昆明市地下排水管線信息模型構(gòu)建對(duì)市政規(guī)劃輔助決策支撐研究

解智強(qiáng)，高 忠，何江龍，侯至群，王貴武

(1.昆明市城市地下管線探測(cè)管理辦公室，云南昆明650011;2.武漢大學(xué)資源環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430070)

一、引 言

目前，城市排水規(guī)劃面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是涉水規(guī)劃嚴(yán)重缺乏基礎(chǔ)資料的支持，導(dǎo)致城市地下排水管線的建設(shè)與改造缺乏科學(xué)依據(jù)，規(guī)劃中的人為裁量權(quán)加重，使規(guī)劃成果的實(shí)際應(yīng)用的作用降低。由于缺乏計(jì)算機(jī)和GIS技術(shù)支持，使城市中脫離地下排水管線實(shí)際容量的施工建設(shè)任意性加強(qiáng)，導(dǎo)致破壞環(huán)境容量的不合理的城市建設(shè)工程頻繁出現(xiàn)，因此城市內(nèi)澇事故等事故發(fā)生頻繁。為治理滇池和科學(xué)規(guī)劃城市建設(shè)，2010年昆明市規(guī)劃局和科技局聯(lián)合開(kāi)展了“基于GIS技術(shù)的昆明市地下排水管線評(píng)價(jià)研究”項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用已有地下排水管線及城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對(duì)目前掌握的2008～2010年昆明市普查完成的地下排水管線信息資源數(shù)據(jù)開(kāi)展深入分析研究，建設(shè)昆明市地下排水管線數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析，對(duì)昆明市部分片區(qū)地下排水管線的運(yùn)行狀態(tài)及承載能力、災(zāi)害預(yù)報(bào)等方面作出評(píng)價(jià)，建立昆明市主城區(qū)有代表性的片區(qū)排水模型，并建設(shè)與此相配套的地下排水管線管理、評(píng)估與分析平臺(tái)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)手段，將這些成果向社會(huì)提供服務(wù)。同時(shí)，進(jìn)一步收集并管理相關(guān)涉水?dāng)?shù)據(jù)，為昆明市城市雨污分流改造、城市防洪、以及涉水規(guī)劃管理做出科學(xué)合理的決策支持。

二、基于管線信息模型技術(shù)的城市地下排水管線評(píng)價(jià)方法

基于管線信息模型的城市地下排水管線評(píng)價(jià)研究，以城市地下排水管線數(shù)據(jù)信息建設(shè)為核心，以模型建設(shè)為關(guān)鍵支持，研究包括以下內(nèi)容:

1.數(shù)據(jù)建設(shè)

1)采集處理研究片區(qū)地下排水管線及其附屬物數(shù)據(jù)，包括地下排水管線及其附屬物的管徑、標(biāo)高、摩阻系數(shù)、泵站數(shù)量及運(yùn)行數(shù)量、運(yùn)行參數(shù)，水泵流量揚(yáng)程曲線及其啟閉控制參數(shù)，城市河道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，明河與暗河的基本屬性數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目的開(kāi)展提供根本保證。

2)數(shù)字地形圖、數(shù)字影像地圖、高精度城市DEM、LIDAR數(shù)據(jù)等涉水GIS數(shù)據(jù)以及氣象、人口、排水及水量變化曲線數(shù)據(jù)，供水、集水、地表滲透數(shù)據(jù)。

3)使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行建庫(kù)管理，為昆明市的水資源環(huán)境數(shù)據(jù)采集、管理、分析及應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

4)建設(shè)排水管理的多要素、多圖層、規(guī)則化電子地圖，為城市排水分析、處理以及后續(xù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供規(guī)范化背景數(shù)據(jù)。

2.數(shù)字化模擬

建立研究片區(qū)排水管線模擬系統(tǒng)，即建立具有代表性的雨、污水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用模型測(cè)試該片區(qū)排水系統(tǒng)對(duì)不同條件的反應(yīng)，包括以下內(nèi)容:

