CN111898911A - 一种排水防涝应急方案设计系统 - Google Patents

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时珍宝
沈庆然
张建频
沈于田
孙如驭
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Abstract

本发明属于防涝工程领域，涉及一种排水防涝应急方案设计系统，包括输入模块、排水系统信息模块、降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块、方案设计模块、输出模块。本发明还包括该系统的应用。本申请的排水防涝应急方案设计系统首次使用数学模型与防涝经验相结合，精确、快速的模拟不同降雨情况下的排水情况，并提供了相应的排水防涝方案参考，有助于大幅降低排水防涝方案的设计时间，为尽量减少防涝成本、抗涝损失提供了有力依据。

Description

一种排水防涝应急方案设计系统
技术领域
本发明属于防涝工程领域，尤其涉及一种排水防涝应急方案设计系统。
背景技术
随着城市的不断开发建设，混凝土屋面、道路等不透水面比例大幅增加，导致城市水文循环状况发生了较大的改变。相较于开发前的自然下垫面，城市化地区径流系数增大，产汇流时间缩短，洪峰流量、峰现时间提前，给城市防涝工作带来了较大的压力。
近年来，气候的变化加剧、极端暴雨天气频发。极端暴雨天气往往会在短时间内带来强降雨，如果没有很好的预防措施，将可能造成地面积水、地下空间淹水等现象，严重时将给社会民生带来严重影响。
为有效应对上述情况，各市、地区都制定了适应城市发展的需求的防御自然灾害的预警机制。气象部分通常将暴雨预警信号分为“蓝、黄、橙、红”四色，以上海气象局公布的预警信号为例，暴雨蓝色预警的认定标准为：未来6小时内，可能或已经出现下列条件之一并将持续：(1)1小时降雨量达35毫米以上；(2)6小时降雨量达50毫米以上。气象部门公布的相关标准，为各市、地区制定暴雨灾害应急预案提供了依据。
传统的防汛能力评估通常以排水系统设计标准为依据，只能较为粗略的判断排水系统的防汛能力和面临的内涝风险。排水系统数学模型通过计算机模拟计算，可精确计算管渠在各种不同降雨和控制条件下的流量、水位、流速，预测地面积水发生的范围、深度和积水时间，更加精确量化的描述系统能力和风险；同时可演算不同工况时，排水系统的相关参数。数学模型技术手段为制定防涝应急预案提供了较好的工具。另外，采用模型技术进行设计已作为要求写入《室外排水设计规范》GB 50014-2006(2016年版)。应用排水管网模型进行排水系统规划、设计、研究以及应急方案制定将是未来排水工程领域的发展趋势。
利用模型支持排水防涝的预案制定工作，是提高城市排水防涝工作科学化水平的必要技术手段之一，然而，查询已公开的发明专利及论文，尚无关于排水系统防涝应急预案的系统的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种排水系统防涝应急方案的设计系统。
本申请提拱了一种排水防涝应急方案设计系统，包括输入模块、排水系统信息模块、降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块、方案设计模块、输出模块；
所述的降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别与输入块和方案设计模块相连，方案设计模块与输出模块相连；
所述的降雨选取模块与输入模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别相连，所述的降雨选取模块存储输入模块传来的设计雨型，根据排水系统所在地区(即目标区域或者研究区域)的暴雨强度公式，构建不同降雨重现期的设计降雨，并将设计降雨的参数呈分别递给截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块；
所述的排水系统信息模块与输入模块和截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别相连，存储输入模块呈递的排水管网、泵站和下垫面信息，并将这些信息呈递给截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块；
所述的截留污水外排模块与排水系统信息模块、降雨选取模块和方案设计模块分别相连；调取排水系统信息模块中排水管道和泵站的信息，根据降雨选取模块中的设计降雨和排水管道信息计算开启污水截流泵的限制条件，并呈递给方案设计模块；
所述的排水管调蓄模块与排水系统信息模块和方案设计模块分别相连，调取排水系统信息模块中的信息，根据降雨选取模块中的设计降雨和排水管道信息计算排水系统管网在不同绝对高程下的调蓄容积，并呈递给方案设计模块；
