净水技术|魔都梅雨季开启暴雨模式，看防汛实时预警系统如何应对
小编导读魔都自本周以来进入梅雨季，据报道未来十天的降雨量将赶上一个梅雨季。今天的暴雨更是让魔都由“蒸烤模式”迅速切换到“暴雨模式”。汛期与梅雨季同期降临魔都，今天小编就带大家来看看魔都的防汛实时预警系统如何应对？
城市地区暴雨期间积水灾害是一个全球性的问题，尤其在全球气候变化、极端暴雨天气时，对城市防汛设施、城市水安全保障、城市灾害预警机制提出了严峻的挑战。传统城市排水系统管理以经验为主，由于各种外部条件的限制，往往呈现出局部性和事后性，无法很好地应对日益复杂的系统管网和城市快速发展变化之需求。基于计算机模型的排水系统实时预警技术很好地解决了上述问题，该技术在国际上尚属前沿领域，已有一些成功案例，如英国泰晤士水务在线模拟和系统优化示范工程和日本新泻实时洪水预报与预警系统等，均利用实时预警系统，实现了对积水时间的预测，辅助泵站等设施的调控优化，并提前发布预警。国内在实时预警模型领域的研究仍处于起步阶段。上海因其特殊的地理位置和较低的防汛系统设计标准，汛期易发暴雨积水事件，有必要尽早开展城市防汛预警技术研究，以积极应对极端天气可能引发的城市水患问题。上海在排水模型研究方面已超过20年，基于上述累积经验，上海市城市排水有限公司在2010年前后开展防汛实时预警技术研究，先后建立两个示范区防汛实时预警系统，使上海防汛实时预警技术水平领先于国内其他城市。其中肇嘉浜示范区模型于2012年汛期建成并投入运行，经过3年左右的调整及运行，取得了较好的效果，为排水系统应对复杂天气情况提供了重要决策支持。1防汛实时预警系统概述防汛实时预警技术是指在读取排水系统相关运行参数信息的基础上，基于逻辑编程规则等方式控制管网的在线模拟，以实现对系统中堰、泵、闸等控制设施的调度过程。该技术可充分利用系统容积，最大程度提高系统运行能力，降低运行事故风险，实现排水系统的科学灵活调度。1.1系统设计基于引擎稳定性、产品成熟性、软件接受性、维护便利性等因素，本研究选用国际先进的商用软件平台FloodWorks作为模型预报核心，该软件平台集成多类数据采集模块，可利用实时遥测水文、气象资料，结合详细精确的流域/管网模型，提前预报水位、流量或生成调度预案。系统主要包括三个部分，分别为数据收集（SCADA系统和雷达降雨预报数据）、水力模型（运算核心）和预报调度平台（可在网络发布），其中雷达降雨预报数据为预留接口，如图1所示。
（1）数据收集SCADA系统：上海市城市排水有限公司已建立一套较为成熟的实时监控与数据采集系统，该系统可对下属排水设施运行信息进行实时采集，数据记录间隔为5 min，实时运行数据可通过数据转换接口程序转换格式后输入FloodWorks服务器。雷达数据：上海在全市范围内设有两个雷达站点，预报精度可达1 km，目前气象研究所已开展利用降雨雷达数据预报临近降雨的研究，现有预警系统对数据接入口进行预留。目前系统常态预报采用即时降雨方式，即以设在泵站的雨量计数据作为模拟的输入条件，考虑到降雨产汇流与管道流行时间的迟滞效应，采取即时降雨进行预报在目前条件下仍具有较强的指导意义。（2）水力模型水力模型是实时预警平台的运算核心。研究区域离线水力模型以SCADA数据作为模型率定验证数据基础，以区域内泵站集水池水位为边界条件，通过比较历史数据与模型模拟计算值之间的差异来修正模型，确保模型精度。FloodWorks服务器以读入的实时监测信息及离线模型为基础，依据现状运行工况对未来发生的暴雨进行响应，并根据预设调度规则给出系统未来运行状态和泵站调度策略。（3）预报调度平台预报结果可通过FloodWorks服务器进行客户端发布和网页发布，客户端发布针对专业人员，可展示预报结果、修改预报参数、可自动后台运行。网页版嵌入排水公司现有综合应用系统，以易于理解的形式为非专业人员提供预报积水淹没范围、泵站开停泵等信息。1.2 技术特点与传统模型相比，实时预警模型具有以下特点：应用对象扩展：实时预警模型可屏蔽专业模块给模型工程师，为非专业人员提供简易操作界面；传统模型仅供专业模型师使用。采用最新数据：实时预警模型的计算可采用实时更新的排水设施运行数据和预报数据；传统模型采用的是历史数据。结果自动更新：实时预警模型可每隔15 min用最新实测数据自动计算并更新模拟结果，无需人工干预；而传统模型模拟需手动输入边界条件、发起运行并分析结果。成果形式灵活：实时预警模型成果除了模型和报告，还可进行网页发布，整合进入排水公司综合应用系统，结果的图表展示形式可直接应用于调度而传统模型成果为模型数据和研究报告，实际应用中需将报告转化为调度方案。1.3 主要功能表1 实时预警系统基本功能序号功能主要内容1运行浏览为相关人员提供泵站当前运行的情况信息，包括降雨、水位、水泵运行信息。2预报预警可对区域内积水情况、泵站运行情况、敏感点水位变化情况进行预报，可提供手动和自动预报两种方式。3辅助调度提供积水预测，制定应急预案；防汛调度预测，指挥泵机运行；多方案比选，确定最优方案。4网络发布将模拟预测结果对目标群体进行发布，同时可在上海排水现有“数字排水”综合应用系统平台进行浏览，包括专业版和决策版。