(1)通過(guò)模型建設(shè)，模擬工作環(huán)境

昆明市地下排水管線信息模型使用HR WALLINGFORD公司的InfoWorks CS排水模型軟件以及所包括的模型構(gòu)建技術(shù)，通過(guò)模型建設(shè)讀取GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，并集成城市排水信息資源專題數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用軟件自身的規(guī)劃管理功能，通過(guò)圖形分析等手段提供一個(gè)、精準(zhǔn)模擬雨、污水收集系統(tǒng)的工作環(huán)境。利用時(shí)間序列模擬引擎，針對(duì)城市污水系統(tǒng)和相關(guān)排水系統(tǒng)的關(guān)鍵要素作出快速、精確、穩(wěn)定的模擬，預(yù)測(cè)上述系統(tǒng)的工作狀態(tài)，或單點(diǎn)降水及降雨后對(duì)環(huán)境造成的影響，通過(guò)對(duì)GIS數(shù)據(jù)的使用，完整模擬回水影響、逆流、明渠、主干渠、復(fù)雜管道連接等城市排水結(jié)構(gòu)輔助控制架構(gòu)。

InfoWorks CS的水力計(jì)算引擎采用完全求解的圣·維南方程模擬管道明渠流，對(duì)于明渠超負(fù)荷的模擬采用Preissmann Slot方法，仿真各種復(fù)雜的水力狀況。

本研究經(jīng)過(guò)2011、2012年雨季校核工作，通過(guò)布設(shè)傳感器的方式采集昆明市蘭花溝片區(qū)的地下排水的流量、流速和液位等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)該地區(qū)排水模型進(jìn)行校核，獲得了適合該片區(qū)使用的排水?dāng)?shù)學(xué)模型為該片區(qū)的排水工作模擬奠定基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)GIS技術(shù)展示計(jì)算機(jī)模型計(jì)算結(jié)果

交互式數(shù)據(jù)瀏覽功能包括平面圖、縱剖面圖、電子數(shù)據(jù)表格和隨時(shí)間變化的圖形數(shù)據(jù)。進(jìn)行全新的交互三維顯示技術(shù)改善了窨井的虛擬表現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)了從任意圖形和地理視圖上展示底層數(shù)據(jù)。同時(shí)通過(guò)GIS技術(shù)輸出表格和圖表式的結(jié)果報(bào)告、洪水淹沒(méi)分析等。

3.軟件及平臺(tái)建設(shè)

城市地下排水模型建設(shè)通過(guò)引進(jìn)成熟、穩(wěn)定的軟件技術(shù)，將三維模擬仿真技術(shù)軟件應(yīng)用，集成到城市排水軟件模擬系統(tǒng)平臺(tái)中，使之應(yīng)用于城市規(guī)劃、建設(shè)、水務(wù)等領(lǐng)域并提供虛擬現(xiàn)實(shí)的共享服務(wù)和支持。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)交互技術(shù)，建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)的共享平臺(tái)，使上述研究成果通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)技術(shù)的應(yīng)用推廣，在政府層、職能層及公眾層推廣應(yīng)用。

三、關(guān)鍵技術(shù)

利用Inforworks CS排水模型軟件建模，能夠解決城市數(shù)字化排水管理中的一些關(guān)鍵問(wèn)題，特別是建立復(fù)雜條件下的城市排水新模型。解決的關(guān)鍵技術(shù)包括:

1)在一維建模中充分利用昆明現(xiàn)有的全覆蓋探測(cè)數(shù)據(jù)(市政管網(wǎng)與庭院管線數(shù)據(jù)相結(jié)合)，利用小區(qū)管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)協(xié)助排水管網(wǎng)集水區(qū)的劃分和一維水力模型的建立。

2)基于GIS下墊面數(shù)據(jù)，利用模型工具自動(dòng)提取模擬片區(qū)城市地表下墊面面積(例如草地，房屋，路燈，不同的下墊面具備不同的水文特征，其模擬的準(zhǔn)確程度直接影響水力模擬結(jié)果)，更加精確地模擬城市水文匯水過(guò)程。

3)引入了2D模型對(duì)城市地下排水管線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)合理的分析與模擬，使暴雨洪水條件下城市地下排水模擬結(jié)果更加真實(shí)可靠。結(jié)合高程測(cè)繪數(shù)據(jù)，通過(guò)建立二維地面漫流模型，能夠清晰地模擬洪水淹沒(méi)的范圍，水深以及淹沒(méi)的路徑等。

四、應(yīng)用實(shí)例

本研究選擇昆明市蘭花溝片區(qū)約20 km2，建設(shè)了適合該片區(qū)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合昆明地形因素，通過(guò)使用河道及地下排水管線、城市地表數(shù)字高程模型(DTM)等數(shù)據(jù)，建設(shè)完成蘭花溝片區(qū)城市地下排水管線工作模型，本項(xiàng)目通過(guò)建立的排水模型可對(duì)任意的降雨條件、任意的水工構(gòu)筑物運(yùn)行狀態(tài)和邊界條件進(jìn)行仿真模擬，為用戶提供管渠流量、水位、流速、充滿度，以及泵的啟閉等重要信息。并對(duì)該地區(qū)的城市排水情況和城市空間承載力進(jìn)行科學(xué)模擬，在分析模擬中發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的地下排水管線的一些問(wèn)題，并提出科學(xué)的規(guī)劃意見(jiàn)和建議。