所述的排水管放江临界雨强模块与降雨选取模块和方案设计模块相连；提取排水系统信息模块的信息，设置放江泵停用并且仅开启截流泵，根据降雨选取模块呈递的设计降雨的参数推求保证排水系统不放江且地面不发生积水的临界雨强，并将该临界雨强呈递给方案设计模块；
所述的方案设计模块与截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别相连，整合截留污水外排模块、排水管调蓄模块和排水管放江临界雨强模块呈递的信息，将整合的结果传递给输出模块。
为了与现有的四色预警机制相匹配，所述的排水防涝应急方案设计系统还包括四色预警模块，其中预先设置四色预警的降雨量；
所述的四色预警模块与输入模块和降雨选取模块分别相连，输入模块接受设计降雨的信息并传输到四色预警模块，设计降雨的暴雨重现期选取与气象四色预警中对应的降雨量相适应。
较好的，所述的四色预警模块用设计降雨的信息模拟产生的管网节点平均最高水位衡量防汛效果，平均最高水位定义为所有节点水位峰值的平均值。
本申请的排水系统防涝应急预案制定方法可以视目标地区的气象部门的预警等级进行调整。也可以以设计降雨为主，或者匹配其他类型的降雨模式。
较好的，本申请选用常用水力学软件构建排水管网数学模型，或者通过自行设计的软件完成排水管网数学模型的构建。所选用或设计的软件，模拟的排水防涝条件包括树状管网和环状管网，重力流和压力流，常用管道断面形状、材料、粗糙系数、坡度，系统中管道的负荷状态和系统积水冒溢情况，回水影响和管网中倒流情况，附属构筑物的运行情况和常用排水防涝建筑物，等等。
例如，建模软件平台为InfoWorks CS模型软件平台，建立了包含支管、干管、泵站在内的排水管网水力模型。在以泵站实际运行的SCADA数据率定模型的基础上，开展应急预案制定研究。
本发明中，也可采用其他建模软件平台进行方案制定。若采用其他软件平台，则建模采用软件应能够模拟树状管网和环状管网，重力流和压力流不同流态，能够模拟常用管道断面形状、材料、粗糙系数、坡度，能够模拟系统管道超负荷状态和积水冒溢，包括回水影响和管网中反向流，能模拟附属构筑物如泵站、调蓄池、堰、孔、闸门等。模型软件的输入和输出接口能与GIS、CAD、Excel等常用软件无缝关联。
例如，InfoWorks CS提供多种模型供选择,本申请可以采用如下的水文水力模型：
(1)产流模型。本发明非渗透表面采用固定径流系数模型，渗透表面采用Green-Ampt模型，可以参见《城市雨水管网模型参数的率定与评价》(谭琼,李田,周永潮,等.[J].湖南大学学报(自然科学版),2008,35(1):31-35.)。可以采用其他经过率定的产流模型。
(2)汇流模型。选用美国环保局暴雨管理模型SWMM的汇流方法，用运动波方程和非线性水库方法计算流入节点的流量过程线。可以采用其他经过率定的汇流模型。
(3)管道水力模型按圣·维南方程组完全求解。
较好的，所述的开启污水截流泵的限制条件包括：旱天时排水管网内迅速排空的截污泵的开启数量；或者降雨时，在增强系统防汛能力的同时而不影响其他排水系统排放污水的前提下，能够开启的截污泵的最大数量。
较好的，所述的排水管调蓄模块中与方案设计模块连接，计算利用管道自身调蓄库容储存而不发生地面积水的最大降雨量呈递给方案设计模块。
较好的，所述的排水管调蓄模块中，以排水系统市政检查井最低地面高程为X m，通过查找调蓄-库容曲线，找出高程为X m时对应的管道调蓄库容V m3，再结合排水系统径流系数和排水系统面积，计算出管网内存水为V m3对应的降雨量毫米数。
较好的，对于未配置雨污混接截流泵的分流制强排系统，在放江泵不开启的情况下，所述的排水管放江临界雨强模块获得的最大降雨量为上述的最大降雨量；或者，对于配置了混接污水截流泵的分流制强排系统以及合流制强排系统，所述的排水管放江临界雨强模块获得的最大降雨量大于上述的最大降雨量，同时小于或者等于排水管放江临界雨强模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块获得的排水量的总和。
较好的，所述的排水防涝应急方案设计系统还包括排水系统预抽空时间分析模块，排水系统预抽空时间分析模块与降雨选取模块、排水系统信息模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块和/或方案设计模块相连；
在降雨选取模块的设计降雨为旱天、设定截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块处于高水位运行状态，根据水泵开启台数，计算排水系统从高水位预降到最低水位所需要的时间，并将该时间结果呈递给方案设计模块。
