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【特刊】昆明排水管网系统实时控制策略的设计和评价

原标题:【特刊】昆明排水管网系统实时控制策略的设计和评价

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新学期推送恢复啦!

谢各位读者的持续关注。今天为大家介绍的是本课题组师生近期在国际知名期刊《Frontiers of Environmental Science & Engineering》上发表的文章!

题目:Design of control strategies in urban drainage systems in Kunming city

作者:Xin Dong(董欣), Senchen Huang(黄森辰), Siyu Zeng(曾思育)

第一作者单位:School of Environment, Tsinghua University, Beijing, 100084, China

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

时间:2017.08

城市排水系统实时控制技术能够有效地削减合流制管网溢流污染,避免城市内涝,促进“海绵城市”的建设,因而近年来得到了国内外研究者和工程师的广泛关注。由于不同排水管网系统结构和属性特征差距大,管理者的控制目标也不尽相同,以往基于经验的设计方法难以推广,该领域需要流程化的管网系统控制策略设计评价方法。基于“十二五”国家重大水专项“昆明主城区污染物综合减排与水质保障关键技术研究与示范”课题的研究,课题组建立了排水管网控制策略的设计、模拟与评价方法。

图1 管网策略测试情景

根据是否使用远程的系统全局信息决策系统控制操作,排水管网实时控制策略可分为局部策略和全局策略。如图2所示,文章研究的案例区域系统被概化为若干子汇水区和调蓄池,局部策略是指利用附近的流量液位信息决策调蓄池的进出水流量,全局策略则是利用整个系统的流量液位信息决策调蓄池的进出水流量。文章针对案例系统的特征,设计了三个策略:常值时序控制、局部反馈控制和全局反馈策略,并基于SWMM模型进行策略模拟和评价。常值时序控制在降雨积累到一定量后就开启调蓄池直至降雨影响结束;局部反馈控制在调蓄池对应的局部溢流口发生溢流时开启调蓄池,无溢流风险时关闭。

文章还专门针对全局反馈策略的设计提出了基于均匀填充原理的流程化设计方法。首先根据系统水量关系和数据传输系统确定联动控制区域,如图中Control Region;然后在每个联动控制区域内将系统划分为若干存储区,如图中Storage Area,划分断点为离线调蓄池入流节点或在线调蓄池出水节点;随后基于均匀填充原理开发具体控制策略,策略以每一时刻每个存储区填充度相等为目标,如果某时刻某存储区域填充度高,则在下一时刻增加该区域出流减少该区域入流,如果某时刻该区域填充度低,则在下一时刻减少该区域出流增加该区域入流。在控制策略设计的基础上,文章利用SWMM模型,对设计的三种策略性能进行了评估,分别模拟了其在不同降雨重现期、不同降雨空间异质性下溢流与内涝方面的表现。

图2 昆明四场服务区概化图

根据模拟结果,全局均匀填充策略相较于其他两个策略能多削减10%的合流制管网溢流污染和5%的内涝。图3是常量策略的模拟结果,图4是全局策略的模拟结果。可以发现,全局策略能够有效地均衡调蓄池的液位,并推迟溢流发生的时间,从而削减溢流量。图5展示了内涝的大致范围,全局均匀填充策略能够削减5%左右的内涝量。可见,合适的控制策略能够进一步削减溢流和内涝。

图3 一年一遇不均匀降雨下

局部策略的出水和调蓄池液位

图4 一年一遇不均匀降雨下

全局策略的出水和调蓄池液位

图5 系统内涝区域

排水管网实时控制的理念虽然被提出和研究了很久,但是缺乏更加详细的研究用于指导具体排水管网策略的设计,降雨的时空分布特征和系统的结构属性特征如何影响策略表现需要进一步理解,并基于这些理解完善策略设计手段。本研究只是一个开始,后续将有更多更细致的相关研究发表。

原文地址:

http://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-017-0968-9

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