1.城市排水模型建設(shè)的基礎(chǔ)

地下排水管線數(shù)據(jù)是建設(shè)城市排水模型不可或缺的資料，是建設(shè)城市地下排水管線評(píng)價(jià)體系的關(guān)鍵，昆明市地下排水管線數(shù)據(jù)可挖掘信息包括管線的平面位置、管底標(biāo)高、埋深、管徑、材質(zhì)、排水流向等關(guān)鍵信息，這些信息在城市地下排水模型建設(shè)中發(fā)揮的重要的作用詳見(jiàn)表1。

表1 昆明市地下排水管線數(shù)據(jù)可挖掘信息在城市排水模型建設(shè)中的作用

(1)城市排水過(guò)程模擬的依據(jù)

地下排水管線數(shù)據(jù)是城市排水過(guò)程模擬的依據(jù)，城市排水模型模擬地下排水管線工作過(guò)程需要管線數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)，地下管線數(shù)據(jù)中的地形、影像等背景數(shù)據(jù)能夠很好地反映模型模擬的城市排水過(guò)程空間演進(jìn)及地形分布等特征，使城市排水過(guò)程模擬能夠具有較強(qiáng)的目標(biāo)性。

(2)城市排水模型校核與率定的依據(jù)

排水模型需要驗(yàn)證，即需要校核與率定，地下排水管線數(shù)據(jù)是排水模型校核與率定的基礎(chǔ)，城市排水模型在跨區(qū)域推廣時(shí)，需要不同區(qū)域的地下排水管線數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，即校核模型的參數(shù)，由此獲得整個(gè)城市通用的地下管線排水模型，支持對(duì)城市地下排水管線的評(píng)價(jià)工作。

2.地下排水管線信息模型建設(shè)與市政規(guī)劃輔助決策

基于GIS技術(shù)的昆明市地下排水管線評(píng)價(jià)以模型建設(shè)為基礎(chǔ)，主要應(yīng)用在城市排水管線承載力評(píng)價(jià)、城市洪災(zāi)分析評(píng)價(jià)、以及城市雨污分流的適合性評(píng)價(jià)等3方面，這也是目前城市排水管線信息化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

(1)地下排水管線承載力評(píng)價(jià)及規(guī)劃對(duì)策

通過(guò)城市排水管線承載力分析，并綜合考慮城市極端天氣因素、人口膨脹規(guī)模、污水產(chǎn)出量估算、居民區(qū)規(guī)劃等多因素分析，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)投資等因素，能夠?qū)Τ鞘械奶囟▍^(qū)域進(jìn)行地下排水管線雨、污分流的適合性分析，即對(duì)各種雨、污分流改造的方案進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，特別是根據(jù)未來(lái)城市擴(kuò)張及發(fā)展情況，建立各種預(yù)案(考慮人口變化的預(yù)案以及不同強(qiáng)度的暴雨預(yù)案等)且用模型進(jìn)行預(yù)案運(yùn)行并分析得出科學(xué)合理的結(jié)論;從而由原來(lái)基于經(jīng)驗(yàn)的地下管線規(guī)劃與建設(shè)方法升級(jí)到提供科學(xué)方法支持城市地下排水管線承載能力評(píng)價(jià)與研究，使城市的規(guī)劃與決策工作更趨科學(xué)合理。

城市地下排水管線承載力評(píng)價(jià)通過(guò)排水模型計(jì)算，客觀真實(shí)地模擬城市地下排水管線的承載能力，并評(píng)價(jià)這種能力，圖1顯示的是利用排水模型對(duì)昆明市某片區(qū)地下管線排水管線的承載能力進(jìn)行排水評(píng)價(jià)，通過(guò)模擬片區(qū)內(nèi)新建建筑對(duì)周圍地下管線的壓力，在發(fā)生污水排放滿管的情況下通過(guò)加管或者擴(kuò)大管徑等途徑解決舊城改造區(qū)域城市排水承載力的問(wèn)題。