较好的，所述的排水防涝应急方案设计系统包括分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性的模块，所述的分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性的模块与排水系统信息模块、降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块和/或者方案设计模块分别相连；
所述的分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性的模块提取降雨选取模块中设计降雨的参数以及相应的排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块计算结果，获得不同防汛泵开启水位对排水系统防汛效果的影响；
所述的设计降雨的暴雨重现期选取与气象四色预警中对应的降雨量相适应；
用设计暴雨模拟产生的管网节点平均最高水位衡量防汛效果，平均最高水位定义为本次模拟所有节点水位峰值的平均值。
本发明还提供了上述排水防涝应急方案设计系统的应用，所述的排水防涝应急方案设计系统可用于制定、检验排水防涝应急预案。
所述的排水防涝应急方案设计系统也可以用于规划排水系统。例如，根据某地区的降雨情况，使用本系统检验将要施工的排水系统是否能够达到预期目标，相关的排水、防涝指标是否符合相关标准。
本发明涉及一种排水防涝应急方案设计系统，包括输入模块、排水系统信息模块、降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块、方案设计模块、输出模块。本申请的排水防涝应急方案设计系统首次使用数学模型与防涝经验相结合，精确、快速的模拟不同降雨情况下的排水情况，并提供了相应的排水防涝方案参考，有助于大幅降低排水防涝方案的设计时间，为尽量减少防涝成本、抗涝损失提供了有力依据。
附图说明
图1为排水防涝应急方案设计系统示意图。
图2为排水防涝应急方案设计系统升级版示意图。
图3为排水防涝应急方案设计系统的设计思路。
图4是排水泵站与污水输送干线运行关系示意图。
图5是管网系统高程-库容曲线。
图6是组合工况下系统预抽空时间分析。
图7是肇嘉浜系统调度因素敏感性分析。
图8是鲁班系统调度因素敏感性分析。
图9是不同调度方案下系统节点平均最高水位。
图10是蓝色预警标志，其中深灰色部分为蓝色。
图11是黄色预警标志，其中深灰色部分为黄色。
图12是橙色预警标志，其中深灰色部分为橙色。
图13是红色预警标志，其中深灰色部分为红色。
具体实施方式
以下参见示出的本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。
实施例1排水防涝应急方案设计系统
如附图1，本发明提供了一种排水防涝应急方案设计系统，包括输入模块、排水系统信息模块、降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块、方案设计模块、输出模块；
所述的降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别与输入模块和方案设计模块相连，方案设计模块与输出模块相连；
所述的降雨选取模块与输入模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别相连，所述的降雨选取模块存储输入模块传来的设计雨型，根据排水系统所在地区的暴雨强度公式，构建不同降雨重现期的设计降雨，并将设计降雨的参数呈分别递给截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块；
所述的排水系统信息模块与输入模块和截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别相连，存储输入模块呈递的排水管网、泵站和下垫面信息，并将这些信息呈递给截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块；
所述的截留污水外排模块与排水系统信息模块、降雨选取模块和方案设计模块分别相连；调取排水系统信息模块中排水管道和泵站的信息，根据降雨选取模块中的设计降雨和排水管道信息计算开启污水截流泵的限制条件，并呈递给方案设计模块；
所述的排水管调蓄模块与排水系统信息模块和方案设计模块分别相连，调取排水系统信息模块中的信息，根据降雨选取模块中的设计降雨和排水管道信息计算排水系统管网在不同绝对高程下的调蓄容积，并呈递给方案设计模块；
所述的排水管放江临界雨强模块与降雨选取模块和方案设计模块相连；提取排水系统信息模块的信息，设置放江泵停用并且仅开启截流泵，根据降雨选取模块呈递的设计降雨的参数推求保证排水系统不放江且地面不发生积水的临界雨强，并将该临界雨强呈递给方案设计模块；
所述的方案设计模块与截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别相连，整合截留污水外排模块、排水管调蓄模块和排水管放江临界雨强模块呈递的信息，将整合的结果传递给输出模块。
