CN112052561A - 一种排水***防涝应急预案制定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于防涝工程领域，公开了一种排水***防涝应急预案制定方法，包括：排水管网数学模型的构建与设计降雨的选取；气象暴雨四色预警等级分析；截流污水外排条件分析；排水***管道调蓄能力分析；排水***放江临界雨强分析；排水***预抽空时间分析；泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性分析。将水文水力模型软件运用于排水防涝应急预案的制定工作，能够显著提升应急预案的科学性，进一步减少排水***内涝风险。
Description
技术领域
本发明属于防涝工程领域，具体涉及一种排水***防涝应急预案制定方法，以及其应用场景。
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***设计标准为依据，只能较为粗略的判断排水***的防汛能力和面临的内涝风险。排水***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***能力和风险；同时可演算不同工况时，排水***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***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。
查询已公开的发明专利及论文，尚无应用排水管网数学模型并结合气象四色预警制定排水***防涝应急预案的方法，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，本发明针对上述问题，创造性的提出了防涝应急预案制定的技术方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种排水***防涝应急预案的制定方法。
为了达到上述目的，本发明收集了全世界各国家和地区的防涝应急方案制定措施，进行归类整理，从中挑选出至关应急防涝效果的因素和参数，根据我国容易发生洪涝灾害的主要地区的排水***设备和条件，整合形成一套排水***防涝应急预案制定体系，并在此基础上完成了本发明。
一方面，本发明提供了一种排水***防涝应急预案制定方法，包括下列步骤中的一个或者若干个：
排水管网数学模型的构建与设计降雨的选取；
截流污水外排条件分析；
排水***管道调蓄能力分析；
排水***放江临界雨强分析；
排水***预抽空时间分析；
泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性分析；
制定不同暴雨预警等级的应急预案。
较好的，所述的方法还包括气象暴雨四色预警等级分析。气象暴雨四色预警等级分析，是指气象部门用于暴雨预警时所用的蓝、黄、橙、红预警信号，不同的预警等级对应未来不同时长内不同的降雨量；
根据预警等级，匹配不同暴雨重现期降雨与之相适应，可以为后续模型模拟提供降雨输入条件。
本发明的排水***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。
所述的构建排水***数学模型包括：
1)确定研究区域范围，收集研究区域排水管网、泵站以及下垫面组成等数据。
2)选取水力学软件并构建排水管网数学模型，构建的管网数学模型经过率定和验证后，用于后续步骤中不同工况和情景的模拟。
3)设计降雨的选取。
对于选定地区(即目标区域或者研究区域)，可以利用管网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不少于市政路面、建筑屋面、绿化用地和其他铺装共4类以进行精确分布式模型模拟，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，采集包括检查井、管段、管道总长度、水泵台数等信息。每台泵分别设置上下游节点、排放量、启闭水位等基础属性，开关泵水位根据排水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***如果为合流式排水体制且主要位于商业和居住区，通常晴天污水主要来自生活污水和少量地下水，工业废水很少。可以根据当地污水处理专业规划，设置各排水***的旱流污水排放系数。模型的上游边界反映***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***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，其他附属构筑物在模型中按照实际参数设置。
所述的排水管网数学模型应当能够精确模拟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，***中管道的负荷状态和***积水冒溢情况，附属构筑物的运行情况和常用排水防涝建筑物。
其中，所述的***积水冒溢情况包括回水影响和管网中倒流情况。
所述的常用排水防涝建筑物包括调蓄池、泵站和/或堰等排水附属构筑物。
在选取水力学软件并构建排水管网数学模型的步骤中，所述的水力学软件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***中管道的负荷状态和***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。
在本发明的一个优选实施例中，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。
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***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,本发明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。
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.)。
