茍德菲，楊 輝，周午陽(yáng)，孫志民

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110168； 2.廣州市市政工程研究總院有限公司，廣東廣州 510060)

計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展為城市排水管網(wǎng)的信息化管理開辟了新徑，使現(xiàn)代化管理技術(shù)與排水管網(wǎng)水力模型、管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用成為可能[1]。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的管網(wǎng)模型有SWAT模型、SWMM模型、InfoWorks ICM模型等[2-4]，其中InfoWorks ICM 模型由英國(guó)Wallingford 軟件公司開發(fā)，可應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃的各方面[5]。相較于其他模型，InfoWorks ICM能夠把城市排水系統(tǒng)模型與河道模型耦合，對(duì)城市排水系統(tǒng)進(jìn)行全流程地模擬，能夠更加真實(shí)地模擬地表與地下等排水系統(tǒng)在運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)過(guò)程[6]。另外，隨著城市發(fā)展，城市排水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與工作質(zhì)量的提升必須借助排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而在保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全、可靠的前提下，如何使其得到實(shí)用，特別是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)如何使其得到有效利用[7]。本文將從InfoWorks ICM模型驗(yàn)證的角度，引出排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用途徑。

模型驗(yàn)證一般在對(duì)建立的模型進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析及參數(shù)優(yōu)化校正后進(jìn)行，其目的是確定該模型是否能準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)的各種動(dòng)、靜態(tài)特性，是否可保證所建立的模型符合實(shí)際情況，即驗(yàn)證摸擬所得結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果是否吻合[8]，所以模型驗(yàn)證對(duì)模型的建立與投入應(yīng)用具有重要意義。對(duì)于驗(yàn)證方法，研究者們探索出多種驗(yàn)證方式。比如，王瀅等[9]在無(wú)完整監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的研究流域中，采用類比方式，結(jié)合歷史積水資料和相關(guān)文獻(xiàn)，類比城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際24 h降雨的內(nèi)澇情況完成驗(yàn)證；黃子千等[10]在研究流域中選擇特殊位置，對(duì)比實(shí)測(cè)與模擬產(chǎn)生最大深度的時(shí)間，考慮時(shí)間偏差權(quán)重的方式對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證；王輝等[11]在模型驗(yàn)證中選取7 場(chǎng)完整降雨，包括1年一遇降雨、超標(biāo)準(zhǔn)降雨以及低標(biāo)準(zhǔn)降雨的 3 種降雨類型，考察模型系統(tǒng)產(chǎn)匯流水量與實(shí)際管網(wǎng)、泵站運(yùn)行狀態(tài)的吻合程度完成驗(yàn)證；高婷等[12]在缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究流域中，以徑流系數(shù)為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，確保計(jì)算的徑流系數(shù)與模型的徑流系數(shù)值相同的方式完成驗(yàn)證。但是，這些驗(yàn)證方式不僅缺乏實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善等問(wèn)題，同時(shí)也忽略了降雨在時(shí)間與空間上的不均勻性，比如，以往的研究在驗(yàn)證輸入降雨數(shù)據(jù)時(shí)，一般以單點(diǎn)降雨代替面降雨，由此產(chǎn)生的不確定性對(duì)模型的輸出結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

與其他研究者的驗(yàn)證方式不同，文章基于InfoWorks ICM建立的H區(qū)流域2D模型，首先在流域中搭建完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，收集大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)驗(yàn)證流域進(jìn)行降雨分區(qū)，采用分區(qū)多點(diǎn)降雨模擬方式，在模型中分區(qū)輸入實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)液位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，考察監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)液位與模擬液位數(shù)據(jù)的最大變化差值對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 研究區(qū)域概況

區(qū)域位于廣州市中心腹地越秀區(qū)境內(nèi)的H區(qū)流域，該流域北起L湖，南入珠江，全長(zhǎng)為4.51 km，匯水面積約為12.47 km2。流域具有較高的城建密度和地面硬化率，排水體制以截流式合流制為主。近年來(lái)頻發(fā)的極端暴雨，導(dǎo)致嚴(yán)重的雨天溢流污染(CSO) 和內(nèi)澇災(zāi)害，水環(huán)境問(wèn)題很嚴(yán)峻。為有效解決流域內(nèi)內(nèi)澇問(wèn)題和溢流污染問(wèn)題，H區(qū)流域正在開展國(guó)內(nèi)第一個(gè)深層隧道排水系統(tǒng)工程項(xiàng)目——H區(qū)深層排水隧道試驗(yàn)段。

