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    基于城市排水系统流量监测网和排水能力评估的暴雨积水

    2019-02-14 09:29:43
    项目概要:
    城市暴雨积水已成为大型和特大型城市发展的重要灾害,雨污合流下水道溢水也已成为导致河流污染的罪魁祸首。规划、设计排水能力不足或不合理是造成城市暴雨积水的主要原因。城市各部位排水能力基础数据缺乏,又是科学设计排水系统的主要障碍。本项目通过利用先进的科技手段,对城市排水管网的各节点进行排水流量实时监测,获得节点排水能力基础数据,并通过公用或专用网络上传数据至中心服务器,基于GIS平台对城市各部位排水能力进行综合分析评估,为市政规划和设计部门提供基础数据服务;同时中心服务器软件系统还可根据排水工程状况、排水能力监测数据,结合降雨预测,对城市暴雨积水进行动态模拟、预测分析,对重点积水区域发出预警。本系统还可为城市排水规划设计提出建设性意见。
    本系统的关键设备是各节点监测大量使用的污水明渠流量计,本单位已经研制成功自主知识产权的低成本超声波明渠流量计产品,利用超声Doppler效应测量流速,同时用压力传感器精确测量水位,通过截面积换算得到排水流量,该流量计已经用作农用水灌溉收费的计量设备,性能优于同类进口产品。本项目要结合城市排水管网的特点进行适用性设计,以及通信组网设计,服务器管理与排水能力综合评估软件设计,并在北京市进行试点安装。
    可在北京试点后向全国各大城市推广,每套系统含上万个节点监测设备,通信设备,服务器设备以及应用、管理软件,每套系统约5亿元,预计总经济效益规模在数百亿元;同时为科学设计城市排水管网系统,解决城市积水问题,提供必要的基础数据和技术支持,社会效益更是十分巨大。
    立项依据:
    造成城市暴雨积水的原因主要在三个方面:
    1.市政排水设施标准偏低,排水能力不足
    虽然排水设施的建设年年递增,但仍跟不上城市发展的速度。以北京和天津为例。北京市排水系统设计的是一到三年一遇,这个标准能够适应每小时36~45毫米的降雨,天津现有排水设施的能力为30mm/h,排水能力不足两年一遇。
    北京市排水管网只有天安门那样的重点地区排水能力比较高,其他地区的排水能力较低,天津市区雨污水网普及率只有60%,在这60%里面还有40%需要更新改造,排水能力不能满足城市发展的需要。
    2.城市建设中不透水覆盖面积增加
    由于城市建设使不透水覆盖面积占总面积的比例增大,导致雨水径流系数加大,增加排沥负担。城市建设规划中存在错误理念,以为“现代化就是水泥化,世界化就是高楼化”。水泥化不仅造成宝贵的淡水资源白白丢失,减少地面土层补充有机质的机会,导致地表生态毁灭性破坏,从而加重城市土地的沙化;而且使得降雨排放只能被动依赖排水系统,加重排水负担。
    3.排水工程工作状况、排水能力不清楚,降雨预报精度不高,无法作出积水预警预报显然,无论是市政排水能力提升、还是透水面积增加都涉及城市建设战略层面的改变以及巨大的建设投资,需要长远的规划,很难立即收到成效。在现有条件下,利用先进的科技手段,对城市排水管网进行流量监测,精确了解和掌握排水工程的工作状况、排水能力,同时提高暴雨预报的精度,比较准确地预报出降雨范围、降雨时间、降雨强度;在此基础上,预报积水位置、积水深度,通过各种渠道向全社会发出积水预警预报,促使防汛部门、交通部门、公安部门、各企事业单位和个人早作准备,无疑是市政管理部门*为可行的途径。但目前,各大城市显然均存在排水工程工作状况、排水能力不清楚,降雨预报精度不高,无法作出积水预警预报的情况。本项目就是针对上述需求而提出的。
    本项目的目标是:利用先进的科技手段,对城市排水管网的各节点进行排水流量实时监测,获得节点排水能力基础数据,并通过公用或专用网络上传数据至中心服务器,基于GIS平台对城市各部位排水能力进行综合分析评估,为市政规划和设计部门提供基础数据服务;同时中心服务器软件系统还可根据排水工程状况、排水能力监测数据,结合降雨预测,对城市暴雨积水进行动态模拟、预测分析,对重点积水区域发出预警。本系统还可为城市排水规划设计提出建设性意见。
