上海排水水力模型建模及应用效率研究

上海排水水力模型建模及应用效率研究

张芹藻1谭琼2彭丽娜3陈奕4

（1,2,3,4 上海市水务规划设计研究院（上海市海洋规划设计研究院），上海 200233）

摘要上海市大部分地下排水管道原始建设标准较低，现状排水基础设施已难以满足新时代发展的要求。相继发布的一系列排水相关的上位规划、通知及实施意见要求相关部门尽快完善对排水设施的升级和改造，即对上海市排水水力模型的精度、构建及应用效率提出了更高的要求。本次研究通过对本市排水水力模型构建及应用效率特征分析，分析建模及应用过程中遇到的主要问题及瓶颈；基于典型案例调研应用国内外相关主流排水软件，综合比选提出推荐的建模及应用方案；基于典型案例及推荐的建模及应用方案，结合相关软件的二次开发，提出进一步提升效率的建议。研究最终形成了一套排水系统数学模型建立及应用过程的效率提升方法，节约建模及应用时间约42%。

关键词排水水力模型  建模及应用效率  效率提升

Construction and Application Efficiency Study in Hydraulic Modelling for Drainage System in Shanghai

Zhang Qinzao1, Tan Qiong2, Peng Lina3 ,Chen Yi4

(1,2,3,4 Shanghai Water Design and Planning Institute, Shanghai 200233 )

Abstract：Due to the fact that most of the original design standards for drainage systems in Shanghai are not high, current drainage systems can not meet the development requirement for the new times. A series of relevant master plans, government notices and implementation opinions have been issued to upgrade the drainage facilities as soon as possible, which requires more accurate and efficient construction and application of the drainage hydraulic models in Shanghai. This study analyzed the main problems and difficulties while constructing and applying hydraulic models for drainage systems through relevant surveys; recommended main software application strategies by comparing main drainage modelling softwares based on a typical study case ; proposed a series of advices for improving model construction and application efficiency by secondary developing relevant softwares. The research finally formed a set of efficiency improvement methods for establishment and application of the drainage system modelling, which saved about 42% of the modeling time.       

Keywords：hydraulic modelling for drainage system;  construction and application efficiency of modelling ;improvement of efficiency

0  引言

经历了改革开放40余年的快速发展，上海排水系统形成了外环线以内的排水系统以强排模式为主、其他地区以自排模式为主，排水体制为分流制与合流制并存的排水格局[1]。中心城区部分地下排水管道服务年限超过30-40年，且原始建设标准较低，因此现状排水基础设施难以满足新时代发展的要求[2]。近年来，上海市颁布了一系列排水相关的上位规划、通知及实施意见，都对该市排水水力模型的精度、构建及应用效率提出了更高的要求。

本研究在充分调研上海市主要排水水力模型构建及应用单位相关需求的基础上，梳理并分析建模及应用过程中遇到的问题，结合全市雨水排水规划，基于典型案例，聚焦上海市主流排水建模软件，从数据的前期处理、建模数据输入、方案制定及优化、到最终的结果输出等环节，提出提升排水模型构建与应用效率的优化方案，并定量分析其在相关规划科研项目中的应用效率提升效果，为本市其他同类型模型构建及应用提供技术支撑，同时为进一步开展的《上海市排水系统数学模型建模及应用标准》及排水模型建设技术审核工作提供相关依据。

1  模型构建及应用效率特征分析

1.1  调研概况

主要以问卷调查、专家咨询会、项目交流等方式调研本市主要排水水力模型构建及应用单位，排摸其模型构建及应用流程，梳理总结相关效率提升需求，分析建模及应用过程中遇到的主要问题及瓶颈，并对本市模型构建及应用效率进行评估。

该问卷对建模工程师的基本情况进行了排摸，对数据的来源、格式、精度、处理目的及常用方法、单位处理时间以及建议改进的地方都进行了调研，对各排水模型的构建和使用效率进行了一定程度上的量化。对模型工程师的主要调研内容为：模型主要应用方向，在项目中承担主要角色，建模年限及参与建模项目的数量等。对建模及应用过程的主要调研内容为：1. 数据预处理；2.模型建立；3. 模型率定与验证；4.方案制定与优化；5.结果统计及出图。问卷展开内容概览如图1所示。

图1 问卷调查内容示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the questionnaire content

