0 引言

　　自 1998 年起，北京市開(kāi)始逐步推廣雨水綜合利用，2017 年印發(fā)《北京市人民政府辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》。以文件要求為指引，北京市緊密?chē)@首都城市戰(zhàn)略定位，聚焦解決積水內(nèi)澇、面源污染、水資源緊缺等 “大城市病” 中的水問(wèn)題，堅(jiān)持 “源頭減排、過(guò)程控制、系統(tǒng)治理” 路徑，不斷完善機(jī)制體制、強(qiáng)化雨水徑流全過(guò)程管控、增強(qiáng)城市韌性保障。截至目前，全市共推進(jìn)海綿城市建設(shè)項(xiàng)目近 6000 項(xiàng)。

　　基于地方標(biāo)準(zhǔn) (DB 11/685—2013)《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(修訂后為 (DB 11/685—2021))《海綿城市雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，建立 “3、5、7” 雨水源頭管控體系，其中 “3” 強(qiáng)調(diào)建設(shè)項(xiàng)目雨水調(diào)蓄設(shè)施配套規(guī)模要求。為此，人工雨水調(diào)蓄池在城市雨水管理中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，與透水鋪裝、下凹式綠地等共同成為全市最主要的源頭設(shè)施類(lèi)型。隨著海綿城市建設(shè)進(jìn)入全域推廣階段，雨水調(diào)蓄池?cái)?shù)量和規(guī)模將持續(xù)增加。然而數(shù)量眾多的雨水調(diào)蓄池仍普遍存在投資大、設(shè)計(jì)功能單一、利用效率較低等問(wèn)題。

　　德國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)雨水調(diào)蓄技術(shù)的研究和應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 70 年代。早期專(zhuān)注于對(duì)調(diào)蓄設(shè)施容積設(shè)計(jì)方法優(yōu)化和調(diào)蓄效果的研究。隨著應(yīng)對(duì)雨水管理精細(xì)化需求不斷提升，國(guó)外學(xué)者逐漸將研究方向轉(zhuǎn)向雨洪控制設(shè)施和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)化、數(shù)字化管理方式的優(yōu)化。Shishegar 等提出了全局預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)控制 (GPDC) 方法，應(yīng)用于流域尺度的具有一定規(guī)模的調(diào)蓄設(shè)施動(dòng)態(tài)管理，與靜態(tài)控制相比，流域峰值流量平均減少了 59%;Troutman 等提出負(fù)載平衡控制方法，應(yīng)用于匯水面積 67km² 的合流制排水系統(tǒng)及 11 個(gè)分布式雨水調(diào)蓄設(shè)施實(shí)時(shí)控制，模擬結(jié)果表明，系統(tǒng)出口雨天流量峰值平均降低 94.17%，雨天 TSS 負(fù)荷峰值平均降低 104.47%。

　　近年來(lái)，在智慧水務(wù)推進(jìn)建設(shè)的背景下，我國(guó)學(xué)者對(duì)排水系統(tǒng)優(yōu)化控制技術(shù)的研究也日益關(guān)注。于磊等通過(guò)實(shí)時(shí)控制方案設(shè)計(jì)和模擬，量化了合流制溢流削減量可達(dá) 50%~100%;鐘曄等以?xún)?yōu)化調(diào)蓄設(shè)施運(yùn)行效率為目標(biāo)，構(gòu)建 SWMM 與 SUSTAIN 組成的模擬系統(tǒng)，采用 RTC 調(diào)度方案，應(yīng)用于某 12000m³ 調(diào)蓄池及排水管網(wǎng)，基于歷史降雨數(shù)據(jù)量化了實(shí)時(shí)控制方式應(yīng)用，對(duì)調(diào)蓄池處理量提升率達(dá)到 5%~30%，同步提升了區(qū)域合流制溢流污染削減量。

　　國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度方式對(duì)提升雨水調(diào)蓄設(shè)施運(yùn)行效率具有顯著效果。然而上述研究多基于流域尺度或市政排水系統(tǒng)中布設(shè)的大中型調(diào)蓄設(shè)施，針對(duì)源頭地塊項(xiàng)目中位置分散、規(guī)模有限的調(diào)蓄池研究較少。