2重点区域应用效果分析2.1预警区域基本情况肇嘉浜排水系统位于上海市中心城徐汇区，是上海市区内服务范围最大的排水系统，该系统地理位置重要，包含多个党政机关、繁华商业街及外国领事馆等重要场所，地区的防汛安全关系重大，有必要开展防汛实时预警技术研究。由于该系统末端与多个周边排水系统相连通，为了真实反映系统整体动态变化，将预警范围确定为肇嘉浜系统（核心预警区域）与周边的鲁班、小木桥、宛平和蒲汇塘系统，覆盖面积约23 km2。区域内排水系统设计暴雨重现期0.5~1，径流系数0.5~0.8，包括7座泵站，49台排水泵机，4个道路水情监测点，防汛泵站设有雨量监测设备，上述所有排水设施实时运行数据已接入上海市城市排水有限公司SCADA系统。预警区域所处地理位置如图2所示。
图2 预警区域范围2.2总体运行情况肇嘉浜地区防汛实施预警系统2012年汛期完成搭建投入运行，次年实现正常运行，考虑到系统的应用主要是为了提高地区防汛系统运行安全性，特别是应对大雨及以上降雨时的防汛安全问题，故着重关注上述降雨情况下系统的运行效果。2013年至2015年6月，汛期肇嘉浜系统总计发生大雨及以上降雨21场次，其中实时预警系统成功模拟14场（由于数据记录服务器存储故障等原因2014年汛期初部分场次降雨未能模拟）。上述降雨预警期间，系统每隔15 min发布一次降雨预报结果，共计发布预报结果700余次。2.3典型日降雨分析14场降雨中，小时降雨强度最大日为2013年9月13日，当天肇嘉浜系统最大小时降雨强度达84.5 mm，降雨期间系统发布有效预警64次；降雨总量最大日发生在“菲特”台风影响上海的2013年10月7日，肇嘉浜系统全天降雨总量达175 mm，预警系统全天运行，发布有效预报结果96次。下面对这两场降雨中预警系统运行情况进行分析。（1）2013年9月13日降雨当天，预警区域内发生总雨量26.9~115.6 mm的大雨~大暴雨降雨，降雨历时大部分在9 hr左右，除宛平排水系统外，其余均接近或超过5年一遇标准。预警系统运行结果分析表明，预警推荐方案与实际运行方案接近，集水池变化趋势较为一致，最大雨水泵开泵台数接近，水位高峰出现时间较为接近，大部分泵站峰值水位接近。当天预警区域内出现积水现象，道路水情监测点模拟水位波动情况与实测基本一致。表2 2013年9月13日泵站模拟预警结果统计运行参数泵 站肇嘉浜乌鲁木齐鲁班小木桥（雨）宛平南蒲汇塘最大雨水泵开机台数①10/90/010/85/54/48/6水位峰值时间差/min②5-12-10-27-4-8水位峰值差/m③1.87-0.160.730.73-1.490.52注：①模拟值/实测值；②时间差=模拟值-实测值；③水位峰值差=模拟值-实测值表3 2013年9月13日监测点模拟预警、监测结果统计序号监测点积水时间测量最高水位/m模拟最高水位/m水位误差/m④1宛平路16:40-18:333.283.05-0.232局门路16:25-18:263.583.01-0.573巨鹿路16:37-18:042.722.63-0.09注：④水位误差=模拟值-实测值（2）2013年10月7日降雨2013年10月6日~10月8日，受台风“菲特”影响，上海范围内普降大暴雨，降雨主要集中在10月7日，预警区域内当日降雨总量均超过大暴雨标准，达115~175 mm，肇嘉浜系统最大一小时降雨强度为19.5 mm。台风期间，为保证系统安全，系统采用低水位运行模式，预警系统推荐方案中泵站集水池、道路水情监测点水位波动趋势与实测基本一致，绝对值略高；各泵站其余运行参数预测与实测结果较为接近。
图3 2013年10月7日肇嘉浜泵站模拟预警及监测结果
图4 2013年10月7日宛平路道路水情监测点模拟预警及监测结果上述典型降雨日系统运行数据分析表明，系统预警与实测结果之间总体趋势较为一致。同时，不可忽视的是，两者之间尚存在一些差异，这是因为排水系统的运行受到诸多因素影响，系统零星改造、系统调度策略临时调整、管网养护、管道淤积、雨水口临时情况等因素均会对管网的实际水力情况产生干扰，而模型则相对静态，模拟条件相对理想，是导致误差的主要原因。因此，对预警模型的定期更新和重新率定验证是提高实时模型精度的较好途径。3结语（1）通过引进国际先进的排水系统实时预警模拟技术，在国内首先建立防汛实时预警系统，实现了对排水系统的动态模拟和预警预报，可为排水系统运行调度提供辅助决策支持；并应用该项技术建立了肇嘉浜地区防汛实时预警系统，为保障该地区防汛安全提供了有力的技术支持。（2）2013年至2015年6月，肇嘉浜地区防汛预警系统在汛期大雨及以上降雨情况下总体运行情况良好，预警期间系统可每隔15 min发布一次泵站运行及道路积水预警结果。典型降雨日系统预警数据与实测数据比较分析可知，泵站预警推荐方案与实际运行方案较为接近，道路水情监测点水位波动趋势较为一致，该系统可用于指导地区排水系统的调度运行。本文原标题为《防汛实时预警系统在重点区域的应用示范》，作者：上海市城市排水有限公司排水设计研究分公司/张留瓅。文章选自《净水技术》2016年第二期“经验交流”专栏。