数字排水技术破解城市排水难题

   昨晚，北京市民再次惨遭暴雨袭击，城市内涝问题再次为城市管理者敲响警钟!

　　如何解决城市内涝?在规划等等之外，技术方面，城市排水系统究竟该如何建设?北京清华城市规划设计研究院环境技术所所长赵冬泉，在不久前中国水网主办的技术论坛上发言认为，采取数字排水(DigitalWater)技术是城市排水发展的必然选择，将有效破解当前的城市排水难题。

　　6大问题困扰排水系统管理

　　城市排水管网是城市水污染防治和城市排渍防涝的骨干工程,担负着收集城市生活和工业生产等污水、及时排除城区雨水和流经市区的雨水的任务,是保证城市正常运转的重要生命线。

　　伴随着我国城市化的进程,城市排水管网系统的建设速度快、规模大、更新快,排水管网管理的难度越来越大,长期以来排水系统管理中存在的问题日益显现,主要包括以下几方面：

　　①理法规和相关技术标准不完善，缺乏完善可靠的排水管网数字化管理技术规范,各个城市排水管网数字化管理水平和技术标准差异较大;

　　②大部分城市排水管网数据资料管理方式分散不系统,数据存储方式多样,部分城市“重建设轻管理”,造成排水管网数据不完整、不准确,对排水管网资产状况掌握不全面;

　　③分散不系统的管理模式和低效的查询分析方法难以体现复杂排水管网的网络特征和上下游关系,使得分析决策水平还停留在主观判断和简单推理的层次;

　　④排水管网的水力分析、调度分析、布局优化分析和应急事故分析缺乏科学依据,流域级别的综合管理模式无法实现,在应对防汛抢险等危机事件过程中现有管理调度手段苍白无力;

　　⑤缺乏全面完整、科学有效的管道养护筛选数据库,难以制定高效的管道养护计划,排水管网及排水设施的管理养护随意性大,养护效果也难以评估;

　　⑥缺乏有效的管网状态评估和运行监测手段,不能及时掌握管网排水负荷和运行状况的变化,基于实时在线数据的全管网系统分析和动态模拟分析鲜有应用案例。

　　数字排水(DigitalWater)技术是发展必然

　　基于目前现状，赵冬泉认为，只有采取信息化的管理手段对城市雨水管网数据进行统一管理、利用专业模型对雨水管网溢流状况进行分析诊断,才能提高城市雨水管网的管理和应急水平。

　　赵冬泉介绍，数字排水(DigitalWater)技术是新一代的城市排水管网管理工具,基于国内排水管网管理的数字化需求,利用先进的排水模拟计算引擎、数据库管理技术和GIS技术的集成开发,为排水系统数据的高效管理、排水系统的网络空间分析、排水管网的应用数字排水(DigitalWater) 平台。

　　他介绍，数字排水(DigitalWater)平台(以后简称“平台”)采取统一的排水管网综合管理数据库体系对大量雨水管网数据和监测数据进行有效管理维护,并利用先进的排水管网模型对城市雨水排除系统进行动态模拟计算,具有多界面的模拟结果动态展示和自动生成报表的功能。

　　为了便于用户更方便、快捷的对雨水管网溢流进行管理,在平台中对各种专业功能进行了集成开发,构建了可流程化操作的雨水管网溢流管理应用模块,从而辅助管理者对暴雨发生时城市雨水排除系统的溢流情况进行快速的分析和处理,为制定城市暴雨应急管理预案和应急事故快速抢险提供详实的数据支持。

　　平台可有效提高建模效率和模拟结果分析效果

　　由于城市排水系统的复杂性,简单的模型无法对检查井的溢流做出可靠的动态模拟分析。要完整地模拟降雨—径流过程和雨水收集过程,需要知道雨水在管道、明渠、自然排水沟等排水管渠中的水力规律变化,计算回水影响、逆流等复杂排水情况,从而计算降雨过程中排水管网的排水负荷压力,统计检查井的溢流量和溢流持续时间。城市雨水排除系统涉及大量的管线、检查井、泵站、雨水口、排水接口区域和背景图等空间信息,由于城市地表特征和排水管网的复杂性,单纯利用数学模型,将使模型构建成为一项繁重而复杂的工作。数字排(DigitalWater)平台将GIS技术和排水管网计算模型紧密集成,提供排水管网的拓扑关系维护、汇水区的自动划分、模型参数的自动提取、模拟结果动态表达等功能,大大提高了建模效率和模拟结果分析效果。