圖1 昆明市某小區(qū)排水管線對(duì)新建建筑的污水承載力情況評(píng)價(jià)(圖左為建設(shè)前旱天流量情況，圖右為小區(qū)開(kāi)發(fā)完成后排水承載力出現(xiàn)污水滿管的情況)

(2)城市內(nèi)澇模擬及規(guī)劃對(duì)策

城市排水模型建設(shè)的重要功能是通過(guò)排水模型模擬極端降水環(huán)境下的城市洪災(zāi)演進(jìn)情況，模擬城市排水的薄弱點(diǎn)甚至找到某些可能溢水的檢查井，以此合理地評(píng)價(jià)城市可能發(fā)生洪災(zāi)的地點(diǎn)對(duì)昆明城市洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)警:利用模型技術(shù)進(jìn)行水力模擬分析，得出不同強(qiáng)度暴雨下城市可能會(huì)發(fā)生積水的范圍及程度，輔助防汛部門進(jìn)行汛期防洪工作的布置和安排，指導(dǎo)與排水系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的河道、水閘、泵站等水力附屬設(shè)施的調(diào)度等，確保在汛期能夠及時(shí)放水而不影響雨水的及時(shí)排放。城市洪澇災(zāi)害的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及解決方案的決策支持。

圖2顯示的是昆明市某片區(qū)在單點(diǎn)暴雨情況下城市洪水的演進(jìn)情況，計(jì)算成果促進(jìn)市政規(guī)劃人員在不同級(jí)別城市雨水重現(xiàn)期內(nèi)對(duì)城市地下排水管線的設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)，并對(duì)相應(yīng)的對(duì)有針對(duì)性的區(qū)域進(jìn)行十年一遇的地下排水管線更新與改造。

圖2 昆明市某片區(qū)單點(diǎn)暴雨下城市防洪薄弱環(huán)節(jié)(井)顯示

3.其他城市水環(huán)境研究評(píng)價(jià)

通過(guò)建立地下排水管網(wǎng)模型，分析評(píng)價(jià)管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀，對(duì)地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)改造提出合理化建議并形成體系，以指導(dǎo)該片區(qū)排水管線的規(guī)劃、建設(shè)與管理。包括以下內(nèi)容:

(1)依據(jù)城市排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，評(píng)價(jià)、改造和新建城市地下排水系統(tǒng)

項(xiàng)目建設(shè)的排水模型可應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀評(píng)估、規(guī)劃改造和新建城市化排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃等各方面。相比于以推理法等理論和工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)，排水模型具有不受條件限制、數(shù)值分析速度和效率高、耗時(shí)少、通用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。高效改善城市排水和污染控制的設(shè)計(jì)、建設(shè)與管理。

(2)可持續(xù)城市排水系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

項(xiàng)目對(duì)雨水系統(tǒng)的優(yōu)化管理及可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行研究，調(diào)蓄池、草坪、綠化、透水性鋪設(shè)等雨水優(yōu)化設(shè)施已經(jīng)逐步得到應(yīng)用。

(3)雨污分流適合性評(píng)價(jià)及規(guī)劃對(duì)策

全昆明市地下排水管網(wǎng)空間布局與科學(xué)規(guī)劃分析輔助管理，回答雨污分流適合性問(wèn)題，利用模型中的輔助分析工具，進(jìn)一步地梳理和了解地下管線的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并可結(jié)合地下管道三維效果圖及管道縱斷面圖修正和檢查現(xiàn)狀管網(wǎng)中所存在的一些問(wèn)題，例如管道的錯(cuò)接亂接，大管接小管以及雨污混接等;輔助排水管理和維護(hù)部門對(duì)現(xiàn)有管網(wǎng)問(wèn)題進(jìn)行排查和維護(hù)。合流污水截流系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析:對(duì)于較為復(fù)雜的合流制排水系統(tǒng)，排水模型不僅可以同分流制污水系統(tǒng)一樣對(duì)旱天流量進(jìn)行評(píng)估，更重要的是能夠?qū)τ晏炫潘到y(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。通過(guò)排水體系容量模型對(duì)城市新建建筑的評(píng)價(jià)研究:為新增城市地下排水管線的設(shè)計(jì)提供客觀指導(dǎo)依據(jù)，評(píng)估新建城市建筑體是否對(duì)周圍城市地下管線造成影響，并明確造成多大的影響，以保證城市新建排水管線滿足“雨污分流”及環(huán)境容量要求。

(4)城市降雨徑流控制及調(diào)蓄輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)

