上海浦东建筑设计研究院有限公司 上海 201206
摘要：随着市政设施管理水平的提高，GIS和SCADA系统在城镇排水领域的应用更加广泛。本文以上海市浦东新区科苑雨水系统为例，利用GIS数据建立市政排水管道模型，利用SCADA系统监控数据进行模型参数率定，并运用模型对系统1，3，5年一遇短历时降雨下的排水能力和100年一遇长历时降雨下的积水风险进行了评估。
关键词：城镇排水；模型；GIS；内涝评估
1 引言
城镇排水设施是重要的城市基础设施，是确保城市经济持续发展，社会和谐稳定的重要屏障。随着国内电子化、信息化、智能化技术的发展，排水行业也逐步从图档管理、人工记录操作逐步转变为利用信息化系统进行过程资产管理、实时信息采集、自动化控制的现代化管理模式。
上海市排水处自2007启动全市排水行业信息管理系统的建设，2010年初步建成，同步开展数据维护更新工作，至2016年已覆盖上海市16区县公共排水管道2.13万km，检查井59.5万座，公共排水泵站1084座，城镇污水处理厂53座。主要系统功能包含信息门户、规划管理、设施管理、运行监管、养护监管、受理执法、防汛排水等，实现了对上海地区城镇排水设施的全面数字化管理[1，2]。
上海市浦东新区排水管理所自2011年起启动浦东新区排水泵站自动化监控管理系统，监控对象为下辖220余座市政雨污水泵站以及易积水点。通过在雨污水泵站内设置基于PLC的逻辑控制和数据处理功能的控制系统和远程通信终端，实时记录排水设施设备的运行状态数据，实现运行监视和控制，并以此为基础建立集成信息查询、数据处理、设备控制和专题信息发布的信息化平台，全面掌控新区排水动态，为防汛决策提供支撑。
《国务院办公厅关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》（国发办【2013】23号）、《室外排水设计规范》GB50014-2006（2014版）、《城镇内涝防治技术规范》GB51222-2017等一系列政策标准的出台，要求城镇排水管理水平在现有信息化建设成果的基础上进一步提升，通过构建基于数学模型决策支持系统，建立防汛预案，充分发挥城镇排水设施的排水能力，减少内涝积水风险，优化泵闸的运行调度，为排水设施提标改造提供技术支撑。
目前上海市已完成部分中心城区（约150km2）的雨水系统建模工作，并开展了实时排水模型的试点研究工作[3]。为更好地开展浦东新区排水数学模型的应用，本研究以上海市排水行业信息管理系统（GIS）和浦东新区排水泵站自动化监控管理系统（SCADA）数据为基础，通过选取典型雨水系统作为案例，探索数学模型的数据需求和构建方法，并将模型应用于排水能力和内涝风险评估。对于区域的城镇排水模型构建具有一定的示范和参考价值。
2 研究对象
试点雨水系统选取原则：区域雨水系统建设完善，具有较高质量的管网基础数据，具有较长时段的排水设施设备运行数据，排水系统面积大于2km2。
研究选取的科苑雨水系统位于浦东新区中部张江地区，为已建成区，主要用地类型为科研教育以及医疗居住用地。系统服务范围北至吕家浜，南至川杨河，西起三八河，东至金科路，总面积约2.48km2，设计暴雨重现期P=1年。已建雨水泵站位于科苑路吕家浜西南角，泵站内设有雨水泵5台，现状规模14m3/s。系统内市政雨水管网已建成，主管管径DN400-Φ2700，总长度约11.9km。
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图 1 科苑雨水系统及下垫面解析成果
3 建立排水管网模型
3.1 管网拓扑
在GIS系统中根据系统服务范围裁剪出属于科苑雨水系统的检查井及管道要素，并将检查井编号、坐标、地面标高，管道起止节点、管径、起终点管内底标高等建模所需的字段导出。排水模型软件采用Infoworks ICM，利用其数据导入中心导入管线数据，建立管网拓扑。
利用软件管网连通性检查、纵断面检查、逻辑推断等功能修正导入数据中字段缺失、数据重复、孤立节点、井管断接等错误。
3.2 汇水区划分
将道路红线、河道蓝线等规划要素生成多边形shape文件导入Infoworks ICM，利用泰森多边形工具，道路红线内以雨水主井作为划分节点，地块内以街坊预留井作为划分节点，生成汇水区。
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图 2 模型拓扑图
本次建立的模型共计包含节点416个（含排放口1个），管段415个，水泵5个，汇水区412个。
3.3 下垫面解析
利用地形图、卫星图对区域下垫面进行解析。根据下垫面解析成果，确定汇水区不透水面积比例。