　　為此，本文在全面分析北京市源頭雨水調(diào)蓄池建設(shè)和管理現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，基于智慧水務(wù)發(fā)展和海綿設(shè)施精細(xì)化管控需求，研究構(gòu)建雨水調(diào)蓄池智慧化調(diào)控技術(shù)，形成雨水源頭調(diào)蓄設(shè)施智慧化運(yùn)行管理新模式，旨在實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)削峰控澇等目標(biāo)智能調(diào)控，發(fā)揮源頭地塊人工雨水調(diào)蓄池最大的功能和效益。與此同時(shí)，技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)在不新增設(shè)施規(guī)模前提下，提高源頭小區(qū)控制徑流能力，助力城市韌性提升。

　　1 北京市雨水調(diào)蓄池現(xiàn)狀

　　1.1 整體建設(shè)情況：截至 2022 年底，北京市建成區(qū)范圍內(nèi)雨水調(diào)蓄池?cái)?shù)量已達(dá) 2376 個(gè)，調(diào)蓄總能力達(dá) 300.74 萬(wàn) m³;2023 年度設(shè)施建設(shè)數(shù)量和規(guī)模仍呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。雨水調(diào)蓄池主要分布于建筑小區(qū)、公園綠地 2 類(lèi)項(xiàng)目。其中建筑小區(qū)類(lèi)項(xiàng)目中建成調(diào)蓄設(shè)施數(shù)量占比達(dá) 92%，設(shè)施規(guī)模合計(jì)約 130 萬(wàn) m³，達(dá)到全市調(diào)蓄規(guī)模總量的 43.2%。基于單個(gè)設(shè)施規(guī)模分析，雨水調(diào)蓄池容積為 10~10000m³，其中 100~500m³ 的設(shè)施數(shù)量占比約 47%。但數(shù)據(jù)顯示，已建成調(diào)蓄池中配套排水設(shè)備的數(shù)量占比不足 18%。

　　1.2 設(shè)施運(yùn)行維護(hù)情況：對(duì) 120 座建筑小區(qū)類(lèi)項(xiàng)目中的雨水調(diào)蓄池現(xiàn)場(chǎng)抽查調(diào)研結(jié)果顯示：70% 以上的調(diào)蓄設(shè)施由物業(yè)管理公司為主體進(jìn)行運(yùn)行維護(hù);尚有近 26% 處于失管狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研所涉及的雨水調(diào)蓄池中，配套排水泵及管路的占比僅 67.9%。從資源回用角度分析，僅 50% 設(shè)施通過(guò)配套抽排水設(shè)備或臨時(shí)抽水方式，將蓄集雨水應(yīng)用于景觀或綠化;其余調(diào)蓄設(shè)施待降雨后，將雨水排入市政管網(wǎng)，或由于無(wú)配套排水設(shè)備，設(shè)施處于 “只蓄不排” 狀態(tài)。

　　1.3 問(wèn)題分析：全市范圍內(nèi)已建成的雨水調(diào)蓄池具有數(shù)量眾多、單個(gè)設(shè)施規(guī)模量小、位置分散的特征。隨著海綿城市建設(shè)進(jìn)入全域推廣階段，設(shè)施數(shù)量和規(guī)模將持續(xù)增加。然而由于調(diào)蓄池失管或維護(hù)狀態(tài)不佳、配套排水設(shè)施不完善等原因，導(dǎo)致部分雨水設(shè)施建成后處于未運(yùn)行或 “只蓄不排” 狀態(tài)，未能實(shí)現(xiàn)調(diào)蓄設(shè)施對(duì)汛期場(chǎng)次降雨的削峰調(diào)蓄作用。

　　與此同時(shí)，全市建成區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)于源頭地塊的雨水調(diào)蓄池，基本處于分散運(yùn)行狀態(tài)，依靠管理人員經(jīng)驗(yàn)、采用人工調(diào)控方式，導(dǎo)致自動(dòng)化運(yùn)行能力不足、人工運(yùn)行維護(hù)成本高、維護(hù)水平參差不齊;傳統(tǒng)全過(guò)程雨水調(diào)蓄運(yùn)行方式下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目、地塊、區(qū)域等不同空間尺度上基于降雨條件、下墊面特征的智能調(diào)度和聯(lián)動(dòng)。與此同時(shí)，由于雨水調(diào)蓄池進(jìn)水端缺少調(diào)控裝置，導(dǎo)致初期雨水進(jìn)入，收集的雨水水質(zhì)較差，進(jìn)而影響了后續(xù)的回用。