    国内外研究现状和发展趋势:
    目前国内外大城市的排水管网仍为雨、污水合流制(CombinedSewer)。由于大量污水未经任何处理通过合流管道直接排入河道,严重污染了河水水质。合流制系统污水溢流(CombinedSewerOverflow,CSO)事件已经成为河流污染的主要来源。相比较而言,城市暴雨积水造成的交通阻塞其实仅仅是问题的*不重要的方面,合流制系统污水溢流(CSO)事件才是*致命的。
    为了保护受纳水体免受污染,合流制系统污水溢流的污染问题在欧美等发达国家引起了广泛重视,国际上发达国家早已把合流制系统污水溢流(CSO)事件作为十分严重的问题加以对待,开展研究,并制定法规加以控制。利用城市排水系统模型,可靠、准确地预测暴雨、过荷和CSO事件,已经成为城市排水系统设计标准可用与否的重要依据,国际上对此进行了大量研究且已得到广泛采用。美国法律明令禁止合流下水道排放旱季溢流,这是对所有合流下水道的强制性要求。美国环保局(theEnvironmentalProtectionAgency,EPA)还制定了CSO事件控制长期计划(CSOlong-termcontrolplan,CSO-LTCP),要求水厂CSO溢流事件必须控制在平均每年4次以下,并且对合流污水的处理率达到85%以上。同时,EPA还制定雨污合流溢流污染控制九项必要措施,其中*重要的一项,就是消除旱季污水溢流,首先要求制定检测方案,确保任何溢流事件被发现和记录。EPA估计未来几年至少投资600亿美元用于实施CSO事件控制长期计划(CSO-LTCP)和九项必要控制措施。
    由于财政限制,很多城市推迟了实施CSO事件控制长期计划(CSO-LTCP)的时间表,代之以一种更为省钱的消除或减少溢流事件发生的解决方案。比较有代表性的是一种实时控制(real-timecontrol,RTC)方案,RTC方案的目标是*大限度利用现有设备,并大量使用高精度的水位计与流量计,实现对城市污水管网的动态实时监控。20世纪70年代-80年代,美国和欧洲一些城市已经开始研究并使用RTC方案。加拿大魁北克省于1999年建立起一套名为“全球*优控制”(GlobalOptimalControl,GOC)的RTC系统,用于城市排水管网的流量和水位的实时管理,以减少排水系统向St.Charles河和St.Lawrence河的溢流事故的频率和总量。魁北克GOC系统的建立,是走向城市水资源集成管理的重要一步。
    魁北克GOC系统包括两层结构,上层是中心站,用于整个系统的流量计算和管理,下层是基站,用于进行流量监测、计算、数据确认和反馈控制。建设的*阶段投资290万美元,实现一个实验演示系统,包括建设和改造一些监测与控制站点,开发通信系统,建立监测系统包括GOC软件,进行利用GOC系统减少CSO溢流事故的可行性研究。结果表明,60%以上的溢流事故可以被该系统*时间发现。整个系统使用三年,通过连续两年(2000年,2001年)对三个重点溢流地区进行降雨溢流量(m3)的比较发现,使用GOC系统的管理策略较之使用静态管理策略,溢流量都大幅度减少,个别地区减少溢流量达100%。目前,合流制系统污水溢流(CSO)的污染问题在我国尚未引起足够重视。虽然部分城市采取截流方式收集污水,经处理后,集中外排到江河等大水体,有效的降低了污水进入河流的量,但由于合流污水工程设计的截流倍数偏小,在暴雨期,为保证市区排水,沿河泵站还需要向河流直接排放雨污混和水,管网中的污水将因此进入河流。实际上,在降雨过程来临前,有时为有效排水就已经启动泵站向河流排水。总体而言,我国的城市污水处理率不足20%,暴雨多发季节更是任由污水泛滥,污水溢流事故频发。
