鎮(zhèn)江：探索智慧水務(wù)建設(shè)

文｜胡堅(jiān) 王浩正 張磊 王燕 佘年

江蘇省鎮(zhèn)江市作為首批海綿試點(diǎn)城市，試點(diǎn)建設(shè)區(qū)域位于主城區(qū)，總面積為22km2，人口約27.6萬。試點(diǎn)區(qū)大部分為高密度老城區(qū)，地表硬化率高。試點(diǎn)區(qū)管網(wǎng)老舊、標(biāo)準(zhǔn)偏低，面源污染和內(nèi)澇問題均比較突出。相對(duì)于新建城區(qū)，老城區(qū)海綿城市規(guī)劃和建設(shè)難度更大。因此，在鎮(zhèn)江市供排水?dāng)?shù)字化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用地理信息、在線監(jiān)測、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)模型等技術(shù)建設(shè)鎮(zhèn)江市智慧海綿城市系統(tǒng)，為城市水務(wù)管理者在海綿城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、工程建設(shè)和運(yùn)營管養(yǎng)等各階段提供科學(xué)的輔助決策手段，提升鎮(zhèn)江市水務(wù)管理的智慧化水平。

智慧化技術(shù)應(yīng)用

1、監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

海綿城市的監(jiān)測需要實(shí)現(xiàn)對(duì)局部和整體建設(shè)效果的評(píng)估，為目標(biāo)監(jiān)管和運(yùn)營管養(yǎng)提供決策支持。因此，主要監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包括降雨量監(jiān)測、受納水體監(jiān)測、市政管網(wǎng)監(jiān)測、海綿設(shè)施監(jiān)測、下墊面監(jiān)測。鎮(zhèn)江市海綿城市監(jiān)測依據(jù)以下原則進(jìn)行布點(diǎn)：雨量監(jiān)測。按照每5平方公里一個(gè)雨量計(jì)的原則盡可能均勻布置雨量計(jì)，以獲得更準(zhǔn)確的雨量及模型輸入數(shù)據(jù)；受納水體監(jiān)測。通過三條河道的水量和水質(zhì)監(jiān)測，掌握示范區(qū)整體的徑流量削減水平和徑流污染控制水平；市政管網(wǎng)監(jiān)測。通過市政管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水量和水質(zhì)監(jiān)測，掌握典型區(qū)域海綿設(shè)施運(yùn)行整體效果；海綿設(shè)施監(jiān)測。通過典型海綿設(shè)施出入口水量和水質(zhì)監(jiān)測，掌握典型設(shè)施的徑流量控制效果和面源污染削減能力；下墊面監(jiān)測。通過典型下墊面水量水質(zhì)監(jiān)測和掌握典型下墊面的產(chǎn)流規(guī)律、面源污染負(fù)荷水平及初期雨水污染規(guī)律。通過以上五級(jí)監(jiān)測，可科學(xué)全面的分析鎮(zhèn)江市海綿城市實(shí)施效果。排水管道的很多監(jiān)測設(shè)備成本較高，在以上5類監(jiān)測點(diǎn)布局時(shí)，需合理選擇監(jiān)測點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型設(shè)施、典型項(xiàng)目、典型區(qū)塊的監(jiān)測，并以以點(diǎn)帶面的方法進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，但應(yīng)做可靠性驗(yàn)證工作，以最少的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)最佳的評(píng)估效果。

圖1 鎮(zhèn)江市海綿試點(diǎn)區(qū)排水管網(wǎng)模型

圖2 鎮(zhèn)江市金山湖流域水質(zhì)模型

圖3 智慧海綿系統(tǒng)MEAN架構(gòu)

2、模擬技術(shù)

水文水力和水質(zhì)模型在城市水務(wù)管理中得到了越來越多的重視和應(yīng)用，是水務(wù)數(shù)字化系統(tǒng)向智慧化升級(jí)的重要工具。鎮(zhèn)江市主要構(gòu)建了管網(wǎng)模型、流域模型和水質(zhì)模型三類模型，主要用于總體方案頂層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案評(píng)估、城市內(nèi)澇預(yù)警和水務(wù)系統(tǒng)調(diào)度分析等管理工作的決策支持。

