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10高芳-初始场同化技术在黄孝河机场河模型中应用.pdf

编号：161280

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1、模型初始场同化技术在黄孝河机场河流域在线模型中的应用中建三局绿色产业投资有限公司2023年3月1.总体背景2.黄机模型搭建3.应用场景及成效武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程政策导向总体背景城市水务系统建设及运维加强数字化转型，加快构建智慧水利体系，提高“预报、预警、预演、预案”能力。“十四五”智慧水利建设规划2021.10水利部2022.02水利部关于印发2022年河湖管理工作要点的通知加强智慧河湖建设。提升河湖监管信息化水平，开展河湖遥感监管，完善河湖管理信息系统。数字中国建设整体布局规划2023.02中共中央、国务院建设绿色智慧的数字生态文明，构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系

2、。2021年2022年2023年加强智慧水务、园林绿化等专业领域管理监测、养护系统、公众服务系统研发和应用示范。“十四五”全国城市基础设施建设规划2022.08住建部、发改委加强智慧平台建设。建立完善城市综合管理信息平台，整合各部门防洪排涝管理相关信息，满足日常管理、运行调度、灾情预判、预警预报、防汛调度、应急抢险等功能需要。关于加强城市内涝治理的实施意见2021.04国务院构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力。十四五规划和2035年远景目标纲要2021.03 国务院推进信息系统建设。推行排水户、干支管网、泵站、污水处理厂、河湖水体数据智能化联动和动态更新，开展常态化监测评

3、估，保障设施稳定运行。“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划2021.06国家发改委、住建部推动流域智慧化管理，全面推进算法算力建设，将成为流域治理的重要手段。武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程面临问题总体背景流域治理建设及运维模型应用欠缺模型模拟在流域系统治理中的使用仍在发展阶段预见性不足对远期的管网、河道、设施的水质和水力状况的预见性不足调度能力不足流域视角下多系统联动十分复杂，难以发挥设施的最优能力监管手段欠缺缺乏有效的水质水力监控传统水务工程及管理的局限性武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程基于水力学方程的机理模型逐渐成为主流工具总体背景发展趋势模型在城市雨污水治理中的

4、应用20 世纪70 年代，美国环保署发布暴雨管理模型，成为城市排水系统水动力模型开发的开端城市排水模型起源20世纪80年代，地理信息系统被逐步融入到城市雨洪模拟中，出现MOUSE为代表的商业模型地理信息系统融入20世纪90年代，商业软件的二维模拟逐渐成熟，模型被逐步用于现状评估，辅助规划设计二维模型趋于成熟进入21世纪后，欧盟提出基于管网-污水厂-河道模型的集成发展，标志模型一体化水动力水质模型的成熟厂网河模型一体化近年来，基于预报数据的在线模型在维也纳、哥本哈根等地得到应用，国内近两年逐步有相关落地项目在线模型模拟应用武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程发展趋势总体背景排水系统模型搭建与

5、应用实时模型优化调度监测/预报数据模型预测控制高频更新高频预测离线模型历史/设计数据给定已知规划评估数据量增大难度提升固定数据来源初始场边界条件调度规则模型作用在线模型在线预警滚动预测规则控制滚动更新监测/预报数据滚动：即定时触发，模拟时长拼接后完整覆盖现实世界，例如每天8点预报未来24小时高频：意味着模型模拟所消耗的时间必须压缩在一个监测数据交互步长内，例如每分钟刷新模拟未来1小时排水系统在线模型已成为发展趋势武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程发展现状总体背景排水系统模型搭建与应用如何利用有限的在线监测数据，实现对复杂的流域系统的高精确度模拟，是目前急需攻克的难题。国内多采用离线模型模

6、拟，较为普及；预测精准度低、实用性差；在国内较为少见，普及率不高；所需数据量大、边界条件多、设备设施要求高；离线模型在线模型技术难点当前国内模型建设仍以离线模型为主，在线模型处在逐步接受与应用进程中。流域面积大、实时数据量有限、降雨空间分布不规律，预测与实测差异大、预测结果偏小1.总体背景2.黄机模型搭建3.应用场景及成效武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程9n 黄孝河机场河水环境综合治理项目流域面积130km2，合流区占比38%，辐射人口约256万。总投资51.85亿元，建设期2.5年，运营期15年。项目实施机构:武汉市水务局政府出资代表:武汉碧水集团有限公司股东方:中建三局，武汉控股、

7、中建基金、市政中南院、苏伊士及开封黄河工程内容(20个子项)：n晴天全截污：地下净化水厂（10万吨/天）n雨天控溢流：截污箱涵+CSO调蓄池群n汛期治洪涝：明渠拓宽+泵站扩建n运维智能化：流域综合治理平台n湖北省首个入选全球基础设施中心（GIH）项目库的项目、湖北省重点项目、武汉市“四水共治”头号工程。2022年8月投入运营。后湖泵站铁路桥地下净化水厂黄孝河CSO强化处理设施常青公园CSO调蓄池机场河CSO调蓄及强化处理设施黄孝河CSO调蓄池黄机模型搭建流域背景黄孝河机场河水环境综合治理项目武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程汉西污水处理厂西渠钢坝闸古田二路泵站王家墩泵站常青泵站黄家大湾闸