　　2 智慧調(diào)控技術(shù)與實(shí)現(xiàn)路徑

　　2.1 智慧化調(diào)控整體思路：針對(duì)上述建設(shè)和運(yùn)行管理中存在的問(wèn)題，在智慧水務(wù)頂層設(shè)計(jì)框架下，以?xún)?yōu)化調(diào)控方式、提升運(yùn)行效率為目標(biāo)，構(gòu)建雨水調(diào)蓄池智慧化運(yùn)行技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合區(qū)域下墊面情況、雨水管網(wǎng)系統(tǒng)、設(shè)施現(xiàn)狀，對(duì)排水系統(tǒng)局部改造、增加調(diào)蓄池進(jìn)水端加裝控制裝置、感知設(shè)備;進(jìn)行數(shù)值模型構(gòu)建和預(yù)測(cè)，識(shí)別排水系統(tǒng)流量變化過(guò)程;基于 RTC 實(shí)時(shí)控制技術(shù)原理，耦合邏輯判斷規(guī)則與數(shù)值模擬方法，判別排水系統(tǒng)流量峰值，對(duì)調(diào)度規(guī)則和策略進(jìn)行優(yōu)化;將調(diào)度策略生成模塊集成于控制系統(tǒng)平臺(tái)中，構(gòu)成集 “監(jiān)測(cè) - 模擬 - 調(diào)度” 于一體的智慧化運(yùn)行模式。實(shí)現(xiàn)雨水調(diào)蓄池運(yùn)行管理和調(diào)度決策的自動(dòng)化、精準(zhǔn)化、高效化，對(duì)設(shè)施功能最大化和效益持續(xù)化起到積極促進(jìn)作用。

　　2.2 調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)建：雨水調(diào)蓄池智慧化運(yùn)行技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，需要對(duì)區(qū)域排水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，包括雨水調(diào)蓄池和排水管網(wǎng)改造、調(diào)蓄設(shè)施控制部件和計(jì)量傳感裝置配置、控制平臺(tái)搭建等。

　　對(duì)雨水調(diào)蓄池及排水管網(wǎng)進(jìn)行改造。增設(shè)調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)水口、出水口，其中進(jìn)水口與上游雨水管道直接連接，具備匯水范圍內(nèi)雨水的收集、調(diào)蓄、存儲(chǔ)、傳輸功能;通過(guò)出水口實(shí)現(xiàn)與下游雨水管網(wǎng)主干管或支管連接。設(shè)置與雨水調(diào)蓄池連接管路并聯(lián)的旁路雨水管線(xiàn)，該旁路管線(xiàn)具備對(duì)上游匯水范圍內(nèi)雨水的收集、傳輸功能，且與下游雨水管網(wǎng)主干管或支管連接。

　　配置調(diào)蓄設(shè)施控制和計(jì)量傳感裝置。與雨水調(diào)蓄池進(jìn)水口連接的雨水管線(xiàn)設(shè)置進(jìn)水控制裝置;綜合考慮主干管水位頂托和倒灌風(fēng)險(xiǎn)，于雨水管線(xiàn)上同時(shí)加裝控制裝置，實(shí)現(xiàn)以感知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息為觸發(fā)條件，具備可調(diào)控進(jìn)水時(shí)間、流量、水流方向功能。增加在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與計(jì)量傳感裝置，布設(shè)于雨水調(diào)蓄池、雨水管道中實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)蓄設(shè)施水位、雨水管網(wǎng)流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸。

　　基于基礎(chǔ)設(shè)施和硬件配置，構(gòu)建耦合數(shù)值模型、調(diào)控規(guī)則算法、在線(xiàn)感知設(shè)備、物聯(lián)設(shè)備的雨水調(diào)蓄設(shè)施控制平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)的交互、模擬計(jì)算、調(diào)度規(guī)則生成、控制執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)雨水調(diào)蓄池統(tǒng)籌調(diào)配。

　　2.3 調(diào)控策略構(gòu)建與優(yōu)化

　　2.3.1 基于模型構(gòu)建調(diào)度策略設(shè)計(jì)：采取數(shù)值模型構(gòu)建與模擬預(yù)測(cè)的方法，提出排水系統(tǒng)調(diào)度控制策略。基于排水系統(tǒng)流量峰值削減的控制目標(biāo)，策略生成路徑如下：