EPA(Environmental Protection Agency，环境保护署)的SWMM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。其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水，径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行水量传输。该模型可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。SWMM自1971年开发以来，已经经历过多次升级。在世界范围内广泛应用于城市地区的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其它排水***的规划、分析和设计，在其它非城市区域也有广泛的应用。当前最新版本5.0是在以前版本基础上进行了全新升级的结果，可以在Windows操作***下运行SWMM5提供了一个宽松的综合性环境，可以对研究区输入的数据进行编辑、模拟水文、水力和水质情况，并可以用多种形式对结果进行显示，包括对排水区域和***输水路线进行彩色编码，提供结果的时间序列曲线和图表、坡面图以及统计频率的分析结果。最新的版本开发由国家环境保护署国家风险管理研究中心实验室下属的供水和水资源研究中心资助，同时也得到了来自CDM咨询公司的协助。
在本申请的一个优选例中使用芝加哥暴雨模型。芝加哥雨型是基于暴雨强度公式和雨峰系数的非恒定降雨情景合成方法。
暴雨强度是指某一段时间内的平均降雨量，用i表示。
暴雨强度公式：
q是设计暴雨强度【L/(s·hm2)】；
t是降雨历时(min)；
P是设计重现期(a)；
A1、C、n、b参数，根据统计方法进行计算。
较好的，所述的设计降雨的选取步骤包括采用排水***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，参照情况相似地区选取，同时，可以采用典型历史降雨事件进行模拟。
短历时设计暴雨常用于管网水力模拟、辅助排水***设计。
例如，本发明的一个优选实施例中采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。
在排水***防涝应急预案制定方法中，包括气象暴雨四色预警等级分析。
所述的气象暴雨四色预警，是指气象部门用于暴雨预警时所用的蓝、黄、橙、红预警信号，不同的预警等级对应未来不同时长内不同的降雨量，具体参考气象部门发布的相关预警预报信息。根据预警等级，匹配不同暴雨重现期降雨与之相适应，为后续模型模拟提供降雨输入条件。
在排水***防涝应急预案制定方法中，包括分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性的步骤，包括：
利用排水管网数学模型，模拟不同预降水位、不同防汛泵开启水位对排水***防汛效果的影响；
设计降雨的暴雨重现期选取要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；
结合地面最低高程，可以确定保证管网最高水位低于***地面高程时泵的临界开启水位，为泵站各防汛泵的开启水位制定提供依据。
一般而言，在管网和泵站设施固定不变的条件下，***预抽空和降低防汛泵开泵水位有利于保证防汛安全。可以模拟计算不同的预降水位、不同的防汛开泵水位对***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的初始状态，预降水位对应泵站前池水位达到技术水位的初始状态，预降水位相当于***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，将开泵水位从逐级增高。
参考《上海市合流一期工程雨天流入水量的模型评估》(谭琼,李田,张彦晶.[J].同济大学学报(自然科学版),2008,36(7):951-966.)对模型参数灵敏度的分析，选择灵敏度较高参数的初始值，提高模型率定效率，不同用地的产汇流等参数的初始值参照前述相关研究确定。分别以泵站的总体排放量和前池水位作为水量、水位率定指标。选择近年发生的若干场历时、强度不同的历史降雨，以降雨日实际降雨过程、基础旱流作为输入条件进行模型的率定与验证，水量和水位率定结果符合模型应用要求。
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年一遇目标地区短历时设计暴雨，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。
本方法不排斥使用其他评价防涝效果以达到类似目的的指标。
在本发明的一个优选实施例中，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***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。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。
以管网最高水位标高应以不超过***地面最低高程为安全标高。可以计算保证管网最高水位低于***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。
分析截流污水外排条件是指：
对于配置了混接污水截流泵的分流制强排***以及合流制强排***，利用排水管网数学模型，分析排水***在晴天和雨天时，开启污水截流泵的限制条件；通过分析，掌握在旱天时，能够开启截污泵的数量以便使排水管网内迅速排空；和/或
确定雨天时截污泵的最大开启台数，以保证在增强***防汛能力的同时而不影响其他排水***排放污水。
泵站概况与截流污水外排条件分析包括但不限于：泵站总规模及其中雨水配泵流量、污水配泵流量(较好的，计算出折合截流能力。还包括泵站截流的雨污水经污水的排放路径和污水出路，尤其关注可能制约***运行能力的污水干线泵站。