    我国虽然也有部分城市有少许的污水流量监测点,但都装备在污水处理8厂的入口,主要是为了环保收费的需要。可见我国无论是在资源环境理念上、管理措施上,还是科学研究、技术手段上,都严重落后于国际发达国家,与现代化都市的文明理念格格不入。
    总体研究方案:
    城市排水管网的上游满管流和涌水现象在很多情况下并不是由于本段管道设计能力过小造成的,而是下游存在过流能力过小、管道逆坡或淤积等薄弱点,只有疏通或改造这些局部点,才能提高整个网络的负荷能力,哪里淹改造哪里,通常只是白白花费几百万甚至上千万,而达不到效果。因此,利用先进的技术手段,对整个排水管网系统进行流量监测,利用科学的方法,通过上下游网络分析、管道纵断面分析,实现基于监测数据和模型的管网整体运行状况、负荷与排水能力评估等,给出的管网改造方案,才是科学有效的。
    由于排水管网复杂关联,而且通常是个树状管网,局部设施的运行不正常必然会影响上游区域的运行情况,要做到应急过程的有条不紊,必须在平时对管网的运行状况进行连续不断的监测、认真养护、保证管网整体的运行有效性;同时,通过实时监测数据、模型分析和网络分析相结合筛选出关键节点,确保关键节点的有效性。
    另外,暴雨积水往往是一个突发过程,需要城市决策部门采取应急措施,在技术上需要将复杂技术封装、集成、简化以快速关联相关信息,快速模拟分析,快速给出解决方案。就排水而言,需要基于在线监测数据建立提前预报和预警功能,提供模型参数的自动修正功能,需要基于气象预测与实时雨量监测数据快速分析排水管网的运行负荷情况,需要实现对各种应急场景进行模拟演练,制定真正能解决复杂管网负荷不均衡的应急预案,需要建立应急预案与真实应急场景的有效关联机制,用复杂的分析方法通过简单的操作界面和结果显示界面支持应急决策。
    基于以上功能需求,本项目拟实施的总体框图如下,系统基本结构包括三层:
    1)监测层:用于实现全市范围内各基站(数千个至上万个)现场排水节点流量、雨量实时监测与数据采集,核心设备为明渠超声流量计、雨量计以及数据采集终端设备;
    2)网络通信层:用于实现基站数据实时传输,利用公共网(Internet)或无线专线网,将现场流量数据传送至中心站;
    3)应用服务层:中心站服务器负责将各基站实时排水流量、降水量收集起来,并进行分析、处理;为管理层用户提供基础数据服务。
    中心站软件系统基于GIS平台,平时根据排水流量进行排水工程工况判断、对各基站的排水能力进行评估,并结合降雨预测,进行暴雨积水预测分析,对重点积水区域进行预警;降雨时,根据排水工程的实时工况、排水流量、降雨量等数据,进行暴雨积水的动态数值模拟及评估分析,对于暴雨积水给出合理处理建议。
    关键技术与关键设备:
    1.关键技术
    1)实时节点排水流量、雨量监测技术:需要考虑满足明渠、污水、无人值守、无供电条件、大量安装(低成本)等一系列要求的地下排水节点的流量测量技术。
    2)大量节点的组网与数据传输技术:有公网的地方,可以使用公网进行数据传输;有些地下排水节点现场可能条件十分恶劣,无法有线连接,或者没有网络连接,则必须采用无线通信方案,进行数据传输。
    3)基于GIS的排水能力综合评估技术。
    4)基于在线监测数据、气象预测与实时降雨监测数据快速分析排水管网
    的运行负荷情况、对管网的排水能力进行评估。
    5)基于排水工程的实时工况、排水流量、降雨预测等的暴雨积水数值模拟、动态分析与可视化显示技术。
    目前,城市暴雨积水的模拟分析主要是基于地理信息系统(GIS)和SWMM模型进行模拟,SWMM是美国环保总署研制的一个可以对雨洪进行管理、分析、设计的动态的雨水-径流模拟模型。它可以完整地模拟城市区域中单一或连续事件中的径流以及排水管网的水量和水质状况。SWMM将一个排水系统概念化成几个环境层中的一系列的水和物质流。环境层共包括大气层、地表层、地下水层和传输层。大气层将水降落到地表层,地表层以雨或者雪的形式接收,然后它将水以渗透的形式发送到地下水层,以蒸发的方式将一部分水又返回到大气层,同时还将地表产生的径流发送到传输层。地下水层将接收到的一部分水发送给传输层。传输层则由管道、沟渠、调节器等一系列的传输元素网络以及储存单元组成。