　　基于 SWMM 數(shù)值模型，構(gòu)建覆蓋區(qū)域下墊面類(lèi)型、源頭海綿設(shè)施、排水管網(wǎng)、末端排口的全過(guò)程排水系統(tǒng)模型。基于排水系統(tǒng)內(nèi)建設(shè)的單個(gè)或多個(gè)雨水調(diào)蓄池設(shè)計(jì)參數(shù)，分別核算單個(gè)設(shè)施調(diào)蓄規(guī)模及對(duì)應(yīng)降雨量。

　　模擬初始狀態(tài)下管網(wǎng)系統(tǒng)流量變化趨勢(shì)。降雨過(guò)程中，調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)水控制閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài);與雨水調(diào)蓄池并聯(lián)的旁路雨水管道上閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)，雨水通過(guò)旁路管線(xiàn)向下游排水管網(wǎng)排水。

　　識(shí)別目標(biāo)管線(xiàn)流量峰值(Q₀)及峰值出現(xiàn)時(shí)間(T₀)。通過(guò) Visual Studio 2022 平臺(tái)調(diào)用 SWMM 模型動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) (dll 文件) 方式啟動(dòng)計(jì)算引擎，實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果參數(shù)調(diào)取與核算。其中，Q₀為基于 SWMM 數(shù)值模型對(duì)場(chǎng)次降雨全過(guò)程目標(biāo)管段流量變化模擬結(jié)果中所識(shí)別出的最大流量值。

　　根據(jù)設(shè)施調(diào)蓄規(guī)模，推算可調(diào)度峰值雨量(Q₂)、調(diào)度時(shí)段(T₁~T₂)。Q₂表征調(diào)蓄設(shè)施調(diào)蓄能力，采用 2a 一遇標(biāo)準(zhǔn)降雨進(jìn)行模擬，基于設(shè)施容積規(guī)模，以調(diào)蓄池開(kāi)始蓄水至蓄滿(mǎn)停止時(shí)間周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的降雨量大小表征;T₁~T₂表征調(diào)蓄操作起止時(shí)間，T₁和 T₂時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雨水管道流量為 Q₁。

　　根據(jù)參數(shù)識(shí)別結(jié)果，生成調(diào)度策略。即當(dāng)目標(biāo)管線(xiàn)流量達(dá)到 Q₁、對(duì)應(yīng)時(shí)間達(dá)到 T₁時(shí)，調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)水控制閥門(mén)開(kāi)啟，雨水進(jìn)入調(diào)蓄設(shè)施。當(dāng)調(diào)蓄設(shè)施雨量達(dá)到最大調(diào)蓄規(guī)模 Q₂、對(duì)應(yīng)時(shí)間達(dá)到 T₂時(shí)，調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)水控制閥門(mén)關(guān)閉，雨水由旁路雨水管線(xiàn)排出。

　　綜上所述，通過(guò) SWMM 數(shù)值模擬結(jié)果，以及 Hydraulics-Controls 模塊中控制規(guī)則編輯功能，可依據(jù)排水系統(tǒng)流量變化條件調(diào)整控制變量 (控制閥門(mén)啟閉)。雖初步實(shí)現(xiàn)基于入流條件判斷的削峰調(diào)控運(yùn)行，但受局部的反饋控制限制，對(duì)于多參數(shù)、多系統(tǒng)協(xié)同控制策略設(shè)計(jì)和生成仍具較大局限性。

　　2.3.2 智慧化調(diào)度策略仿真優(yōu)化：歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，建成區(qū)范圍內(nèi)近 70% 降雨量超過(guò) 10mm 的場(chǎng)次降雨表現(xiàn)為多峰雨型特征，且峰值出現(xiàn)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間存在差異。場(chǎng)次降雨特征差異及其所導(dǎo)致的排水系統(tǒng)流量變化，疊加系統(tǒng)內(nèi)雨水調(diào)蓄池單體規(guī)模限制，加劇了設(shè)施調(diào)度策略的復(fù)雜性。

　　針對(duì)實(shí)際降雨特征，基于實(shí)時(shí)控制 (RTC) 技術(shù)和模型預(yù)測(cè)控制算法 (MPC)，耦合監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)、數(shù)值模型、邏輯判斷規(guī)則，對(duì)策略進(jìn)行仿真優(yōu)化。在數(shù)值模擬構(gòu)建的基礎(chǔ)上，集成以 “降雨量、雨型特征、管網(wǎng)流量峰值” 為 3 項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，以 “降雨量與設(shè)施調(diào)蓄能力匹配程度，雨型單峰或多峰差異性特征，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)流量變化趨勢(shì)與峰值表現(xiàn)特征，調(diào)蓄水量與設(shè)施最大調(diào)蓄能力一致性程度” 為 4 項(xiàng)逐級(jí)判斷條件;通過(guò)模擬預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)交互、反饋校正過(guò)程，設(shè)計(jì)生成符合排水系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景的 “三參數(shù)四工況” 智慧化調(diào)度策略。

