摘要：考虑城市暴雨的空间与时间分布特点，选用合适的地表径流系数计算雨水口汇集的待排水量．将暴雨在雨水口汇集、管道传输和泵站排出的过程看作为一个多级串联的排队系统，同时根据城区不同重要等级确定其排水等待时间约束，通过计算防汛泵站及管网的建设与运营费用，构建以总成本和最长排水等待时间为双目标的城市防汛泵站选址模型．通过嵌入禁忌搜索算法改进遗传算法，求解复杂的防汛泵站非线性选址问题．实际案例分析表明多级排水理论可以较好地模拟城市排水系统，也指出排水泵站数量、泵站地址及暴雨重现期等对城市排水系统有重要影响。
关键词：排水系统布局；排队模型；多级串联；排水泵站；优化算法
1前言
上海市城市排水系统建设长期不足，频繁的暴雨内涝严重扰乱城市居民生活秩序．城市内涝灾害产生的原因众多，由于城市区域规划的不均衡性，致使城市水文特性和成灾机制发生显著变化，暴雨对不同区域的灾害影响存在较大差异．上海市普遍采用截流式合流制改造原有排水系统、优化排水管网及泵站选址．本文城市排水系统指截流式合流制排水系统，在暴雨条件下，其主要作用是处理雨水，包括雨水汇集、输送、排出等环节，由雨水管网和防汛泵站组成，不讨论污水处理及其排水问题．城市排水系统可以看作一个串联排队系统，排队论可以用于解决系统布局与选址问题．例如Ｈａｊｉｐｏｕｒ等使用Ｍ／Ｍ／ｍ排队构建一个多目标非线性混合整数规划的选址模型，Ｓｉｎｇｅｒ等构建救护车排队服务的模型，胡丹丹等将竞争环境下的最大截流选址问题转化为排队论模型．本文基于多级串联排队系统仿真城市排水系统，考虑降水特征、区域排水时间需求、排水管网承载能力，构建排水系统年度运行费用和排水时间为双目标的排水系统再选址模型，通过改进遗传算法求解该模型，达到优化城市排水设施布局的目的。
2泵站选址影响因素
2.1城市暴雨强度特征与地表径流
气象资料表明城市暴雨是一个变化过程，降雨强度在暴雨期间变化大，常用总降雨量、降雨历时和降雨频率描述城市暴雨特征．降雨历时一般用５ｍｉｎ至２ｈ，重现期为高强度暴雨出现一次的平均间隔时间，一般取０．５年至５年不等．为了及时汇集暴雨径流，一般在交叉路口、道路低洼处、沿道路每隔一定距离设置雨水口．假设每个雨水口对应一个汇水区，每个汇水区内的降雨特征相同，暴雨径流就近流入雨水口．每个雨水口汇集的暴雨径流的流量强度与汇水区流域面积有关。
2.2城市排水系统的组成与排水过程
城市排水管网是一个由不同雨水管道组成的网状系统，雨水管道由众多管段组成，一般沿道路一侧或两侧使用暗埋方式敷设，在管网终点设置雨水提升泵站．假设排水管网由一系列管段组成，连接雨水口，雨水在管段内沿重力方向流动，．每个管段的排水服务容量与其直径有关。稳定服务条件下管段的排水量为该管段前端的雨水口汇集的降雨量与所有流经此处的管段流量之和，且管段的排水量不大于其服务容量。
2.3多级串联排水特征
2.3.1多顾客源多级排队过程
城市排水系统通过雨水口汇集降水、由多级管段组成的管网传输雨水、最后由防汛泵站提升雨水直到排到水体，该过程可以看作是一个多顾客源、多级排队系统，记为雨水口、管段泵站可看作是服务容量有限的多级服务台．以管段为例，其服务容量为，顾客来源是雨水口汇集的地表径流和所有上游管段的汇流。
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2.3.2城区排水逗留时间限制
于城市不同区域的人口密度、交通条件、经济水平不同，暴雨内涝灾害对其影响不同．为了减少城市重要区域（例如商业集中地、人口密集的社区、交通流量大的道路、政治文化集聚区等）潜在的内涝损失，可以通过设置不同区域排水的优先权或者排水等待时间值，以调整排水系统的排水服务水平．邀请有经验的专家，确定城市重要区域的排水等待时间限制值．如果城区的重要性程度越高，则可要求地表雨水的逗留值越小。