3、MEAN架構(gòu)

智慧海綿系統(tǒng)服務(wù)用戶眾多，涉及不同來源的海量數(shù)據(jù)，是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺(tái)，因此，采用B/S作為總體軟件架構(gòu)便于集成各類數(shù)據(jù)，保持客戶端的輕量化和友好化。軟件開發(fā)采用MEAN架構(gòu)，即MongoDB+Express+Angul arJS+Node.js。MongoDB作為平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，適合于海綿城市建設(shè)過程的海量數(shù)據(jù)管理，MongoDB的Sharding集群具備大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析能力；Node.js與Express搭建平臺(tái)后臺(tái)服務(wù)，輕量高效，是數(shù)據(jù)密集型分布式部署環(huán)境下實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的完美解決方案； AngularJS是基于Html5的前臺(tái)框架，數(shù)據(jù)雙向綁定、模塊化設(shè)計(jì)、語義化標(biāo)簽等特性，結(jié)合BootStrap，能夠基于海綿業(yè)務(wù)功能需求快速搭建與開發(fā)友好美觀的用戶交互界面。

系統(tǒng)主要功能

鎮(zhèn)江市在海綿城市建設(shè)前，已經(jīng)進(jìn)行了供排水?dāng)?shù)字化系統(tǒng)的建設(shè)，進(jìn)行了供排水?dāng)?shù)據(jù)的數(shù)字化管理和主要業(yè)務(wù)的電子化辦公，并且在防汛應(yīng)急指揮管理等業(yè)務(wù)采用監(jiān)測、模型和移動(dòng)終端等技術(shù)進(jìn)行了智慧化探索。智慧海綿系統(tǒng)的建設(shè)是在海綿城市建設(shè)背景下，基于新的工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理特點(diǎn)，在供排水?dāng)?shù)字化基礎(chǔ)上進(jìn)行的智慧化探索。提升監(jiān)測和模型在水務(wù)管理中的應(yīng)用水平。實(shí)現(xiàn)海綿城市相關(guān)數(shù)據(jù)與供排水?dāng)?shù)據(jù)的整合，實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè)目標(biāo)自上而下的管理，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)全生命周期的輔助決策，實(shí)現(xiàn)海綿設(shè)施與傳統(tǒng)排水設(shè)施的有序運(yùn)行和聯(lián)合調(diào)度。

1、海綿地圖

海綿城市建設(shè)的空間維度，涉及從城市到排水分區(qū)，到項(xiàng)目，再到單體設(shè)施的逐級(jí)深入的體系。將大量散落的數(shù)據(jù)利用空間信息進(jìn)行有序的整合和管理，并開發(fā)相關(guān)的信息可視化、查詢和分析功能，對(duì)于海綿城市管理過程的各項(xiàng)業(yè)務(wù)都具有重要的意義。

鎮(zhèn)江市智慧海綿城市系統(tǒng)的海綿地圖功能實(shí)現(xiàn)了不同來源（手動(dòng)填報(bào)、實(shí)時(shí)監(jiān)測等），不同類型數(shù)據(jù)（數(shù)字、照片、視頻等）在一張圖上的展示和查詢，并為其他業(yè)務(wù)管理模塊提供基本的地圖服務(wù)。

2、建設(shè)目標(biāo)管理

區(qū)別于傳統(tǒng)排水以快排為目的的設(shè)計(jì)和管理，海綿城市是一個(gè)多目標(biāo)的系統(tǒng)，目標(biāo)和工程之間不是簡單的疊加關(guān)系，傳統(tǒng)的推理公式法采用的簡單計(jì)算無法體現(xiàn)這種非線性關(guān)系，無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的科學(xué)分解。計(jì)算機(jī)模型的發(fā)展為解決復(fù)雜的非線性問題提供了科學(xué)的工具。在規(guī)劃階段，利用模型，基于TMDL思路，將鎮(zhèn)江市海綿城市徑流控制、面源污染治理等指標(biāo)分解到源頭、過程、末端和水體四類工程項(xiàng)目中，明確各階段的目標(biāo)，并建立可動(dòng)態(tài)維護(hù)的項(xiàng)目庫，當(dāng)單個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)判別是否滿足總體控制目標(biāo)。