8、常青CSO调蓄池黄孝河CSO调蓄及强化处理设施西北湖联通闸前进四路拦截闸铁路桥地下净水厂铁路桥泵站常青排涝泵站常青北路泵站东渠钢坝闸低位箱涵截制闸东西渠联通闸三金潭污水处理厂张公堤泵站低位箱涵截制闸黄孝河地位箱涵府河机场河CSO调蓄及强化处理设施李家墩闸后湖泵站新墩闸禁口闸幸福二路渠钢坝闸幸福二路渠橡胶坝温馨路箱涵钢坝闸岱山闸机场河低位箱涵建设渠泵站常青CSO调蓄池去往张公堤泵站黄机模型搭建流域背景流域内有63座厂站设施，流域内污水管网899.24 km，雨水管网916.80 km，合流制管网869.24 km，合流制区域占比38%。明渠段长约 5.5km；西渠（明渠段）长约 2.7km，东渠

9、（明渠段）长约 3.4km。污水处理系统设计能力143万m/d；CSO系统工程总调蓄能力45万 m，强化处理系统工程处理能力10 m/s（约86.4万m/d）；排涝系统总抽排能力467 m/s。n 黄孝流域系统总概况n 流域调度总目标水安全目标黄孝河明渠50 年一遇（24 小时降雨）降雨径流的行泄要求；机场河远期综合达到上游汇水区50 年一遇排涝要求。水环境目标黄孝河明渠水质指标达到地表水V 类水质标准，力争主要水质指标达到地表水IV 类标准；机场河明渠水质基本达到地表水V 类标准。水生态目标黄孝河、机场河明渠的生态廊道功能。水景观目标构筑人与自然和谐相处的城市生态河。黄孝河机场河水环境综合治

10、理项目武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程钢坝闸溢流风险预警暗涵及低位箱涵的水位/流量预测蓄池/泵站前池/闸门前后水位预测关键涵闸运行预报合流制溢流风险预测预警未来三天河道水质状态评估河道水质恢复达标评估溢流停止后河道水质恢复预测水环境实时预测预警和流域级动态调度可预可调预测预警动态调度基于“武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理二期PPP项目”建成后的设施状况，搭建管网水动力模型、河道水动力水质模型，利用监测数据与外接降雨预报数据，对流域水安全、设施运行负荷、河道水环境等指标进行全方位预测模拟，并对影响项目运维的重要事件进行及时预警。平台根据预测预警信息，提供不同场景下的全流域联

11、动调度预案，充分发挥系统调蓄作用，减少合流制溢流频次，提升河道水质，实现流域水环境治理目标。提供晴天截污、溢流管控、行洪排涝、雨后补水四种调度模式下的调度预案流域级动态调度策略及下达行洪排涝模式下的河道漫溢风险预测行洪过程中河道漫溢风险预测预警黄机模型搭建建设目标黄孝河机场河流域模型武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程构建黄孝河、机场河截污钢坝闸上游的一维管网水动力模型，包括合流制系统及相关管网的概化和搭建、调蓄池、强化处理设施、泵闸等设施的简化与模拟。数据收集与处理模型构建模型校核场景模拟应用管网数据河道数据一维河道水动力水质模型一维管网水动力模型实测降雨实测积水点位流量液位监测集水区数

12、据在线模型转换在线模型应用河道水安全达标评估预报降雨在线监测数据钢坝闸溢流风险在线预警河道行洪风险在线预警河道水质恢复在线预测流域级动态调度辅助一维管网水动力模型构建黄孝河、机场河的一维河道水力模型，考虑两条河道的汇水范围，评估 50 年一遇设计降雨下的黄孝河拓宽工程的防涝目标的达成情况，并提供河道行洪风险在线预警。在河道水力模型的基础上构建一维水质模型，在雨后河道水质监测数据输入、补水量和补水水质输入以及末端排涝泵站运行规则边界条件下，模拟河道水质变化情况，评估河道水质的恢复效果。一维河道水动力水质模型黄机模型搭建总体技术路线黄孝河机场河流域模型武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程管网上

13、下游拓扑分析划分汇水分区简化厂站设施设置污水曲线基础数据收集模型率定与校准建模技术路线黄机模型搭建黄孝河机场河流域模型武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程模型率定校准黄机模型搭建黄孝河机场河流域模型模型率定选择流量指标，从管网特征一致性角度出发，拟和实测的总水量偏差不应大于20%，时间序列数据模拟和实测的峰现时间偏差不应大于1h，峰值偏差不应大于25%；从时间序列一致性角度出发，关注关键节点的时间序列数据Nash系数不应小于0.5。数据筛选布设12个流量监测点和8个液位监测点数据质量较好的5个雨量站旱天率定连续3天不下雨，第4天至第N天仍然不下雨定义为旱天筛选总雨量较大且空间分布较均匀的降