根据运行情况统计和旱天工况模拟分析了解目标区域排水***在旱天和雨天的截流富余能力。通常在旱天具有较大的截流富余能力，可以计算出可完成服务范围旱季污水量输送的截流泵开泵率。在雨天排水***负载增加，可以计算排水***管道满负载运行时的雨强，可能导致溢流、需要限流的管道和操作方案，从而获得雨天研究区域内外的排干线截流潜力。
分析排水***管道调蓄能力包括：
利用排水管网数学模型，计算排水***管网在不同绝对高程下的调蓄容积；
假设排水***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***径流系数和排水***面积，计算出管网内存水为V m3对应的降雨量毫米数；
通过分析，掌握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，为后续研究中管网水位控制提供边界条件。
分析排水***放江临界雨强包括：
对于未配置雨污混接截流泵的分流制强排***，在放江泵不开启的情况下，***靠自身管道调蓄容积能够接纳的最大降雨量为上述分析得到的降雨毫米数。
在本发明的一个优选实施例中，由于合流制排水***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，***可不开启放江泵同时保证***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。可以通过对各级暴雨强度等级降雨进行模拟，推求保证研究区域排水***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***积水情况。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***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。
较好的，本发明的方法还包括分析排水***预抽空时间的步骤：
对于旱天时管道内无存水的完全分流制***，由于管网内已经处于排空状态，无需进行本步骤。
在本发明的一个优选实施例中，分别模拟了采取1台-4台截污泵以及1-2台雨水泵将***水位从泵站进水管管顶降低到最低技术水位所需时间，为预降水位进行基础条件分析。
可以计算使用污水泵和雨水泵达到预降水位的时间，并制作预降水位和抽空时间的对应曲线，为应急预案中***预抽空时间的制定提供了依据。
制定不同暴雨预警等级的应急预案是指，以上述分析成果为基础，制定应急方案策略，包括但不限于：
小雨时，最大程度利用管网调蓄和截污泵的截流能力，不开启放江泵，削减泵站溢流污染；
根据气象预报的提前量，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***水位。
较好的，分析排水***放江临界雨强步骤中，配置混接污水截流泵的分流制强排***以及合流制强排***；
根据管网自身存在调蓄空间以及截流泵存在截流输送能力，当降雨强度不超过一定水平时，***可不开启放江泵同时保证***服务范围内不发生积水，同步实现减少泵站放江污染、保护河道水环境的目的；
利用所述的数学模型，在模型中设置放江泵停用，仅开启截流泵，利用构建的不同降雨强度的设计暴雨进行模拟，推求保证排水***不放江且地面不发生积水的临界雨强；
通过分析，能够掌握***不放江的临界降雨强度值。
较好的，分析排水***预抽空时间步骤中，对于旱天时处于高水位运行状态的排水***，利用排水管网数学模型，设置不同的水泵开启台数，模拟出不同工况条件下，***从高水位预降到最低水位所需要的时间，通过分析，能够掌握在不同暴雨预警情况下，应该开启截流泵进的台数行排水***预抽空以及不同组合的预抽空时间，为应急预案中预抽空方案的制定提供依据。
对于完全分流制的强排***，由于管网内部无旱流污水或雨污混接污水，可以不执行分析截流污水外排条件的步骤。
本发明提供了上述排水***防涝应急预案制定方法的应用，充分应用排水管网数学模型进行方案制定与演算，与泵站等设施的管理部门相协调，根据调度结合对方案进行进一步评估优化，制定有效的排水***防涝应急预案。
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***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***水位。
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***只开启一台截流泵，当达到防汛水位时，开启雨水泵确保***安全。
具体而言，本发明所述排水***防涝应急预案的制定方法，步骤包括：
步骤1，构建排水***数学模型，包括
1)确定研究区域范围，收集研究区域排水管网、泵站以及下垫面组成数据。
2)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***中管道的负荷状态和***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。
构建的管网数学模型经过率定和验证后，用于后续步骤中不同工况和情景的模拟。
3)设计降雨的选取
采用排水***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。
步骤2，制定排水***防涝应急预案，包括：
1)气象暴雨四色预警等级分析
气象暴雨四色预警，是指气象部门用于暴雨预警时所用的“蓝、黄、橙、红”预警信号，不同的预警等级对应未来不同时长内不同的降雨量，具体参考气象部门发布的相关预警预报信息。根据预警等级，匹配不同暴雨重现期降雨与之相适应，为后续模型模拟提供降雨输入条件。
2)分析截流污水外排条件
利用排水管网数学模型，分析排水***在晴天和雨天时，开启污水截流泵的限制条件。通过分析，可掌握在旱天时，能够开启几台截污泵使排水管网内迅速排空；以及在雨天时，截污泵的最大开启台数，在增强***防汛能力的同时而不影响其他排水***排放污水。
3)分析排水***管道调蓄能力