H區(qū)深層排水隧道雨季可作為流域合流污水調(diào)蓄轉(zhuǎn)輸通道，雨后經(jīng)污水泵組提升后送到污水處理廠，從而提高全流域截污系統(tǒng)的截流倍數(shù)，大幅減少流域各渠箱開閘次數(shù)，削減雨季流域溢流污染。大型暴雨條件下，作為雨水排澇通道，行使排澇功能，雨水經(jīng)尾端排洪泵組提升后排至珠江，從而提高流域內(nèi)合流干渠的排水標(biāo)準(zhǔn)。H區(qū)深層排水隧道是大陸首次進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用，因此，進(jìn)行該項(xiàng)目設(shè)計(jì)所依據(jù)的相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)指引，以及運(yùn)行方式、運(yùn)行參數(shù)等都是空白。盡管香港已建設(shè)1條深隧用于泄洪排澇，國(guó)外也有較多深層隧道的成功工程案例，但其功能定位、基礎(chǔ)條件、運(yùn)行模式等均與該深層隧道有所區(qū)別，可以借鑒國(guó)外或香港經(jīng)驗(yàn)，但不同城市的實(shí)際情況依舊存在較大差別。其中，深層隧道的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行就是其中一項(xiàng)非常重要的研究?jī)?nèi)容。但由于深層隧道目前處于施工階段，不能直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)度，使優(yōu)化運(yùn)行管理難度加大。因此，為給深層隧道的調(diào)度運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐，確保調(diào)度結(jié)果的準(zhǔn)確性，研究人員在流域中建立了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以獲取精確、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；并利用InfoWorks ICM軟件建立H涌流域水力模型，作為該流域深隧排水系統(tǒng)運(yùn)行管理、決策分析的輔助工具。

1.1 模型建立

利用InfoWorks ICM商業(yè)軟件，根據(jù)排水管網(wǎng)中檢查井、排水管渠，以及泵站、堰、閥門、拍門等相關(guān)排水設(shè)施屬性數(shù)據(jù)，并且結(jié)合河涌湖泊水系、地表產(chǎn)匯流特性等信息建立排水系統(tǒng)1D模型。在1D模型基礎(chǔ)上，提取高程點(diǎn)(X、Y、Z)數(shù)據(jù)，利用GIS空間分析工具制作地表數(shù)字高程模型(DEM)，在此基礎(chǔ)上與1D排水模型耦合并進(jìn)行不規(guī)則三角形網(wǎng)格劃分，建立了可以模擬地表水浸動(dòng)態(tài)過(guò)程的2D水力模型，如圖1所示。

圖1 H區(qū)流域2D排水系統(tǒng)模型界面Fig.1 Model Interface of 2D Drainage System in H Zone Watershed

另外，在建模過(guò)程中，根據(jù)H區(qū)流域排水系統(tǒng)、管網(wǎng)水系特點(diǎn)，將模型流域劃分為10個(gè)集水區(qū)，并根據(jù)每個(gè)集水區(qū)覆蓋的用地性質(zhì)(屋面、道路、鋪裝、綠地、水面等)通過(guò)ATO(用地類型面積提取技術(shù))計(jì)算出各集水區(qū)覆蓋用地類型比值，從而計(jì)算出模型各區(qū)產(chǎn)匯流參數(shù)。根據(jù)劃分的10個(gè)區(qū)，結(jié)合InfoWorks ICM軟件功能，在利用模型進(jìn)行模擬時(shí)，可根據(jù)分區(qū)輸入不同降雨數(shù)據(jù)。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立

根據(jù)國(guó)外深層隧道系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制經(jīng)驗(yàn)，湯舒[13]和周午陽(yáng)等[14]在前期調(diào)度研究中對(duì)深隧排水系統(tǒng)進(jìn)行了內(nèi)澇監(jiān)測(cè)研究，在H區(qū)流域的淺層管網(wǎng)內(nèi)澇情況調(diào)研及分析基礎(chǔ)上，在流域中選取合理的內(nèi)澇點(diǎn)安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及自動(dòng)化控制等專業(yè)技術(shù)搭建了排水管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2016年9月建立，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、信息發(fā)布四個(gè)部分。其中數(shù)據(jù)采集采用液位計(jì)和雨量計(jì)，通過(guò)調(diào)查2010年-2014年流域中內(nèi)澇情況，選擇25個(gè)重要內(nèi)澇點(diǎn)及渠閘位置，安裝了25個(gè)壓力式液位計(jì)和5個(gè)觸發(fā)式翻斗式雨量計(jì)，分別用以采集排水管網(wǎng)中液位與雨量數(shù)據(jù)。按每1 min實(shí)時(shí)計(jì)量的在線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于服務(wù)器后臺(tái)，可按監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行任何時(shí)刻歷史數(shù)據(jù)的查詢與提取。