1.2  调研结果

主要对上海市近10家相关设计院或公司进行调研，总共发放调查问卷共80份，收回有效问卷共55份。经过对收回的有效问卷进行统计分析，可较为全面地掌握本市建模相关人员的专业素养，分析本市排水模型构建及应用的主要问题及瓶颈。

经统计，本市排水水力模型被广泛使用于排水防涝这一方向，主要侧重于“水安全”的保障，小部分应用方向为海绵城市、黑臭水体整治等“水环境”方向。反馈问卷中大部分模型工程师在上述项目中主要承担大量前期数据处理、模型构建及方案验证的工作，约有三分之一左右的模型工程师在项目中同时承担较为主要的角色（项目负责人/校核人），拥有较好的项目主导能力及项目全局观，绝大部分模型工程师的模型使用经验比较少。

本市相关项目主要采用的排水水力模型软件包括Infoworks ICM、SWMM、DHImike及PCSWMM。经统计，约有75%的调研人员偏好使用InfoworksICM，约有15%的人员更经常使用SWMM，剩余约10%人员习惯使用DHIMike及PCSWMM。以应用较为广泛的排水防涝应用方向为例，将完成一个排水系统（约2~3km2）的二维精细化排水水力建模及应用过程分为数据处理、建立模型、模型率定与验证、方案制定和优化、结果统计及出图这5个工作分块，并对每个工作分块进行量化，即完成每个分块工作所需的平均耗时。经整理统计，目前本市一个设计人员平均经历一个排水水力建模及应用过程需耗时约28天。其中，数据预处理平均耗时最长，约需14天，占用了整个过程约50%的时间，其次是模型的率定与验证，约需要一周时间，剩余的工作耗时约一周。

1.3  主要问题

对上述调研结果进一步分析归纳，总结出在建模和应用过程中影响效率的主要原因如下：

1.源头数据质量难以把控，缺乏有效的数据预处理工具及方法

1）降雨（泵站）数据量大，与模型兼容性较差，分析处理耗时长；

2）传统的下垫面解析方法效果差强人意，较为精确的手工提取费时费力；

3）管道数据格式及精度差，缺乏科学的批量建模或检查的方法。

2.主体从业人员经验缺乏，相关排水建模软件使用门槛较高

1）商业软件价钱昂贵，单狗单用；

2）免费软件无法直接进行二维模拟，数据接口差，二次开发需求大，出图及统计效率低下；

3）方案无法进行自动优化。

3.缺乏本土化的建模和应用详细手册或标准，建模质量参差不齐

2  排水软件建模及应用研究

2.1  软件应用研究概况

收集调研本市主流排水软件资料，通过典型案例，从软件的主要功能及计算原理、软件使用的效率（即数据预处理、建立模型、模型率定验证、方案制定及优化、结果统计及出图等环节的时间成本）、软件其他使用成本等方面，分析各软件优缺点，综合比选，最终形成软件适用性评价及试用场景。本次研究除了测试目前本市的主流排水水力软件包括InfoworksICM、Mike系列软件、PCSWMM及SWMM，还测试了一款近期发布的国产免费排水软件StormDesk。

2.2  软件对比分析

通过典型案例的软件应用，本研究从软件的主要功能及计算原理、软件使用的效率（即数据预处理、建立模型、模型率定验证、方案制定及优化、结果统计及出图等环节的时间成本）、软件其他使用成本等方面，总结提炼软件优缺点，详见下表。

表1  排水软件应用对比分析表

[3-9]

Tab. 1 Comparison analysis table of drainage software application[3-9]

2.3  软件适用场景

本研究基于上述对排水软件的应用分析对比结果，结合本市较为常见的模型应用场景，建议根据下表，选择适用场景的软件。

表2  软件适用场景

Tab.