排水系統(tǒng)通常較為復(fù)雜，本項(xiàng)目借助水力模型的研究準(zhǔn)確的進(jìn)行模擬城市排水實(shí)際情況，包括重力流系統(tǒng)，水泵強(qiáng)排系統(tǒng)，圩區(qū)排放系統(tǒng)，系統(tǒng)的雨污混接、入流與入滲情況，泥沙淤積，河道潮位等狀況，確定出最為合適的解決方案。

(5)城市安全

通過(guò)建立地下排水管網(wǎng)非正常運(yùn)行及事故狀態(tài)的分析處理模型，針對(duì)應(yīng)急事件，及時(shí)準(zhǔn)確提供解決方案并作出客觀評(píng)價(jià)。

五、結(jié)束語(yǔ)

城市地下排水管線信息模型建設(shè)為昆明市城市科學(xué)排水決策提供智能支持，研究成果在滇池治理工作中發(fā)揮積極的作用。通過(guò)模型建設(shè)與科學(xué)模擬，一些涉及滇池治理的大型工程如調(diào)蓄池建設(shè)得到科學(xué)的規(guī)劃與開(kāi)展，節(jié)約了大量的項(xiàng)目建設(shè)資金;通過(guò)項(xiàng)目開(kāi)展，城市雨污分流工程建設(shè)得到有序評(píng)估，使工程得到科學(xué)建設(shè)，本項(xiàng)目研究成果能夠科學(xué)的模擬城市洪澇災(zāi)害，使城市洪災(zāi)能夠得到科學(xué)預(yù)防，能夠有效改善城市淹水點(diǎn)防治，從而促進(jìn)城市安全運(yùn)行，本項(xiàng)目成果能夠在昆明城市科學(xué)規(guī)劃與建設(shè)中發(fā)揮積極作用，通過(guò)項(xiàng)目開(kāi)展，城市的一些重要排水市政基礎(chǔ)設(shè)施得到科學(xué)合理的規(guī)劃，更好地促進(jìn)城市運(yùn)行，該項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，已經(jīng)在上述工作中發(fā)揮了重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，更好地促進(jìn)滇池治理和城市規(guī)劃各項(xiàng)工作科學(xué)開(kāi)展。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)地下管線承載力科學(xué)評(píng)估:提高城市規(guī)劃工作對(duì)地下管線承載力的科學(xué)評(píng)價(jià)，依托排水信息水力模型技術(shù)對(duì)示范片區(qū)的排水管網(wǎng)的負(fù)載力進(jìn)行水力評(píng)估分析，根據(jù)未來(lái)城市擴(kuò)張及發(fā)展情況，建立各種預(yù)案(考慮人口變化的預(yù)案以及不同強(qiáng)度的暴雨預(yù)案等)且用模型進(jìn)行預(yù)案運(yùn)行并分析得出科學(xué)合理的結(jié)論;從而由原來(lái)基于經(jīng)驗(yàn)的地下管線規(guī)劃與建設(shè)方法升級(jí)到提供科學(xué)方法支持城市地下排水管線承載能力評(píng)價(jià)與研究，使城市的規(guī)劃與決策工作更趨科學(xué)合理。

2)地下排水管網(wǎng)空間分析輔助管理:利用模型中的輔助分析工具，進(jìn)一步地梳理和了解地下管線的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并可結(jié)合地下管道三維效果圖及管道縱斷面圖修正和檢查現(xiàn)狀管網(wǎng)中所存在的一些問(wèn)題:例如管道的錯(cuò)接亂接，大管接小管以及雨污混接等;輔助排水管理和維護(hù)部門對(duì)現(xiàn)有管網(wǎng)問(wèn)題進(jìn)行排查和維護(hù)，對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)的分析模擬定位出了示范片區(qū)易發(fā)生積水的位置和范圍以及可能原因，提交科學(xué)規(guī)劃后，為之后的管網(wǎng)改造和升級(jí)奠定決策基礎(chǔ)。

3)城市洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)警:利用模型技術(shù)進(jìn)行水力模擬分析，得出不同強(qiáng)度暴雨下城市可能會(huì)發(fā)生積水的范圍及程度，輔助防汛部門進(jìn)行汛期防洪工作的布置和安排，指導(dǎo)與排水系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的河道、水閘、泵站等水力附屬設(shè)施的調(diào)度等，確保在汛期能夠及時(shí)放水而不影響雨水的及時(shí)排放并通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)的分析模擬定位出了示范片區(qū)易發(fā)生積水的位置和范圍以及可能原因，為之后的管網(wǎng)改造和升級(jí)奠定了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

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