　　“三參數(shù)四工況” 智慧化調(diào)度策略，適用于單峰和多峰等不同類(lèi)型的降雨，可以根據(jù)不同的入流條件，自動(dòng)判斷，主動(dòng)調(diào)控，改變?cè)姓{(diào)蓄池的被動(dòng)接收來(lái)水的狀態(tài)，破解雨水調(diào)蓄池智能、有效滯蓄技術(shù)難題。

　　3 智慧調(diào)控技術(shù)示范及應(yīng)用效果

　　3.1 研究區(qū)域概況：選擇通州區(qū)某排水分區(qū)作為示范區(qū)開(kāi)展技術(shù)應(yīng)用成效分析。該排水分區(qū)總面積約 121.17hm²。研究區(qū)用地類(lèi)型涉及居住、公共設(shè)施、綠地與廣場(chǎng)等;包括建筑小區(qū) 6 座、學(xué)校 3 座、公建 3 處，服務(wù)人口約 1.3 萬(wàn)人。該區(qū)域?yàn)楹狭髦婆潘謪^(qū)，汛期雨污合流水沿雨水管道排出，末端通過(guò) 3200mm×2000mm 箱涵式合流制排口排入下游河道。

　　3.2 系統(tǒng)構(gòu)建：基于汛期溢流污染控制、排水系統(tǒng)削峰控澇等目標(biāo)，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)雨水調(diào)蓄池現(xiàn)狀，通過(guò)改造調(diào)蓄設(shè)施、構(gòu)建排水模型、搭建管理平臺(tái)、實(shí)施智慧化調(diào)度策略等方式，提升雨水調(diào)蓄池運(yùn)行效率和系統(tǒng)排水能力。

　　3.2.1 數(shù)值模型構(gòu)建與率定：采用 SWMM 軟件構(gòu)建研究區(qū)排水系統(tǒng)數(shù)值模型。基于區(qū)域資料和實(shí)際排水情況，搭建管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、采用泰森多邊形劃分排水單元;結(jié)合市政道路檢查井位置，手動(dòng)連接排水節(jié)點(diǎn)。排水模型共劃分 183 個(gè)子匯水區(qū)域，包含 198 段管道、196 個(gè)排水節(jié)點(diǎn);將系統(tǒng)內(nèi)雨水調(diào)蓄池以雨水桶形式概化。此外，模型中所涉及的下墊面數(shù)據(jù)，采用 2019 年高分衛(wèi)星影響解譯結(jié)果;曼寧系數(shù)、管網(wǎng)糙率等參數(shù)基于率定結(jié)果確定;入滲率相關(guān)參數(shù)，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

　　降雨數(shù)據(jù)采用研究區(qū)內(nèi)雨量站單點(diǎn)數(shù)據(jù)，采集頻率 5min・次⁻¹;排水管網(wǎng)末端排口安裝流量監(jiān)測(cè)設(shè)施，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)流量變化過(guò)程。選取 20190517 和 20190728 這 2 場(chǎng)次降雨監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行率定;2 場(chǎng)降雨情景下，納什系數(shù) NSE 分別為 0.905、0.842，均方根誤差 RMSE 為 0.112、0.130，平均相對(duì)偏差 BIAS 為 0.826 和 0.795，擬合效果較好。

　　3.2.2 調(diào)蓄設(shè)施改造與概化：研究區(qū)內(nèi)建有雨水調(diào)蓄池 4 座，分別標(biāo)記為 S₁、S₂、S₃和 S₄。上述調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)水口分別與雨水管線(xiàn) L₁₁、L₂₁、L₃₁、L₄₁連接，出水口分別與排水管線(xiàn) L₁、L₂、L₃和 L₄連接。對(duì)雨水調(diào)蓄池及配套系統(tǒng)進(jìn)行改造，并在 SWMM 數(shù)值模型中進(jìn)行概化;設(shè)施進(jìn)水口增設(shè)進(jìn)水控制閥門(mén)，分別標(biāo)記為 ORI₁、ORI₃、ORI₅、ORI₇;設(shè)置旁路雨水管線(xiàn) L₁₂、L₂₂、L₃₂、L₄₂及配套控制閥門(mén) ORI₂、ORI₄、ORI₆、ORI₈;旁路雨水管線(xiàn)下游分別連接 L₁、L₂、L₃和 L₄。研究區(qū)排水系統(tǒng)末端排口以 L₀表示。