2 Software applicable scenarios

3 建模及应用方案效率提升及评估 

3.1 效率提升及评估概况

3.1.1 主要内容

本研究聚焦数据的前期处理、建模数据输入、方案制定及优化、到最终的结果输出等环节，整理分析各环节影响效率的具体问题及瓶颈，并有针对性地结合相关软件二次开发，提出进一步提升效率的建议。

3.1.2 主要技术难点

本研究以数据条件良好、项目成果要求较高的应用场景，即需进行率定验证的已建排水系统改造为例，主要解决以下技术难点：

1.降雨（泵站）数据格式与模型要求有一定差距，传统处理方式费时费力；

2.下垫面数据难获取、手工处理工作量大；

3.建模重复性工作较多，工作量大；

4.方案无法自动优化，试算工作量大；

5.统计及出图不够智能，重复性工作量大。

3.1.3 主要技术路线

第一步：传统做法解析，重点解析该步骤的传统流程。

第二步：效率提升需求分析，梳理总结相关效率提升需求。

第三步：结合相关软件的二次开发，进一步提升效率的建议。

第四步：评估该步骤效率提升效果。

3.2 建模及应用方案效率提升研究

本研究以已建排水系统改造为例，主要研究成果如下：

1.开发了降雨及泵站运行基础数据自动预处理软件，该软件提供了五类数据处理功能，对排水模型用到的降雨、水位、泵站运行等基础数据，进行预处理；

2.开发了下垫面提取分析工具集，可以批量提取、合并研究范围内的屋面、道路、绿地、水域和其他铺装，将数据预处理成排水模型较为通用且便于批量导入的格式，除此之外，可基于下垫面提取的结果批量统计及分析研究范围及范围内各分片的综合径流系数；

3.开发了污水规划水量计算及ICM预处理工具集可以根据提取的规划用地属性批量合并用地类型、结合规划人口数据自动按用地类型计算规划污水量、生成相应的统计表格、批量按分区计算污水量、结合ICM排水模型子集水区模板批量计算并生成ICM子集水区污水量；

4.开发了ICM模型方案批量生成和优化软件，针对人工设置调蓄池规模费时费力这一痛点，以交互和参数文件配置的方式，批量生成不同调蓄池规模的模型方案，方便建模人员更加方便、快捷的得到优化方案；

5.开发了管道工程量统计工具集，可以批量命名规划管道所在道路、管道起讫点，按规定格式分类统计规划管道长度，批量匹配并匡算管道工程费用等；形成了一套批量出图方法，直接使用Arcgis中的动态表格扩展模块（Mapping and Charting Solutions）、数据驱动页面工具及相应的批量出图代码来实现。

3.3效率提升评估

基于典型案例实际应用本次研究成果，完成一个排水系统（约2~3km2）的二维精细化排水水力建模及应用过程耗时由原来的约28天缩短为约16.3天。其中，降雨（泵站）数据预处理由原来的约6天缩短为约2.5天，下垫面预处理及分析由原来的的约3天缩短为约0.5天，规划污水量预处理由原来的约3天缩短为约1天，调蓄池方案优化由原来的约3天缩短为约1天，工程量统计由原来的约1天缩短为约0.2天，出图由原来的约1天缩短为约0.1天，总共节约11.7天，提升效率约42%。

4 主要说明和建议

本研究解决了部分建模和应用过程中的技术难点，还有以下主要难点尚待解决，建议深化研究进一步提升排水水力模型建模和应用的效率：

1.降雨（泵站）数据需进行降雨场次分析，挑选合适的率定验证时段，本研究使用了PCSWMM的内置降雨分析工具，建议开发类似的外部工具进行降雨分析；

2.本研究采用了测绘院较为完整的地形数据进行下垫面数据预处理及分析，若无法获得该数据时，建议利用网络地图资源提取各下垫面；建议在下垫面预处理分析工具集的基础上，进一步开发地形处理软件，简化二维模型地形预处理流程，提升建模效率；

3.建议进一步扩充建模自动化工具集；

4.除PCSWMM，其他软件暂无有效的自动率定验证工具，建议适当二次开发。

参考文献

[1]程江,潘炜,丁敏. 上海中心城区市政排水系统雨水排水的管理与实践. 中国给水排水,2012,28(20)

[2]《上海市城镇雨水排水规划（2020-2035年）》规划方案介绍,给水排水.2020,56(06)

[3]https://www.hrwallingford.com.cn/software/infoworks-icm

[4]https:// www.dhichina.cn

[5]张亮，梁赛，刘应明，余露，城市内涝防治设施规划方法创新与实践[M]，2020，174-177

[6]根据天津龙网科技提供的软件相关材料整理

[7]https://www.epa.gov/water-research/storm-water-management-model-swmm

[8]http://www.info-water.com/product/stormDesk

作者简介：张芹藻，女，1984年出生，上海人，硕士，高级工程师，主要研究方向为水安全、水环境规划及研究。