    由于无法获取真实的排水工程的实时工况、排水流量、实际降雨量等方面的数据,目前我国的暴雨积水数值模拟、动态分析与可视化显示技术只能停留在演示阶段。
    本项目的实施将可建立提前预报和预警功能,基于获得真实的排水工程的实时工况、排水流量、实际降雨量等方面的数据,使得暴雨积水数值模拟、动态分析与可视化显示技术变得真正实用。通过暴雨积水数值模拟、动态分析,实现对各种应急场景进行模拟演练,制定能解决复杂管网负荷不均衡的应急预案,用复杂的分析方法通过简单的操作界面和结果显示界面支持应急决策。
    2.关键设备
    1)实时节点排水流量监测设备
    适用于明渠流量测量的流量计是节点监测的关键设备。需要满足以下条件:明渠测量:由于城市排水管网大多工作在非满管流状态,必须同时高精度测量液位和流速,并通过截面积换算得到流量,因此必须选用适于明渠流量测量的流量计;
    污水测量:由于被测流体是城市污水,杂质、杂物很多,必须使用不受杂物影响的流量计;微功耗:由于城市排水管网节点大多环境恶劣、长期无人值守,甚至无供电条件,因此,流量计必须能够使用电池长期供电,微功耗是必须的;低成本:由于需要在整个城市排水管网的节点上大量安装,因此,成本太高是不能接受的。目前采用超声多普勒效应测速,和脉冲多普勒流速剖面仪测速的明渠流量计,以其适合污水测量、成本低廉,适合本项目大量使用。
    项目计划目标与进度:
    项目拟分两个阶段实施:
    *阶段,试点施行阶段。预计在一个城区范围内进行试点,进行基站建设、节点流量、雨量监测设备研制、安装、调试,基站组网与数据通信系统建设,
    中心站建设以及服务器软件、应用程序开发。本阶段预计需要3年左右时间。第二阶段:全市推广阶段。通过软硬件系统研制开发、调试、试点运行与优化,并在试点运行正常,经过实践验证可行的基础上,面向整个城市推广。本阶段预计需要2年左右时间。
    经费概算:
    1.本项目*阶段为软硬件开发与某城区试运行阶段,预计经费2000万元。主要科目如下:100个基站:含节点的流量监测、雨量监测、数据采集设备、通信设备研发、安装、调试共计1000万元;
    中心站服务器设备:曙光并行计算机,150万元;
    其他设备:50万元;
    中心站服务器软件开发:100万元,C/S模式、B/S模式服务器数据管理软件开发;
    中心站应用软件开发:200万元,城市排水系统排水能力评估软件、降水预测软件、暴雨积水模拟与预测软件;
    运行维护费:200万元;
    人员费:300万元。
    2.本项目第二阶段为全市推广阶段,预计经费50000万元。主要科目:
    10000基站:含节点的流量监测、雨量监测、数据采集设备、通信设备安装、
    调试共计~30000万元;
    工程施工费:~10000万元;
    运营维护费:~10000万元;
    人员费:~1000万元。
    市场规模预测:
    城市暴雨积水与合流下水道溢流污染问题,是全国各大城市均需亟待解决的问题,尤其是南方多雨城市,问题更是急迫与严重。本系统的推广将可以使得各大城市*大限度地利用现有设施,提高科学决策与预警能力,指导暴雨积水的临阵处理措施,大大降低暴雨积水带来的灾害,将环境污染程度降至*低,环境与社会效益十分巨大。
    如果全国20个大城市采用该系统,每套系统以5亿元计算,将可以产生100亿元的经济效益。如果全国100个中等城市采用中小规模系统,以每套1亿元计算,将有100亿元的经济效益。
    综合考虑其它附加产品和工程、服务带来的效益,该系统将具有500亿左右的市场规模。
     
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