　　3.2.3 控制平臺(tái)搭建：構(gòu)建以數(shù)值模型和邏輯算法為核心，結(jié)合 GIS+BIM 技術(shù)，耦合在線(xiàn)感知、物聯(lián)設(shè)備的雨水調(diào)蓄池管控平臺(tái)。平臺(tái)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層中集成 “三參數(shù)四工況” 智能調(diào)度策略模塊，通過(guò)多源信息的匯聚、融合、模擬計(jì)算，快速生成適用于不同目標(biāo)條件下的調(diào)度規(guī)則;通過(guò)規(guī)則的讀出與執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)調(diào)蓄設(shè)施的智慧化調(diào)度。與此同時(shí)，智慧調(diào)度規(guī)則實(shí)施前后的效果對(duì)比和調(diào)蓄操作提示可在雨水調(diào)蓄池控制系統(tǒng)頁(yè)面進(jìn)行展示。

　　3.3 智慧化調(diào)控效果：以 2021—2022 年 4 場(chǎng)次典型降雨，對(duì)雨水調(diào)蓄池智慧調(diào)度效果進(jìn)行驗(yàn)證分析。典型場(chǎng)次降雨時(shí)間為 8.3~23.0h 不等，場(chǎng)次降雨量為 6.2~83.0mm，雨型包含單峰和多峰。

　　基于降雨特征差異，將 4 場(chǎng)次典型降雨分為 3 種類(lèi)型，針對(duì)性實(shí)施符合實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景的調(diào)度模式，并對(duì)比分析雨水調(diào)蓄池智慧調(diào)度應(yīng)用效果。

　　模式 1：降雨量小于設(shè)施調(diào)蓄能力的降雨，以 20210616 場(chǎng)次降雨為例。針對(duì)此類(lèi)降雨量較小的場(chǎng)次降雨，采用降雨全過(guò)程收集的調(diào)度策略。降雨過(guò)程中，雨水蓄集至調(diào)蓄設(shè)施，待降雨結(jié)束后，向下游排水管線(xiàn)排水。

　　模式 2：降雨量大于設(shè)施調(diào)蓄能力、單峰特征降雨，以 20210625 場(chǎng)次降雨為例。針對(duì)此類(lèi)型降雨，根據(jù)雨量和流量變化，識(shí)別管線(xiàn)流量峰值，結(jié)合設(shè)施能力進(jìn)行調(diào)蓄。對(duì)比傳統(tǒng)雨水調(diào)蓄池運(yùn)行方式，排水管網(wǎng)峰值削減率可達(dá)到 13.8%~39.8%，基于 4 個(gè)調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模、匯水區(qū)域、管網(wǎng)排水條件等因素影響，設(shè)施間效果存在差異。

　　模式 3：降雨量大于設(shè)施調(diào)蓄能力、多峰特征的場(chǎng)次降雨，以 20220629 和 20220727 這 2 場(chǎng)次降雨為例。對(duì)降雨期間雨水管網(wǎng)系統(tǒng)中流量特征峰進(jìn)行逐一標(biāo)記，判斷并識(shí)別最大峰值流量及其時(shí)間節(jié)點(diǎn)，針對(duì)所識(shí)別流量峰值進(jìn)行調(diào)度。該調(diào)度模式下，基于降雨量差異，場(chǎng)次降雨量 <30mm 時(shí)，排水雨水管網(wǎng)峰值削減率可達(dá)到 50%~100%。降雨量達(dá)> 83mm 的暴雨級(jí)別時(shí)，調(diào)控效果有所下降，管網(wǎng)峰值削減率約達(dá) 4.5%~17.6%，與源頭地塊內(nèi)應(yīng)用的小型雨水調(diào)蓄池單體容積有限相關(guān)。為應(yīng)對(duì)大雨、暴雨以上場(chǎng)景下的洪澇風(fēng)險(xiǎn)，在對(duì)調(diào)蓄池優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步強(qiáng)化雨水徑流的組織和管控，對(duì) “源頭 - 過(guò)程 - 末端” 排水系統(tǒng)內(nèi)具有雨水滯蓄功能各類(lèi)設(shè)施聯(lián)合調(diào)度，強(qiáng)化區(qū)域雨水滯蓄效果和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力。