2 模型驗(yàn)證

2.1 降雨區(qū)域劃分

根據(jù)集水區(qū)與用地性質(zhì)模型被劃分為10個(gè)區(qū)，其分別為dd1、dd2、dd3、dd4、dd5、dd6、dd7、dd8、dd9區(qū)和dd10區(qū)。在模擬降雨過(guò)程時(shí)可對(duì)各區(qū)設(shè)置不同降雨，即不同區(qū)域可以輸入不同的降雨數(shù)據(jù)，并同時(shí)進(jìn)行模擬得出最終結(jié)果。根據(jù)模型，結(jié)合流域中建立的5個(gè)雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，綜合考慮雨量計(jì)的分布位置、各區(qū)域排水管網(wǎng)分布及各小區(qū)域水流匯集情況，將模型中10個(gè)區(qū)劃分為5個(gè)降雨分區(qū)。劃分的優(yōu)勢(shì)有：①能充分利用雨量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；②降雨過(guò)程通常時(shí)空分布不均，導(dǎo)致各個(gè)片區(qū)降雨量也不相同，或存在較大差異，在一定程度上，分區(qū)降雨模擬能減輕只輸入一個(gè)降雨數(shù)據(jù)造成的誤差，從而保證模型的驗(yàn)證結(jié)果更加精確。

模型分區(qū)、降雨分區(qū)與各區(qū)中液位監(jiān)測(cè)計(jì)分布如圖2所示。表1為降雨分區(qū)信息匯總，其中23號(hào)、24號(hào)、25號(hào)液位監(jiān)測(cè)點(diǎn)與湖泊、河涌及珠江液位變化相關(guān)，而模型模擬中難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際某場(chǎng)降雨過(guò)程中河涌、湖泊及江內(nèi)液面的實(shí)時(shí)變化模擬，因此在模型驗(yàn)證過(guò)程中將這3個(gè)液位監(jiān)測(cè)點(diǎn)舍去。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集與處理

從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存儲(chǔ)器中調(diào)取2017年1月—2018年9月的在線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采取數(shù)據(jù)分類篩選與剔除的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除由于監(jiān)測(cè)設(shè)備故障或斷電等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)明顯錯(cuò)誤以及無(wú)變化的無(wú)效數(shù)據(jù)。

表1 降雨分區(qū)信息Tab.1 Information of Rainfall Zoning

數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，一場(chǎng)降雨中5個(gè)雨量計(jì)同時(shí)存在有效數(shù)據(jù)的降雨事件較少，僅2場(chǎng)。為保證驗(yàn)證結(jié)果，增加驗(yàn)證降雨事件，取在同一場(chǎng)降雨中，存在有效數(shù)據(jù)的雨量計(jì)≥4個(gè)，且液位監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在有效數(shù)據(jù)的液位點(diǎn)≥10個(gè)的降雨事件，共11場(chǎng)。降雨事件匯總?cè)绫?所示，表3為各降雨事件的基本概況。

表2 用于驗(yàn)證的11場(chǎng)降雨事件Tab.2 11 Rainfall Events for Validation

表3 降雨事件基本情況Tab.3 Basic Information of Rainfall Events

2.3 驗(yàn)證方法

在模型中確定研究流域中監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝位置，便于后續(xù)進(jìn)行模擬結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比。輸入雨量數(shù)據(jù)時(shí)，雨量計(jì)為5個(gè)的降雨事件，按照雨量計(jì)對(duì)應(yīng)模型分區(qū)直接輸入數(shù)據(jù)。雨量計(jì)只有4個(gè)的降雨事件，進(jìn)行以下處理：判斷該區(qū)是否降雨。方法為考察雨量計(jì)設(shè)備當(dāng)時(shí)是否運(yùn)行正常，若運(yùn)行正常，則認(rèn)為該區(qū)當(dāng)時(shí)未降雨，對(duì)應(yīng)模型區(qū)域不輸入降雨數(shù)據(jù)；若設(shè)備運(yùn)行故障，則認(rèn)為該區(qū)當(dāng)時(shí)降雨，應(yīng)填補(bǔ)該區(qū)雨量數(shù)據(jù)。采取的方式為：缺少數(shù)據(jù)的雨量計(jì)分區(qū)降雨數(shù)據(jù)取其相鄰雨量分區(qū)降雨數(shù)據(jù)的平均值，例如，根據(jù)表2所示，2017年3月18日的降雨事件，存在有效降雨數(shù)據(jù)的雨量分區(qū)分別為：①號(hào)、②號(hào)、③號(hào)和⑤號(hào)，則根據(jù)分區(qū)圖，④號(hào)分區(qū)降雨數(shù)據(jù)?、厶?hào)和⑤號(hào)雨量計(jì)數(shù)據(jù)平均值。圖3為模型雨量數(shù)據(jù)輸入界面。