利用排水管网数学模型，计算排水***管网在不同绝对高程下的调蓄容积(库容曲线)。假设排水***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***径流系数和排水***面积，计算出管网内存水为V m3对应的降雨量毫米数。通过分析，能够掌握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，为后续研究中管网水位控制提供边界条件。
4)分析排水***放江临界雨强
对于未配置雨污混接截流泵的分流制强排***，在放江泵不开启的情况下，***靠自身管道调蓄容积能够接纳的最大降雨量为3)中分析得到的降雨毫米数。
对于配置了混接污水截流泵的分流制强排***以及合流制强排***，由于管网自身存在调蓄能力以及截流泵的截流能力，当降雨强度不超过一定水平时，***可不开启放江泵同时保证***服务范围内不发生积水，同步实现减少泵站放江污染、保护河道水环境的目的。利用步骤1构建的数学模型，在模型中设置放江泵停用，仅开启截流泵，利用步骤1中构建的不同降雨强度的设计暴雨进行模拟，推求保证排水***不放江且地面不发生积水的临界雨强。通过分析，能够掌握***不放江的临界降雨强度值。
5)分析排水***预抽空时间
对于旱天时管道内无存水的完全分流制***，由于管网内已经处于排空状态，无需进行本步骤；
对于旱天时处于高水位运行状态的排水***，利用步骤1构建的数学模型，设置不同的水泵开启台数，模拟出不同工况条件下，***从高水位预降到最低水位所需要的时间。通过分析，能够掌握在不同情况下，应该开启几台泵进行排水***预抽空以及不同组合的预抽空时间，为应急预案中预抽空方案的制定提供依据。
6)分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性
利用步骤1构建的数学模型，模拟不同预降水位、不同防汛泵开启水位对排水***防汛效果的影响。设计降雨的暴雨重现期选取要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。结合地面最低高程，可以确定保证管网最高水位低于***地面高程时泵的临界开启水位，为泵站各防汛泵的开启水位制定提供依据。
7)制定不同暴雨预警等级的应急预案
以上述分析成果为基础，制定应急方案策略。原则包括但不限于：
小雨时，最大程度利用管网调蓄和截污泵的截流能力，不开启放江泵，削减泵站溢流污染；根据气象预报的提前量，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***水位。
上述步骤为完整步骤，本方法不排斥在某些条件不具备或者不完备的情况下，利用上述完整步骤中的部分步骤设计防涝应急预案。为了保护该思路与创意，提出即使使用部分步骤，也属于本发明范围。
较好的，应急预案制定后，要与泵站等设施的管理部门相协调，如果管理部门采用制定的方案进行调度，要根据调度结合对方案进行进一步评估优化，进一步保证方案的有效性。
较好的，充分应用排水管网数学模型进行方案制定与演算。
具体而言，以上海市作为目标区域，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***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***资料收集情况
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
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***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***中管道的负荷状态和***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。
本发明提出的步骤为总体方法，对不同地区、不同排水体制的排水***制定应急预案时，实际所用步骤可能会有所区别，具体需要结合当地实际条件进行判断。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。在不脱离本发明精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
本发明提供了一种排水***防涝应急预案的制定方法。本申请首次构建以排水***管网数学模型为工具，结合气象部门“蓝、黄、橙、红”预警等级，分析排水***截流污水外排能力、排水***管道调蓄能力、排水***预抽空时间、防汛泵站开启水位等条件，从优化泵站运行角度制定响应气象四色预警的排水泵站应急调度预案。本发明制定的排水***防涝应急预案，能够针对气象部门发布的暴雨四色预警，通过排水泵站有效调度，降低排水***内涝风险并减少排水泵站放江污染。
本发明涉及的排水管网水力模型技术是排水工程领域的先进技术，经过率定验证的水力模型，能够较好地模拟排水***的实际运行情况，如流量、流速、水头损失、水位等，同时能够在计算机中较好的重现不同工况下排水***的不同效果，将水力模型软件运用于排水防涝应急预案的制定工作，能够显著提升应急预案的科学性，进一步减少排水***内涝风险。
附图说明
图1是排水泵站与污水输送干线运行关系示意图。
图2是管网***高程-库容曲线。
图3是组合工况下***预抽空时间分析。
图4是肇嘉浜***调度因素敏感性分析。
图5是鲁班***调度因素敏感性分析。
图6是不同调度方案下***节点平均最高水位。
图7是蓝色预警标志，其中深灰色部分为蓝色。
图8是黄色预警标志，其中深灰色部分为黄色。
图9是橙色预警标志，其中深灰色部分为橙色。
图10是红色预警标志，其中深灰色部分为红色。
图11为模型设计思路示意图。
具体实施方式
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。
以上海市肇嘉浜和鲁班排水***为例。
实施例1，构建排水***数学模型
肇嘉浜和鲁班排水***位于上海市徐汇区中心区域，均为合流制强排***，肇嘉浜***服务面积约7.38km2，鲁班***服务面积约3.58km2，***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。利用管网地理信息***及高清航拍图获得管道和用地性质数据。本例中，选择Infoworks软件平台构建包含肇嘉浜和鲁班***的排水管网模型，并用实测数据进行率定验证，保证模型的有效性。在具体应用时，可选择类似功能软件进行模型构建。