　　智慧化調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)設(shè)施到復(fù)雜系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度突破。綜合區(qū)域下墊面特征、上下游排水管線(xiàn)輸水條件相結(jié)合的調(diào)度方式下，對(duì)比傳統(tǒng)運(yùn)行效果，研究區(qū)末端雨水干管峰值削減率可達(dá) 11.81%，實(shí)現(xiàn)片區(qū)排水系統(tǒng)峰值流量削減目的。

　　4 結(jié)論

　　目前，全市建成區(qū)范圍內(nèi)已建成雨水調(diào)蓄池?cái)?shù)量達(dá) 2376 個(gè)，調(diào)蓄能力超過(guò) 300 萬(wàn) m³ 并呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。數(shù)量眾多的雨水調(diào)蓄池存在單體調(diào)蓄容積小、位置分散、配套排水設(shè)施不完善等實(shí)際情況和問(wèn)題，導(dǎo)致降雨期間削峰調(diào)蓄作用不佳;疊加設(shè)施信息 “孤島” 嚴(yán)重、自動(dòng)化運(yùn)行能力不足問(wèn)題，難以滿(mǎn)足智慧化、精細(xì)化、系統(tǒng)化運(yùn)行和管理需求。

　　基于 RTC 實(shí)時(shí)控制技術(shù)原理，通過(guò)耦合在線(xiàn)感知、物聯(lián)設(shè)備、數(shù)值模擬、邏輯算法，研發(fā)雨水調(diào)蓄池智慧化調(diào)控技術(shù)，提出 “三參數(shù)四工況” 調(diào)度策略。智慧化調(diào)度技術(shù)具備入流條件 “主動(dòng)適應(yīng)、自動(dòng)判斷、精準(zhǔn)調(diào)控” 功能，針對(duì)不同特征降雨 “全覆蓋、全適用”。應(yīng)用效果表明，基于降雨特征、設(shè)施規(guī)模、匯水區(qū)域、管網(wǎng)排水條件等差異，對(duì)比傳統(tǒng)雨水調(diào)蓄池運(yùn)行方式，排水管網(wǎng)峰值削減率可達(dá)到 4.5%~100%;排水系統(tǒng)末端干管峰值削減率可達(dá) 11.81%，實(shí)現(xiàn)片區(qū)峰值削減目的。

　　基于智慧城市、韌性城市等建設(shè)要求，強(qiáng)化海綿設(shè)施精細(xì)化管控、提升場(chǎng)次降雨徑流管控能力已成為新趨勢(shì)。智慧調(diào)控技術(shù)對(duì)提升人工雨水調(diào)蓄設(shè)施精準(zhǔn)化調(diào)度管理水平、發(fā)揮設(shè)施功能和效益提供有力的技術(shù)支撐;與此同時(shí)，技術(shù)成果應(yīng)用可與智慧水務(wù)等工作融合推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)排水分區(qū)、區(qū)域、流域等不同空間尺度范圍內(nèi)調(diào)蓄設(shè)施的聯(lián)合調(diào)度模式，不僅降低人員維護(hù)成本、時(shí)間成本，而且有效緩解城市內(nèi)澇問(wèn)題、減少內(nèi)澇治理等方面的投資。此外，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)削峰控澇智能調(diào)控的同時(shí)，基于排水系統(tǒng)中設(shè)置的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)施和回用目標(biāo)要求，也可對(duì)調(diào)蓄池入流雨水蓄排進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)雨水資源蓄集回用，有效提升非常規(guī)水資源使用效率。

　　技術(shù)成果不僅可以應(yīng)用于全市源頭地塊內(nèi)雨水調(diào)蓄設(shè)施，也可拓展至市政公共調(diào)蓄設(shè)施、地表坑塘、湖泊，充分發(fā)揮調(diào)蓄設(shè)施、自然水體在緩解城市內(nèi)澇、優(yōu)化水資源利用結(jié)構(gòu)、降低面源污染等方面作用，實(shí)現(xiàn)社會(huì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益最大化。

戰(zhàn)楠;于磊;黃俊雄;孟慶義;張書(shū)函;高琳;高小晨,北京市水科學(xué)技術(shù)研究院;城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,202405