使用时，将降雨设计和排水系统信息填写到输入模块，由输入模块分别呈递给降雨选取模块和排水系统信息模块。这两个模块将分类存储的信息分别传输到截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界模块，截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界模块将分析计算的结果传输到方案设计模块整合，然后将排水系统防涝应急方案呈递给输出模块，并通过输出模块显示方案的内容。
实施例2排水防涝应急方案设计系统升级版
如附图2，本发明提供了一种排水防涝应急方案设计系统的升级版。升级版的排水防涝应急方案设计系统与实施例1的排水防涝应急方案设计系统相比，增加了四色预警模块和排水系统抽空时间分析模块。
使用时，将降雨设计和排水系统信息填写到输入模块。由输入模块分别呈递给排水系统信息模块和四色预警模块(和降雨选取模块)。四色预警模块将输入的降雨设计与四色预警降雨参数对比、分类，分类后的结果分别传输到截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界模块，截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界模块将分析计算的结果传输到排水系统抽空分析模块和方案设计模块整合，方案设计模块整合后将排水系统防涝应急方案呈递给输出模块，并通过输出模块显示方案的内容。降雨选取模块和排水系统信息模块可以将存储的信息一并呈递给输出模块进行显示。
具体而言，以上海市作为目标区域举例，建模所需资料包括但不限于：
自然地理：
收集研究范围1:500比例尺(或更大比例尺)的基础地形图，包括行政区划、道路、铁路、水系、居住用地、建筑物、植被地貌、高程点等相关图层。
收集研究范围主要建筑物、地铁线路及出入口的地理位置信息，用于内涝风险受灾体分析。
收集研究范围高清卫星图(达到10cm精度)，进行了下垫面解析处理工作。将下垫面至少划分为路面、屋面、绿化和其他共四类，作为模型精细化模拟的条件。
降雨事件：
考虑降雨的时空分布不均，研究范围内的雨量站分布密度宜不小于1个/2～3km2。
收集研究范围近年发生的较为典型的内涝事件的积水内涝情况及降雨过程，用于模型率定验证。
排水工程及调度资料：
收集与研究范围相关的排水系统市政排水管道、排水泵站的建设资料，以及相关污水输送干线资料，其格式及主要内容如表1所示：
表1排水系统资料收集情况
Figure BDA0002613147190000071
排水设施运行监测及维护：
收集研究范围内排水泵站、积水监测点的SCADA运行记录，排水管道CCTV检测资料，其格式及主要内容如下表所示。
表2研究范围排水设施运行监测及维护资料
Figure BDA0002613147190000081
收集排水管道检测资料，对CCTV勘测资料进行核查整理，重点关注严重沉积、阻碍物、坝头，并反映到模型参数。
内涝灾害资料：
内涝灾害资料主要包括区域历史上历年道路积水记录、易积水点分析资料、典型暴雨造成的灾害记录。
全市易积水点资料：
根据2013年排水管理部门梳理的全市103个积水点资料，研究区域内包含长宁、徐汇、黄浦(静安)等地的易积水点，即反复出现的积水点情况见下表：
此外，根据历史道路积水情况绘制的研究区域积水分布如下图所示。
设计暴雨：
采用排水系统所在地区的暴雨强度公式和设计雨型，构建不同降雨重现期的设计降雨，作为后续模拟中的降雨输入条件。当地没有相应暴雨强度公式和设计雨型的，可参照情况相似地区选取。
气象预警等级：
收集气象预警等级资料。
建模软件：
选取一款水力学软件并构建排水管网数学模型。该软件要能够模拟树状管网和环状管网，能够模拟重力流和压力流，能够模拟常用管道断面形状、材料、粗糙系数、坡度，能够模拟系统中管道的负荷状态和系统积水冒溢情况，包括回水影响和管网中倒流情况，能够模拟附属构筑物的运行情况，包括调蓄池、泵站和堰等常用构筑物。
实施例3使用排水防涝应急方案设计系统分析肇嘉浜路和鲁班路的应急排涝进行分析
肇嘉浜和鲁班排水系统均为合流制强排系统，位于上海市徐汇区中心区域，肇嘉浜系统服务面积约7.38km2，鲁班系统服务面积约3.58km2，系统现状设计暴雨重现期均为1年一遇，合流制溢流雨污水经泵提升后排入黄浦江。泵站均配置了SCADA系统，可实时采集传输泵站降雨、水位和水泵状态等运行调度数据。
上海市老城区大多数排水系统与周边系统是连通的，为减小模型空间范围边界的不确定性给模拟精度带来的不利影响，本文将研究区域周边的小木桥、新宛平、蒲汇塘、新昌平、江苏、成都、蒙自排水系统纳入管网模型建模范围，建模总面积约31.0km2，涉及9个排水系统、10座防汛泵站。模型涵盖9个系统所有市政管道和相关泵站、闸门等排水设施，建模范围拓展后足以反映研究区域所受到的水力影响，保证了研究结果的可靠性。