短历时设计暴雨常用于管网水力模拟、辅助排水***设计。本例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。
实施例2，制定排水***防涝应急预案
1)气象暴雨四色预警等级分析
本例中，选择的气象四色预警对应含义如表3所示，气象预警中黄色、橙色、红色暴雨预警与1年一遇、2年一遇和5年一遇上海市短历时设计暴雨相适应。
表3气象四色预警对照表
2)分析截流污水外排条件
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***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***污水的外排条件，为四色预警指令下发后管网***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***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***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***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***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***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)分析排水***管道调蓄能力
肇嘉浜、鲁班***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2。***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***的管道调蓄容积约11.7万m3，鲁班***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。
4)分析排水***放江临界雨强
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***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***积水情况。结果表明，肇嘉浜排水***和鲁班排水***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。
5)分析排水***预抽空时间
根据2)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***预抽空。由于当前水环境治理的需要，***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***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3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***开一台小截污泵，以此类推。排水***需要预抽空时，开泵台数和时间可根据图3直接读取。
6)分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性
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最低技术水位(肇嘉浜：-7.3m，鲁班：-7.1m)的初始状态，预降水位相当于***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。
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***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4。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***调度因素敏感性分析表
鲁班***调度因素敏感性分析结果如图5所示，其总体趋势与肇嘉浜***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***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。
表5鲁班***调度因素敏感性分析表
***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***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。
7)制定不同暴雨预警等级的应急预案
综合上述***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***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***只开启一台截流泵，当达到防汛水位时，开启雨水泵确保***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***降低到预降水位，鲁班开启1台截流大泵，在4小时内将***降低到预降水位；预报时间提前量少时，参照图3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
采用排水管网数学模型模拟验算上述方案的实际效果，各情景下***模拟平均最高水位结果如图6所示。按照上述调度方案控制，在蓝色预警情况下，***最高水位较低，可完全保障地区防汛安全(干线限流与否，对模拟结果无显著影响)；在黄色和橙色预警情况下，鲁班***没有积水风险，肇嘉浜***低洼地区(低于2.5m地区)存在一定的积水风险；在红色预警情况下，两个***的低洼地带(低于2.9m)都存在一定的积水风险，需要提前做好抢险避险等措施。上述调度方案在与排水公司调度指令充分衔接后，可应用于排水泵站运行调度，并可根据调度结果，继续应用模型手段进行优化，进一步保证方案的有效性。