14、雨场次雨天率定1.总体背景2.黄机模型搭建3.应用场景及成效武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程模型初始场同化技术应用场景及成效黄机在线模型转换ABC流域面积大、实时数据量有限。同时由于降雨存在时空分布的不规律，导致雨水径流带来的合流制管网水位变化复杂，预测准确度难以保证。滚动预测的初始时刻，可能位于降雨过程中的各个不同阶段，汛期在线模型中预测开始时刻的初始水位往往与实测值具有较大差异。在线模型每10 min滚动更新，其模拟结果总是受初始场影响，水位变化小。实时滚动性、准确性在线模型转换在线数据量不足；降雨空间差异汛期初始场数据差异大初始场导致汛期预测结果偏小模型初始场同化技术武汉市黄孝

15、河、机场河水环境综合治理工程技术原理应用场景及成效模型初始场同化技术发展历史：模型初始场同化技术可追溯到20世纪60年代气象、航空航天、军事和水利等领域的应用较为成熟，然而城市管网及流域水环境综合治理中应用较为少见。行业应用：（1）实时监控与预警：结合实时监控数据，进行运行状态评估和预警；（2）模拟与预测：将历史数据和实时监测数据整合到管网模型中，进行运行模拟和未来预测。多模式集成将多个模式的输出进行集成，可以综合利用各模式的优点循环同化不断运行模型，模型输出和实测数据的比对，来逐步调整模型的初始场。参数化方案通过改进参数化方案，更准确地描述产汇流的过程数据融合多个传感器或在线数据融合到一个模

16、型中，更好地捕捉到复杂的管网系统变化武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程技术路线应用场景及成效优选数据可靠的监测数据，充分考虑由于降雨及控制设施引起的水位变化；构建离线与在线相结合的方案运行中不断为方案库补充完善更贴近当地实际的方案算法设计同时兼顾水位准确性及变化稳定性，能够大幅提升在线模型的模拟精度技术要点模型初始场同化技术武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程应用场景-预测预警应用场景及成效短期预警临近预警河道行洪水质恢复发出预警：24小时内最高水位预测值，是否存在溢流风险暗涵沿程剖面图管网充满度/水深/流量主题图钢坝闸的闸前水位过程预测预测推演预报参数设定设施实时状态情景模拟1小时

17、在线滚动预报黄孝河机场河水环境综合治理平台武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程应用场景-预测预警应用场景及成效月份黄孝河截污闸闸前水位西渠钢坝闸闸前水位平均相对误差/%均方根误差/m纳什系数平均相对误差/%均方根误差/m纳什系数2023年6月（同化前）5.291.18-2.211.40%0.31m-0.262023年7月（同化后）2.200.430.751.29%0.28m0.242023年8月（同化后）1.400.300.870.64%0.17m0.632023年7月2023年8月长期（旱天雨天）预测效果评估，预测准确度在稳步提升2023年6月黄孝河机场河水环境综合治理平台注：一般纳什系

18、数大于0.6代表拟合度可接受，大于0.8代表拟合度较高，约接近于1代表拟合度越好。武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程应用场景及成效2023年7月14日大雨2023年8月21日暴雨降雨事件黄孝河钢坝闸闸前水位西渠钢坝闸闸前水位平均相对误差/%均方根误差/m纳什系数平均相对误差/%均方根误差/m纳什系数2023-07-14（同化过程）1.930.400.821.030.23-0.022023-08-21（同化过程）2.590.570.791.210.320.422023-09-10（同化过程）1.780.380.810.940.200.672023年9月12日暴雨黄孝河机场河水环境综合治理平台

19、降雨场次预测效果评估，准确度稳步提升应用场景-预测预警原因分析：雨型复杂多样，方案库数据仍需补充；流域设施在降雨期间的调度频繁，边界条件变化大武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程调度日志方案对比4种调度模式，根据降雨自动切换管理目标推荐调度指令并下发执行调度状态逐小时降雨量预报流域调度拓扑图/SCADA系统展示实时在线数据调度模式控制分档晴天模式0-1（晴天）CSO溢流控制模式（自动模式）1-10mm（小雨）10-25mm（中雨）25-50mm（大雨）行洪排涝模式（预案模式）50mm以上（暴雨）雨后补水模式（手动模式）手动应用场景-动态调度应用场景及成效黄孝河机场河水环境综合治理平台武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理工程应用成效应用场景及成效黄孝河机场河水环境综合治理平台长短期预报结合溢流风险模拟与预测预测预警动态调度应急指挥调度复盘调度设施状态实时监控调度方案在线对比平台下达调度指令现场指挥降雨调度事件日志记录数据积累与在线模型提升全国首个在线模拟管控平台；2023年住建部智慧水务典型案例感谢聆听中建三局绿色产业投资有限公司2023年3月

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