建模软件平台为InfoWorks CS模型软件平台。根据管网现状勘测和CCTV检测数据等，建立了包含支管、干管、泵站在内的排水管网水力模型。在以泵站实际运行的SCADA数据率定模型的基础上，开展应急预案制定研究。
(1)产流模型。本申请中非渗透表面采用固定径流系数模型，渗透表面采用Green-Ampt模型，可以参见《城市雨水管网模型参数的率定与评价》(谭琼,李田,周永潮,等.[J].湖南大学学报(自然科学版),2008,35(1):31-35.)。
(2)汇流模型。选用美国环保局暴雨管理模型SWMM的汇流方法，用运动波方程和非线性水库方法计算流入节点的流量过程线。
(3)管道水力模型按圣·维南方程组完全求解。
SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟,，可以参见《SWMM原理解析与应用展望》(梅超，刘家宏，王浩,等.[J].水利水电技术,2017,48(5):33-42.)。
利用管网GIS及高清航拍图获得管道和用地性质数据，研究区域下垫面被划分为市政路面、建筑屋面、绿化用地和其他铺装共4类以进行分布式模型模拟，研究范围内部无河道水系。根据地形和管道分布，划分子集水区共计3051个，涉及检查井12319个，管段13181段，管道总长度约350km，水泵总计92台，每台泵分别设置上下游节点、排放量、启闭水位等基础属性，开关泵水位根据上海市城市排水有限公司生产运行管理方案设定。利用模型工具进行管道连接性检查和纵断面检查，确保正确反映管网竖向高程和拓扑关系。
研究范围内排水系统皆为合流式排水体制，且主要位于商业和居住区，其晴天污水主要来自生活污水和少量地下水，工业废水很少。根据最新上海市污水处理专业规划，设置各排水系统的旱流污水排放系数。模型的上游边界反映系统所有水量来源，包括生活污水、地下水渗入、降雨径流。模型的下游边界反映影响系统水力特性的边界水力条件，实际水泵和拍门在模型中以模拟水泵和拍门处理。
短历时设计暴雨常用于管网水力模拟、辅助排水系统设计。本申请采用芝加哥设计暴雨雨型，雨峰为0.406，根据不同研究目标按照上海市暴雨强度公式推得各时段暴雨强度，得到不同暴雨重现期设计雨型，以此作为模型的降雨输入边界。
3.1泵站概况与截流污水外排条件分析
肇嘉浜泵站总规模为34.23m3/s，其中雨水配泵流量29.43m3/s(3.27m3/s*9台)，污水配泵流量4.8m3/s(1.2m3/s*4台，折合截流能力3.3mm/h)。鲁班泵站总规模为31m3/s，其中雨水配泵流量为25.6m3/s(2.56m3/s*10台)，污水配泵流量为5.44m3/s(大泵1.7m3/s*2台+小泵1.02m3/s*2台，折合截流能力7.8mm/h)。肇嘉浜和鲁班泵站属于白龙港污水片区服务范围，肇嘉浜泵站截流的雨污水经污水二期浦西支线接入SA泵站再转输至白龙港污水厂处理排放，鲁班泵站截流的雨污水出路有两个，可经南干线1#泵站进入南干线，或经污水二期浦西支线接入SA泵站后由二期干线输入白龙港厂处理后排放。
同肇嘉浜和鲁班排水泵站具有较大关联的干线主要为污水二期和南干线，可能制约系统运行能力的污水干线泵站主要是SA泵站、SB泵站、吴闵1#泵站、M1泵站、M2泵站和南干线1#泵站。通过建立包含肇嘉浜、鲁班等合流泵站以及相关污水输送干线及中途泵站的水力模型，研究旱天、雨天工况下系统污水的外排条件，为四色预警指令下发后管网系统预抽空和确定不同雨强降雨时截污泵的开启台数提供依据。
根据运行情况统计和旱天工况模拟分析可知，肇嘉浜、鲁班合流制排水系统在旱天具有较大的截流富余能力，目前截流泵开泵率25％即可完成服务范围旱季污水量输送。由于污水二期干线设计规模中考虑了合流制系统雨天截流倍数，污水外排干线在旱天时输送能力较为充足，这为雨天降雨前系统预抽空及雨天混合污水截流提供了有利的外部条件。
根据雨天工况模型模拟，当雨强超过10mm/h时，由于合流制系统截流雨水的增加以及分流制地区雨污混接带来的混接雨污水，污水二期干线逐步达到满负荷运行。SA泵站和污水二期上游吴闵干线吴闵1#泵站为并联泵站，SA泵站和吴闵1#泵站的雨季输送存在一定的制约关系。模拟结果表明，当SA泵站开3台泵，吴闵1#开3台泵时，将造成吴闵1#出水井过高(节点水压标高8.5m)而发生溢流。因为吴闵1#泵站主要输送分流制地区旱季污水以及雨天混接污水，当其来水较大时，根据优先输送污水的原则，先保障吴闵1#泵站来水输送，对负责合流制混合污水输送的SA泵站需限流。通过测算，限制鲁班、肇嘉浜和其他两座合流制泵站只开1台污水截流泵，同时适当优化调整吴闵1#、SA、SB以及干线上相关输送泵站的水位，基本可实现SA泵站雨天开2台泵、吴闵1#开3台泵的较优工况，保证污水二期南线和中线运行符合设计能力而不发生溢流。