以上对本发明的具体实施例进行了详细的描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (12)
1.一种排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，包括步骤中的一个或者若干个：
排水管网数学模型的构建与设计降雨的选取；
截流污水外排条件分析；
排水***管道调蓄能力分析；
排水***放江临界雨强分析；
排水***预抽空时间分析；
泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性分析。
2.根据权利要求1所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，所述的排水***数学模型的构建包括：
确定目标区域的范围；
收集目标区域的排水管网、泵站、附属构筑物以及下垫面组成；
选用水力学软件并构建排水管网数学模型，构建的管网数学模型进行率定和/或验证。
3.根据权利要求2所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，选用水力学软件并构建排水管网数学模型的步骤中，所述的排水管网数学模型所选用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，***中管道的负荷状态和***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。
4.根据权利要求1所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，所述的设计降雨的选取步骤包括：
采用排水***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，参照情况相似地区选取；或者
使用当地目标区域的历史典型降雨作为输入条件进行模拟。
5.根据权利要求1所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，所述的分析截流污水外排条件的步骤中，对于配置了混接污水截流泵的分流制强排***以及合流制强排***，利用排水管网数学模型，分析排水***在晴天和雨天时，开启污水截流泵的限制条件；
掌握在旱天时，能够开启截污泵的数量以便使排水管网内迅速排空所需截污泵的数量；和/或
确定雨天时截污泵的最大开启台数，以保证在增强***防汛能力的同时而不影响其他排水***排放污水。
6.根据权利要求1所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，所述的分析排水***管道调蓄能力的步骤中，利用排水管网数学模型，计算排水***管网在不同绝对高程下的调蓄容积，掌握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。
7.根据权利要求6所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，
以排水***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***径流系数和排水***面积，计算出管网内储存水的体积为V m3对应的降雨量毫米数。
8.根据权利要求7所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，所述的分析排水***放江临界雨强的步骤中，对于未配置雨污混接截流泵的分流制强排***，在放江泵不开启的情况下，***靠自身管道调蓄容积能够接纳的最大降雨量为权利要求7中分析得到的降雨毫米数。
9.根据权利要求5所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，分析排水***放江临界雨强步骤中，配置混接污水截流泵的分流制强排***以及合流制强排***；
根据管网自身存在调蓄空间以及截流泵存在截流输送能力，当降雨强度不超过一定水平时，***可不开启放江泵同时保证***服务范围内不发生积水，同步实现减少泵站放江污染、保护河道水环境的目的；
利用所述的数学模型，在模型中设置放江泵停用，仅开启截流泵，利用构建的不同降雨强度的设计暴雨进行模拟，推求保证排水***不放江且地面不发生积水的临界雨强；
通过分析，掌握***不放江的临界降雨强度值。
10.根据权利要求1所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，所述的分析排水***预抽空时间步骤中，
对于旱天时处于高水位运行状态的排水***，利用排水管网数学模型，设置不同的水泵开启台数，模拟出不同工况条件下，***从高水位预降到最低水位所需要的时间；
在不同暴雨预警情况下，计算开启截流泵进的台数行排水***预抽空以及不同组合的预抽空时间。
11.根据权利要求1所述的排水***防涝应急预案制定方法，其特征在于，所述的分析泵站运行调度因素与防汛效果的敏感性的步骤中，
利用排水管网数学模型，模拟不同预降水位、不同防汛泵开启水位对排水***防汛效果的影响；
用设计暴雨模拟产生的管网节点平均最高水位衡量防涝效果，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；或者使用其他指标评价防涝效果；
结合地面最低高程，可以确定保证管网最高水位低于***地面高程时泵的临界开启水位，为泵站各防汛泵的开启水位制定提供依据。
12.权利要求1所述的排水***防涝应急预案制定方法的应用，其特征在于，该排水***防涝应急预案制定方法用于制定防涝应急预案；
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，根据目标地区的条件设计防涝应急预案。
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