出发,根据主干节点泵站逐步向上游拓展,最终完成白龙港系统整体污水主干模型的建立。 其中,第一阶段建设范围为M2/SB 至白龙港污水处理厂;第二阶段建设范围为M1/华泾港/吴闵一至白龙港污水处理厂;第三阶段为纪一泵站至白龙港污水处理厂,即全流程模拟。

将建立的第四阶段白龙港污水主干模型进行2022 年度的模拟。 其中,白龙港污水处理厂全年模拟水量为10.9 亿m3,进厂水量为11.1 亿m3,全年总水量误差为1.8%,选取典型旱天、小雨、大雨工况进行率定,纳什系数分别为0.86、0.83、0.83;虹桥污水处理厂全年模拟水量为8 099 万m3,进厂水量为8 186 万m3,全年总水量误差约为1.1%,同样选取典型旱天、小雨、大雨工况进行率定,纳什系数分别为0.61、0.51、0.51。

(2)污水支线模型

根据白龙港污水系统拓扑关系图,完成支线及相关泵站污水输送量及配泵能力梳理,并开展污水支线建模工作。 其中:生活污水的输入主要由居民生活污水量以及居民污水曲线两部分组成;地下水入渗量来自实际调研及测算数据;污水泵站的运行设置主要是将污水泵站的历史运行数据清洗成5 min 等步长的运行数据通过RTC regulator 导入模型作为泵站启闭的边界条件。

针对所有污水支线进行试运行测试,确保污水支线可以正常运行。

5 模型应用

5.1 辅助雨水系统全生命周期管理

通过排水模型形成“问题清单、工程清单、评估清单”,为雨水系统更新改造提供基础。 其中,“问题清单”为利用模型识别、预测城市雨水系统现状瓶颈及其可能产生的问题及风险;“工程清单”为利用模型为工程新建或改造提供可行、高效方案,并可辅助确定区域性工程开展时序;“评估清单”为利用模型对工程方案实施前后的效果进行预评价和后评估,确定其成效并辅助提供运行策略。 通过3 张清单,方便业主单位或者主管部门进行区域级甚至是市域级的雨水系统全生命周期管理。

以白龙港区域肇家浜与小木桥雨水系统为例进行说明。 在模型构建的基础上,为了保障模型的可用性及准确性,将肇家浜泵站前池液位作为率定点位,选取两场典型降雨对片区雨水模型进行率定验证,其中降雨Ⅰ(大雨,12 h 降雨量为15 ～29.9 mm)的纳什系数为0.72,降雨Ⅱ(中雨,12 h 降雨量为5～14.9 mm)纳什系数为0.69。

在确定模型可用的情况下,采用不同的降雨事件,评估现状雨水系统在不同降雨工况下的最大积水深度、积水面积以及非建筑物积水面积占比,如图4(a)所示。 此外,还可对雨水系统目前所在风险等级及系统改造后的风险等级变化进行评估及对比,如图4(b)所示。 高风险地区主要出现在肇家浜系统北部、西部系统末端处及地势低洼处。 通过模拟工程改造后情景可知,高风险区域明显减少,尤其针对100 年1 遇及郑州7·20 降雨,风险等级明显降低。 在本模型中风险等级以积水深度与积水时间为依据,其中:低风险指积水深度在0.15 ～0.25 m 且积水时间在0～30 min;中风险指积水深度在0.25 ～0.50 m 且积水时间在0 ～30 min,或积水深度在0.15～0.25 m 且积水时间超过30 min;高风险指积水深度在0.25 ～0.50 m 且积水时间超过30 min,或积水深度>0.5 m 且积水时间>0。

图4 模型辅助雨水系统全生命周期管理Fig.4 Full Lifecycle Management of Model Auxiliary Rainwater System

5.2 污水系统旱天平稳输送

在不新建或改扩建任何设施的基础上,为降低白龙港污水处理厂应急处理设施运行量和启用天数,对其运行调度策略进行研究。 建立白龙港污水处理厂主干模型,根据接入干线泵站的逐5 min 启闭数据、旱天日均流量等信息对旱天进行模拟,以期为干线接入泵站的运行策略提供指导。 为便于各区管理与协调,将各接入主干泵站划分至各行政区进行综合控制,当各行政区采取表2 的流量控制方案,可在保障系统不冒溢的基础上,白龙港污水处理厂的流量不超过35 m3/s。

表2 各行政区流量控制方案Tab.2 Flow Control Scheme for Each Administrative Region

应用模型模拟的各行政区流量控制方案运行,2022 年白龙港厂生物处理量为297.3 万m3/d,比2021 年增长1.8%;应急设施运行量比2021 年减少48.2%,启用天数降低26.7%。

为保障模拟的合理性,对白龙港污水处理厂主干模型进行率定验证。 2021 年的全年模拟水量11.42 亿m3,实际进厂水量为11.63 亿m3,全年总水量误差为1.8%;2022 年的全年模拟水量10.93亿m3,实际进厂水量为11.16 亿m3,全年总水量误差约为2.1%。 此外,选取典型旱天进行率定,其纳什系数基本大于0.8,且模拟峰值流量相对误差不超过8%。

6 总结与建议

6.1 总结

本项目主要工作内容包括构建白龙港污水区域的污水和雨水排水系统模型,主要取得如下成果。

(1)全面收集与整理模型相关数据:根据建模需求,针对基础数据梳理出4 种数据类型以及14 种重要原始数据,并按照用途对其进行相应处理(含多源数据匹配以及数据格式统一)与清洗(含异常数据识别及处理),使其在应用过程中正确且可靠。

(2)梳理管网拓扑关系初见成效:获得白龙港区域内雨水、污水、合流制管道、检查井GIS 数据资料,在对其进行标准化处理(本次工作主要为坐标转化及矫正)后,并对其完整性及拓扑关系合理性(主要包括:连接性错误、标高缺失、管道缺失、倒坡等)进行核查,对存在问题进行核实、处理与记录。

(3)高标准建模确保模型能用且好用:分级分类建立白龙港区域排水模型,建立白龙港污水主干模型,2022 年白龙港污水处理厂全年总水量误差为1.8%,选取典型旱天、小雨、大雨工况进行率定,纳什系数分别为0.86、0.83、0.83;虹桥污水处理厂全年总水量误差约为1.1%,同样选取典型旱天、小雨、大雨工况进行率定,纳什系数分别为0.61、0.51、0.51。 此外,针对一些重点雨水片区开展了较为严格的率定验证(含流量过程纳什系数及峰值流量及峰现时间验证),亦能保障较好的模型精度。

(4)模型边建边用初现智慧核心价值:目前排水模型在雨水系统评估及污水系统调度中开展了尝试性应用并取得了一定的成效,为后续模型应用场景的构建提供了思路和基础。

6.2 建议

(1)模型需长期更新维护:目前白龙港区域雨污水系统存在大量更新改造工程,因此,存在部分基础数据不新不全的问题,需迭代更新行业数据库与模型网络,保障模型长期稳定有效。

(2)模型应用场景仍需拓展:目前已将模型应用于系统评估、风险预测等方面,但与建设预期中的使用目标仍有差距,因此,在后续排水模型应用中需进一步根据使用场景对模型进行深化,保障其发挥城市排水系统治理“核心大脑”的功能。