根据上述旱天和雨天工况干线输送潜力分析，可得到以下关于研究区域外排干线截流潜力的结论：旱天工况下，污水二期和南干线具有一定余量，为管网系统内存留污水的预抽空提供了有利条件，可按最大截流能力开启截流泵，使市政管网迅速排空，保证降雨时用足管网的调蓄能力；雨天工况下，按照污水干线优先输送分流制污水的原则，考虑到外排干线的实际服务能力，肇嘉浜和鲁班合流泵站的截流泵各限开1台。
3.2排水系统管道调蓄能力分析
肇嘉浜、鲁班系统市政管网在不同绝对高程下对应的调蓄容积(库容曲线)见图5，在4.0m高程时，肇嘉浜系统的管道调蓄容积约12.2万m3，鲁班系统的管道调蓄容积约6.2万m3，折合降雨量均约为24mm。表3出了排水系统调蓄量与输送能力的对应关系，两个系统的调蓄容积折合降雨量约24mm左右，截流输送能力约3.3－7.8mm/h，防汛输送能力约20.5－36.8mm/h。两个系统均按1年一遇标准设计，肇嘉浜与鲁班系统管道调蓄容积量值相当，但鲁班排水系统的截流和防汛配泵能力均比肇嘉浜系统更高。系统内市政检查井最低地面高程为2.3m，根据管道库容曲线可知，在2.3m高程时，肇嘉浜系统的管道调蓄容积约11.7万m3，鲁班系统的管道调蓄容积约5.9万m3，折合降雨量约为23mm。这为后续研究中管网水位控制提供了边界条件。
表3肇嘉浜、鲁班系统调蓄输送能力表
Figure BDA0002613147190000111
3.3系统放江临界雨强模拟分析
由于合流制排水系统管网的调蓄能力和截流输送规模，当降雨强度不超过一定水平时，系统可不开启放江泵同时保证系统服务范围不发生污水冒溢地面，从而实现减少泵站放江污染、保护河道水环境质量的目的。本研究通过对1、2、3……10mm/h的各级暴雨强度等级降雨进行模拟，推求保证研究区域排水系统不放江的临界雨强。
在模型中设置控制雨水泵停用，仅开启截流泵，模拟分析各典型雨强下的系统积水情况。结果表明，肇嘉浜排水系统和鲁班排水系统的放江临界雨强分别约为7.0、8.0mm/h。因此，若下游污水输送干线能力不受限制(旱天时)，在雨强7－8mm/h的小雨可不开启放江泵，在保证防汛安全的同时避免雨污水放江对河道水环境造成污染。
此外，研究表明，截流泵开泵台数对于临界雨强的敏感性不大，这说明决定系统临界雨强的主要因素为排水管网容积而非泵站截流能力。因为同管网调蓄容积相比，截流泵所能应对的降雨强度相对很小。因此，前文分析中指出受吴闵1#泵站制约，肇嘉浜和鲁班泵站需限制截污泵的开启台数，对临界雨强及防汛安全的影响不大，但对水环境的影响较大。根据模拟计算，当受干线输送能力制约，截流泵限开一台泵时，初雨放江量增加44％～70％(8mm/h雨强标准雨型)。
3.4排水系统预抽空时间分析
根据3.1节的研究成果，旱天时污水干线外排能力充足，可以实现雨天前管道系统预抽空。由于当前水环境治理的需要，系统旱天往往处于高水位运行，据此，分别模拟了采取1台－4台截污泵(鲁班泵站包括大小截污泵组合开启工况)以及1－2台雨水泵将系统水位从泵站进水管管顶降低到最低技术水位(鲁班：-7.1m，肇嘉浜：-7.3m)所需时间，为预降水位进行基础条件分析。模拟结果整理如图6所示，图中W代表污水截流泵，Y代表雨水排江泵，“1W小”表示鲁班系统开一台小截污泵，以此类推。
由于肇嘉浜系统面积很大，单开一台污水泵达到预降水位需近10小时，随着开泵数量增大，所需时间减少，开启所有4台污水泵的预降时间约2小时20分钟，开启1台雨水泵降低水位约需3.5小时，开启2台雨水泵降低水位约需1小时40分钟。鲁班泵站污水泵有大泵(单泵流量1.7m3/s)小泵(单泵流量1.02m3/s)各2台，达到预降水位，开启1台污水小泵的预抽空时间约6小时40分钟，开启两台污水大泵时约需1小时，开启所有4台污水泵预降需时约半小时，与开启两台雨水泵的效果相当。由于鲁班系统面积相对小，且配泵系数较大，因此水位预降效率较高。以上研究结论为应急预案中系统预抽空时间的制定提供了依据，需要预抽空时，开泵台数和时间可根据图6直接读取。
3.5运行调度因素与防汛效果敏感性分析
一般而言，在管网和泵站设施固定不变的条件下，系统预抽空和降低防汛泵开泵水位有利于保证防汛安全。为研究这两个调度因素同防汛效果的关系，模拟计算了不同的预降水位、不同的防汛开泵水位对系统防汛效果的影响。
用不同的预降水位作为降雨来临时的初始水位条件，高水位对应泵站前池水位达到进水管管顶(肇嘉浜：-1.8m，鲁班：-3.1m)的初始状态，预降水位对应泵站前池水位达到技术水位(肇嘉浜：-7.3m，鲁班：-7.1m)的初始状态，预降水位相当于系统已经排空。用不同的雨水泵开泵水位作为降雨过程中控制雨水泵开启的启动水位，对开泵水位对防汛效果影响的敏感性进行研究，将开泵水位从-3.0m逐级增高到2.8m，每级增幅0.4m。
进行敏感性分析的降雨过程分别为1年一遇、2年一遇和5年一遇上海市短历时设计暴雨，与气象预警中黄色、橙色、红色暴雨预警相适应。用设计暴雨模拟产生的管网节点平均最高水位值衡量防汛效果，平均最高水位定义为本次模拟所有节点水位峰值的平均值。