表 1 下垫面解析成果表
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4 参数率定
对SCADA系统记录的科苑雨水泵站2019-01-04至2020-10-26的运行数据进行查询和处理。重要的数据字段为记录时间、累计降雨量、集水池水位、泵状态（起、闭、故障）等。
原始纪录为非等间隔时间序列，记录间隔为40s-60s，通过内插法转换为分钟（秒）时间序列数据，再将累计降雨量数据转换为分钟降雨强度数据。
选取某一典型降雨事件，将降雨强度序列导入软件，生成降雨事件。将稳定的初始集水池水位作为管网系统的初始水位导入。再将水泵运行状态导入生成Infoworks ICM控制器对象，控制模型中水泵的运行。
表 2 主要参数率定结果表
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图 3 各降雨事件中的泵站进水管流量曲线
选取降雨事件2019-07-24进行参数率定，降雨事件2019-08-13、2020-06-12、2020-08-10进行对照。根据模型计算的结果反复调整参数，结果如表2及图3。
5 模型应用
5.1 管网排水能力评估
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图 4 P=3，5年时节点积水及管段超压状态
根据上海市地方标准《暴雨强度公式与设计雨型标准》DB31/T-1043，上海地区采用芝加哥设计雨型对室外排水系统进行模拟评估。降雨量根据短历时暴雨强度公式进行计算，设计暴雨重现期P=1、3、5年，降雨历时取T=120min，雨峰位置系数r=0.405，生成各重现期下的设计雨型输入模型。根据SCADA系统历史数据，科苑雨水系统旱天集水池常水位为2.0～2.4m，本次取2.4m作为模型节点的初始水位。计算结果如图4及表3所示。
通过模型计算，系统可满足设计暴雨重现期P=1年不积水要求。P=3年雨峰时部分上游节点出现积水，60%的管段出现超压状态。P=5年雨峰时积水节点数和超压管段数进一步增加。
表 3 P=1，3，5年时积水节点及超压管段统计
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5.2 内涝风险评估
根据《城镇内涝防治技术规范》GB51222-2017以及《上海市城镇雨水排水规划（2020～2035）》，上海地区内涝防治设计重现期为P=100年，采用模型计算时应采用不短于3h的暴雨。根据上海市地方标准《治涝标准》DB31/T 1121-2018，浦东片（北）100年一遇最大24h暴雨量为281.8mm，本次采用2005/8/6“麦莎”暴雨雨型生成设计雨型输入模型，模型各节点初始水位取2.4m。
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图 5 浦东片（北）100年一遇24h暴雨设计雨型
再将DEM输入模型构建一二维耦合模型，计算地面积水情况，结果如图6及表4所示。
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图 6 100年一遇24h长历时降雨下系统积水风险图
根据计算结果部分路段存在积水情况，局部积水深度超过50cm，结合管网排水能力评估成果，科苑雨水系统按照现行设计标准提标改造是必要的。
表 4 100年一遇24h长历时降雨下系统积水面积统计
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6 结论与建议
本研究在区域排水系统GIS及SCADA系统建设成果的基础之上，选取典型雨水系统构建数学模型，通过历史运行数据进行参数率定，并将模型应用于系统排水能力及内涝风险评估，对于推进区域排水管网数学模型构建和应用具有一定的参考价值及示范作用。建议后续研究通过二次开发构建标准数据接口，使模型拓扑能够与GIS系统同步更新，并且从SCADA系统自动获取水位、流量等状态数据，为构建实时模型建立基础。
参考文献：
[1] 梁珊珊，殷建，周彤.上海市排水设施基础数据维护工作简介[J].给水排水.2013，39（1）：111-116.
[2] 王文强.上海市排水行业管理信息化建设分析[J].中国给水排水.2016，32（18）：8-13.
[3] 谭琼，张建频，时珍宝，等.上海市排水系统数学模型应用现状及趋势[J].上海水务.2016，32（2）：35-38，47.
作者简介：
张烽（1988-），男，江苏南通人，硕士，工程师，主要从事市政给排水设计工作。