圖3 模型中雨量輸入界面Fig.3 Interface of Rainfall Input in the Model

將收集并整理好的實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)，導(dǎo)入模型并進(jìn)行模擬運(yùn)行。將模擬得出的結(jié)果，考察模型中液位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的液位變化數(shù)據(jù)，與該場(chǎng)降雨中液位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)液位變化數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對(duì)比?！冻擎?zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》(GB 51222—2017)規(guī)定地面積水深度≥150 mm為發(fā)生內(nèi)澇，為保證模型與實(shí)際流域吻合度，且兩者存在的誤差值處于安全控制范圍內(nèi)，即模型產(chǎn)生的誤差不造成內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，模型驗(yàn)證對(duì)比差值標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)小于150 mm;如果實(shí)測(cè)液位數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果數(shù)據(jù)的最大差值≤150 mm，則認(rèn)為該液位監(jiān)測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證正確。另外，進(jìn)行驗(yàn)證的降雨事件都有10～15個(gè)液位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，驗(yàn)證中規(guī)定每次驗(yàn)證降雨事件中驗(yàn)證錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)≤2個(gè)，即當(dāng)每場(chǎng)降雨事件液位監(jiān)測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證正確率≥80%時(shí)，則認(rèn)為該場(chǎng)降雨模型驗(yàn)證正確。

3 驗(yàn)證結(jié)果分析

圖4為2017年3月18日降雨事件模擬驗(yàn)證結(jié)果。由圖4可知，進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有11個(gè)，其中10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)液位變化數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)最大差值<150 mm，僅11號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)比最大差值為175 mm，則該場(chǎng)降雨的監(jiān)測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證正確率為90.9%。

圖4 2017年3月18日降雨事件驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Verification of Rainfall Events on March 18, 2017

同理，對(duì)其余10場(chǎng)降雨事件進(jìn)行驗(yàn)證，將得出的結(jié)果進(jìn)行匯總，如表4所示。

由表4可知，模擬驗(yàn)證的11個(gè)降雨事件中，僅2個(gè)降雨事件的監(jiān)測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證正確率未達(dá)到80%，則11個(gè)降雨事件驗(yàn)證正確事件率為81.8%；在驗(yàn)證正確的9個(gè)降雨事件中，進(jìn)行驗(yàn)證的監(jiān)測(cè)點(diǎn)共115個(gè)，驗(yàn)證正確的監(jiān)測(cè)點(diǎn)共97個(gè)，則監(jiān)測(cè)點(diǎn)的驗(yàn)證正確率為84.3%；22個(gè)液位監(jiān)測(cè)點(diǎn)在11場(chǎng)降雨事件中，僅20號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在每場(chǎng)事件中均未驗(yàn)證正確。

表4 11場(chǎng)降雨事件驗(yàn)證結(jié)果匯總Tab.4 Summary of Validation Results

4 結(jié)論

研究利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)雨量及監(jiān)測(cè)點(diǎn)液位數(shù)據(jù)，對(duì)Info Works ICM軟件建立的2D排水模型進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)模型可進(jìn)行多點(diǎn)分區(qū)降雨的特性，結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中雨量計(jì)，將模型進(jìn)行降雨分區(qū)，采用多點(diǎn)分區(qū)降雨的模擬驗(yàn)證方式，避免采用單點(diǎn)降雨代替面降雨的問(wèn)題，減輕了降雨過(guò)程時(shí)空分布不均造成的驗(yàn)證誤差。

研究模型驗(yàn)證結(jié)果得出，11個(gè)降雨事件驗(yàn)證正確率為81.8%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的驗(yàn)證正確率為84.3%，認(rèn)為模型與實(shí)際排水系統(tǒng)吻合度較高。H區(qū)流域水力模型是該流域排水系統(tǒng)改造與深層排水隧道系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的重要工具，模型與實(shí)際系統(tǒng)吻合度較高，有助于提高利用模型評(píng)估系統(tǒng)規(guī)劃調(diào)整方案的可靠度，同時(shí)為系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行提供可靠的理論指導(dǎo)與數(shù)據(jù)支撐。

另外，隨著排水系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越完善，InfoWorks ICM軟件也被越來(lái)越多的應(yīng)用于建立排水流域模型，文章中采用分區(qū)多點(diǎn)降雨的模擬驗(yàn)證方式可為同類研究提供參考借鑒，特別是對(duì)于研究流域面積較大的模型，采用該驗(yàn)證方式可很大程度避免驗(yàn)證誤差，同時(shí)，可根據(jù)流域面積劃分更多降雨分區(qū)，以確保驗(yàn)證過(guò)程的精確性，從而保證所建模型的可靠度。