肇嘉浜系统各降雨条件下调度因素与防汛效果敏感性分析结果如图7所示。结果显示：预降水位可一定程度提高防汛效果，1年一遇降雨下(相当于气象黄色预警等级)，预降水位工况相比高水位工况最大可降低系统最高水位0.2m，但随着降雨重现期增大(相当于预警等级提升)，预降水位工况的防汛能力提高效果不明显。同时，降低雨水泵开启水位有利于提高防汛效果，雨水泵开启水位同管网最高水位呈正相关关系，各重现期下两者的拟合方程及相关系数见图7。随着重现期增大，相关系数逐渐变小，雨水泵开启水位预降的防汛效果提升效应逐渐削弱，但通过截流泵预抽空仍有利于减少初期雨水放江，保护水环境质量。
表4肇嘉浜系统调度因素敏感性分析表
Figure BDA0002613147190000131
鲁班系统调度因素敏感性分析结果如图8所示，其总体趋势与肇嘉浜系统相仿，但其敏感度更高，1年一遇降雨下，预降水位相比高水位最大可降低系统最高水位0.39m。此外，若雨水泵开启水位同等降低，鲁班泵站防汛提升效果较肇嘉浜泵站更加显著。鲁班系统和肇嘉浜系统面积、配泵系数的差别是此结果的主要原因。
表5鲁班系统调度因素敏感性分析表
Figure BDA0002613147190000132
系统地面最低高程2.3m，因此管网最高水位标高应以不超过2.3m为安全标高。可从上述研究结果中得出保证管网最高水位低于系统地面高程最低点所需开泵的临界水位值，从而为泵站各防汛泵的开启水位制定提供依据。
3.6应急预案的制定
随着气象预报技术的发展，短临、短期的精细化预报产品可提供更加详细的降雨时程分布，在实际工作中，可结合气象预警等级和预报时程分布，根据不同提前量，制定预抽空预案，提高泵站应急的精细化水平。
综合上述系统外排能力、管网调蓄能力、放江临界雨强、预降水位和雨水泵开启水位的研究结果，结合不同预警等级的四色暴雨预警预报进行应急调度方案设计，并通过模型验证、调试和优化。
应急方案策略制定原则如下：(1)小雨时，最大程度利用管网调蓄和截流能力，削减泵站溢流放江；(2)根据气象预报提前量，结合预降时间要求和外排干线能力，优先采用截流泵进行水位预降，适时逐台开启雨水泵，控制系统水位。
蓝色预警(12小时50mm预警)时，暴雨强度小于7－8mm/h，在干线不限流时，可不开启雨水泵，按最大截流能力模式运行；若二期干线泵站要求限流，则系统只开启一台截流泵，当达到防汛水位时，开启雨水泵确保系统安全。
黄色预警(6小时50mm预警，1小时35mm预警)时，在接到预警后进入预抽空模式，根据气象预报，时间提前量充足情况下，肇嘉浜开启2台截流泵，在5小时内将系统降低到预降水位，鲁班开启1台截流大泵，在4小时内将系统降低到预降水位；预报时间提前量少时，参照图6选取截流泵开启台数，适时启动1－2台雨水泵，加快预抽空，降雨期间，开启一台截流泵，达到防汛水位时，逐台开启雨水泵。
其他颜色预警参照同样原则制定。方案主要结论见表6。
表6排水泵站防汛应急调度预案
Figure BDA0002613147190000141
Figure BDA0002613147190000151
因本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离其本身的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施案例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围之内做出变化和修改。

Claims (10)

1.一种排水防涝应急方案设计系统，其特征在于，包括输入模块、排水系统信息模块、降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块、方案设计模块、输出模块；
所述的降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别与输入模块和方案设计模块相连，方案设计模块与输出模块相连；
所述的降雨选取模块与输入模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别相连，所述的降雨选取模块存储输入模块传来的设计雨型，根据排水系统所在地区的暴雨强度公式，构建不同降雨重现期的设计降雨，并将设计降雨的参数呈分别递给截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块；
所述的排水系统信息模块与输入模块和截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别相连，存储输入模块呈递的排水管网、泵站和下垫面信息，并将这些信息呈递给截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块；