3泵站选址的重要性
在城市排水系统中，一个泵站组成的局部系统是一个多级串联的Ｍａｒｋｏｖ过程，多个泵站及其排水系统之间相互独立．系统模型使用两个决策变量。在一个局部区域，划分为一系列的降雨汇集区，每个雨水汇集区设置一个雨水口，各雨水口通过不同直径的排水管连接，该区所有排水管最后与一个泵站相连，雨水经提升后直接排到临近水体．雨水最长等待时间Ｔ表示雨水径流接受各雨水口处理前等待时间的最大值。排水系统总成本包括防汛泵站的设备费用、泵站的土建费用、排水管网的建安费用、排水系统年运行费用，按年度折旧费计算。双目标多级排队系统模型具有复杂的非线性关系，难以直接采用确定性数学规划方法求解．为了简化计算，主要聚焦于求解平稳的多级排水随机过程问题，平稳的Ｍａｒｋｏｖ随机过程统计特性不随时间而变化．对于平稳状态的排队系统，随机过程的统计特征等不变，用各雨水口降水的等待时间期望值代替其等待时间平均值，则随机排队问题可转化为确定性问题，采用改进遗传算法以双目标函数求解该确定性问题，得到多级排队问题下的城市排水系统的等待时间、总成本的最小期望值。
4泵站选址的应用
通过实际算例说明城市防汛泵站选址的多级排队理论的适用性，讨论与验证改进遗传算法的有效性。
4.1算例选择与参数确定
随着黄浦江两岸开发的深入，定海路街道分别划入复兴岛开发区域和东外滩开发区域．拟建排水系统仍然采用雨污水合流制，服务面积约４．２５ｋｍ２，充分利用现有管道系统，沿黄浦江和运河选址建设防汛泵站，现有排水系统的原设计暴雨重现期为０．５年，更新改造后设计暴雨重现期取１年，考虑现代化城区规划发展，扩建或新建１～３个泵站，同时相应地调整排水管网直径和排水流向，基本消除城市积水和内涝，满足待排水等待时间和总费用的控制目标。
4.2算例结果
原防汛泵站选址点和泵站服务能力不变，原管道直径和管道系统组成不变，如果暴雨重现期取１年、综合径流系数取０．６５，则暴雨等待服务的时间最小值为１３２．４ｍｉｎ，待时间最大值为２４７．５ｍｉｎ，该辖区暴雨平均等待服务时间为１６５．６ｍｉｎ．等待服务时间均远大于需求，即现有排水系统不能满足排水时间要求，当暴雨气候出现时，该街道容易出现积水和内涝。
暴雨重现期取１年、综合径流系数取０．６５，重要区域雨水口的暴雨等待时间要求满足限制条件，排水系统费用按２０年折旧．当设置一座泵站时，所有雨水管段与该泵站相连。
5结束语
城市排水系统可以看作为一个复杂的多级串联排队系统，如果地表径流来不及处理，就会形成城区积水和内涝．防汛泵站作为城市排水系统的核心组成之一，其选址位置和服务能力直接影响到排水效果．通过考虑暴雨强度在城市空间分布特点以及城市排水系统的组成与运行特点，以雨水口、排水管段、泵站等组成多级服务台的排队模型．为了确保重要城区无积水，对不同区域设置不同的排水等待时间．以各雨水口的最长排水等待时间及排水系统运营总成本为目标函数，以城市排水系统为基础，建立防汛泵站的最优选址模型。
参考文献：
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论文作者:闫文静,寇柏莹
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/27
标签：泵站论文; 雨水论文; 暴雨论文; 城市论文; 排水系统论文; 径流论文; 时间论文; 《基层建设》2018年第15期论文;