　　降雨情景模拟分析可对管网排水能力进行更全面评估

　　由于城市降雨强度具有时间和空间分布的不均匀性,降雨量对城市雨水排除系统的排水规律变化有很大的影响,不同雨型的相同降雨量的降雨过程对排水系统的影响也有所不同,所以采用不同的降雨情景进行动态模拟对于城市雨水排除系统的全面评估具有重要的意义。

　　城市排水工程设计中通常利用暴雨强度公式推求典型降雨过程,而这种方法计算复杂,耗时耗力。为了快捷的生成不同的降雨情景,该模块中设计开发了降雨过程生成器,可利用暴雨强度公式快速生成不同雨型不同重现期的降雨。从而辅助分析人员分析不同重现期、不同降雨量、不同雨型的降雨情景中雨水管网的排水规律。

　　由国内外的很多研究都证实，不同的降雨特征对城市雨水排除系统的冲击不同。实际使用中用户可根据区域防洪要求生成不同雨型、不同重现期、不同雨峰系数以及不同时间间隔的降雨,并导入系统进行模拟分析各种降雨情景下排水系统的负荷变化规律(如检查井溢流点和溢流时间可能不同) ,对城市雨水管网的排水能力进行更全面的评估。

　　新型模拟结果动态显示窗口可直观显示管道充满和溢流情况

　　在模拟完成后,平台提供了多界面多模式的模拟结果动态显示窗口,辅助分析人员从大量的模拟分析数据中直观的了解整个管网的排水负荷空间分布和时间变化规律,有利于将存在问题的区域锁定到比较小的范围,并进行详细的分析和对策方案的研究。如通过线的粗细区分管道充满度的变化,利用点的大小显示溢流量的大小变化,利用曲线图显示选中节点的溢流量变化过程线,利用纵断面显示水深变化情况,利用三维视图直观显示管道充满和溢流情况。

　　DigitalWater平台的综合管理数据库中已经考虑了降雨过程在线管道液位计和流量计监测数据的存储和管理。利用管网在线数据采集设备,构建适合当地条件的在线数据监测和传输体系,可以实时获取管网的排水负荷和当前运行状况,如:排水泵站开车情况、流量大小、积水深度等,并以专题地图、监测图像及数据图表等形式给予直观显示。

　　可利用这些数据进行模拟预测和防汛方案的制定,如:预测溢流发生时间、溢流量、排除积水所需时间、确定防汛应急响应级别及泵站开车台数等。利用模拟结果报表中的统计数据可以快速筛选出符合特定条件的检查井,如溢流时间大于1 h的检查被认为是严重溢流,会对城市环境造成严重影响,是短期内雨水管网改造的重点,而其他溢流检查井可以视其溢流的严重程度分别放到管网的中期改造和长期维护规划中。此外,可根据报表中的相关的统计列表,在降雨前有重点地做好防范设施以减少检查井溢流对城市带来的威胁。

　　数字排水(DigitalWater)平台可以为区域、排水流域或市域等各种不同级别的排水管网管理部门建立一个长期有效、统一方便的综合排水管网数据库,在“统一规划,分步实施”的指导思想下,通过持续的专业模块开发、管网数据维护和相应硬件支撑平台(计算机网络平台、大屏幕展示平台、管网液位与流量在线监测体系等)的建设,全面提升该地区的排水设施运营管理水平、规划决策水平和客户服务水平,为保障排水设施的安全稳定运行提供现代数字化管理手段。对提高城市雨水排除系统的应急管理水平具有重要的意义。

编辑：谷林