所述的截留污水外排模块与排水系统信息模块、降雨选取模块和方案设计模块分别相连；调取排水系统信息模块中排水管道和泵站的信息，根据降雨选取模块中的设计降雨和排水管道信息计算开启污水截流泵的限制条件，并呈递给方案设计模块；
所述的排水管调蓄模块与排水系统信息模块和方案设计模块分别相连，调取排水系统信息模块中的信息，根据降雨选取模块中的设计降雨和排水管道信息计算排水系统管网在不同绝对高程下的调蓄容积，并呈递给方案设计模块；
所述的排水管放江临界雨强模块与降雨选取模块和方案设计模块相连；提取排水系统信息模块的信息，设置放江泵停用并且仅开启截流泵，根据降雨选取模块呈递的设计降雨的参数推求保证排水系统不放江且地面不发生积水的临界雨强，并将该临界雨强呈递给方案设计模块；
所述的方案设计模块与截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块分别相连，整合截留污水外排模块、排水管调蓄模块和排水管放江临界雨强模块呈递的信息，将整合的结果传递给输出模块。
2.根据权利要求1所述的排水防涝应急方案设计系统，其特征在于，所述的排水防涝应急方案设计系统还包括四色预警模块，其中预先设置四色预警的降雨量；
所述的四色预警模块与输入模块和降雨选取模块分别相连，输入模块接受设计降雨的信息并传输到四色预警模块，设计降雨的暴雨重现期选取与气象四色预警中对应的降雨量相适应。
3.根据权利要求1所述的排水防涝应急方案设计系统，其特征在于，所述的开启污水截流泵的限制条件包括：旱天时排水管网内迅速排空的截污泵的开启数量；或者
降雨时，在增强系统防汛能力的同时而不影响其他排水系统排放污水的前提下，能够开启的截污泵的最大数量。
4.根据权利要求1所述的排水防涝应急方案设计系统，其特征在于，所述的排水管调蓄模块中与方案设计模块连接，计算利用管道自身调蓄库容储存而不发生地面积水的最大降雨量呈递给方案设计模块。
5.根据权利要求4所述的排水防涝应急方案设计系统，其特征在于，所述的排水管调蓄模块中，以排水系统市政检查井最低地面高程为X m，通过查找调蓄-库容曲线，找出高程为X m时对应的管道调蓄库容V m3，再结合排水系统径流系数和排水系统面积，计算出管网内存水为V m3对应的降雨量毫米数。
6.根据权利要求5所述的排水防涝应急方案设计系统，其特征在于，对于未配置雨污混接截流泵的分流制强排系统，在放江泵不开启的情况下，所述的排水管放江临界雨强模块获得的最大降雨量为权利要求5所述的最大降雨量；或者，
对于配置了混接污水截流泵的分流制强排系统以及合流制强排系统，所述的排水管放江临界雨强模块获得的最大降雨量大于权利要求5所述的最大降雨量。
7.根据权利要求1所述的排水防涝应急方案设计系统，其特征在于，所述的排水防涝应急方案设计系统还包括排水系统预抽空时间分析模块，排水系统预抽空时间分析模块与降雨选取模块、排水系统信息模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块和/或方案设计模块相连；
在降雨选取模块的设计降雨为旱天、设定截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块处于高水位运行状态，根据水泵开启台数，计算排水系统从高水位预降到最低水位所需要的时间，并将该时间结果呈递给方案设计模块。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的排水防涝应急方案设计系统，其特征在于，所述的排水防涝应急方案设计系统包括分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性的模块，所述的分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性的模块与排水系统信息模块、降雨选取模块、截留污水外排模块、排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块和/或者方案设计模块分别相连；
所述的分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性的模块提取降雨选取模块中设计降雨的参数以及相应的排水管调蓄模块、排水管放江临界雨强模块计算结果，获得不同防汛泵开启水位对排水系统防汛效果的影响；
所述的设计降雨的暴雨重现期选取与气象四色预警中对应的降雨量相适应；
用设计暴雨模拟产生的管网节点平均最高水位衡量防汛效果，平均最高水位定义为本次模拟所有节点水位峰值的平均值。
9.权利要求1所述的排水防涝应急方案设计系统的应用，其特征在于，所述的排水防涝应急方案设计系统用于制定、检验排水防涝应急预案。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的排水防涝应急方案设计系统用于排水系统。
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