在建設(shè)階段，對(duì)建設(shè)效果進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，是保障項(xiàng)目達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的重要工作。依據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《海綿城市建設(shè)績效評(píng)價(jià)與考核辦法（試行）》（2015年7月）第五條，從水生態(tài)、水環(huán)境、水資源、水安全、制度建設(shè)及執(zhí)行情況、顯示度六方面對(duì)鎮(zhèn)江市海綿城市實(shí)施效果進(jìn)行跟蹤、評(píng)價(jià)與展示，實(shí)現(xiàn)利用竣工圖、模型和監(jiān)測數(shù)據(jù)多種不同方法進(jìn)行從單個(gè)項(xiàng)目、到排水分區(qū)再到示范區(qū)整體海綿建設(shè)效果的自動(dòng)化評(píng)估。

3、建設(shè)項(xiàng)目管理

建設(shè)項(xiàng)目管理主要實(shí)現(xiàn)海綿城市從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工到管養(yǎng)全生命周期的電子化管理，記錄海綿城市工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和養(yǎng)護(hù)過程的全部重要信息，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)評(píng)估，建立隱蔽性工程建設(shè)過程可追溯機(jī)制，通過電子化管理提高管養(yǎng)的效率和科學(xué)性，保障設(shè)施高效運(yùn)行。如源頭綠色項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估界面，設(shè)計(jì)人員在提交相關(guān)文檔后，只需按要求格式上傳設(shè)施列表和對(duì)應(yīng)的匯水區(qū)列表，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算項(xiàng)目的合理性。可極大提高審圖部門的評(píng)審效率。

海綿城市中源頭綠色設(shè)施的建設(shè)主要為低影響開發(fā)工程，該類設(shè)施對(duì)施工要求高，任何細(xì)節(jié)和工序的錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致工程無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或產(chǎn)生其他危害。比如，滲透性設(shè)施距離建筑物地基不得小于3米。這些要求需要在項(xiàng)目建設(shè)過程進(jìn)行監(jiān)管。在鎮(zhèn)江海綿城市建設(shè)過程中，將施工流程標(biāo)準(zhǔn)化，并要求施工人員對(duì)關(guān)鍵階段信息進(jìn)行采集和填報(bào)，極大的提高了驗(yàn)收人員的工作效率和成果驗(yàn)收的的科學(xué)性，使得隱蔽工程不再隱蔽。通過對(duì)施工過程關(guān)鍵細(xì)節(jié)的監(jiān)管，保障設(shè)施達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

圖4 鎮(zhèn)江市海綿城市聯(lián)合調(diào)度主界面

4、海綿系統(tǒng)運(yùn)行管理

海綿城市建設(shè)，尤其是在老城區(qū)合流制溢流污染嚴(yán)重的地區(qū)，海綿城市建設(shè)應(yīng)采用灰綠結(jié)合的手段，綠色手段主要指低影響開發(fā)技術(shù)，包括源頭的雨水花園、生態(tài)草溝，末端的濕塘等，灰色手段主要為傳統(tǒng)的鋼筋混凝土機(jī)構(gòu)的設(shè)施，包括地下管道、調(diào)蓄池等。這些新建設(shè)施之間，新建設(shè)施與原有的城市排水系統(tǒng)之間都存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系，通過對(duì)系統(tǒng)合理的調(diào)度可有效減少合流制溢流污染，最大限度的發(fā)揮設(shè)施的使用效率。國外很多城市都采用實(shí)時(shí)控制的方法進(jìn)行合流制溢流污染頻率削減的管理。鎮(zhèn)江市智慧海綿城市系統(tǒng)將建立具有自動(dòng)學(xué)習(xí)功能的運(yùn)行機(jī)制。主要原理為：首先采用模擬技術(shù)進(jìn)行初始調(diào)度策略/規(guī)則的制定。將初始策略作為先驗(yàn)策略/規(guī)則，同時(shí)，利用監(jiān)測對(duì)每次調(diào)度進(jìn)行評(píng)估，將更優(yōu)化的策略/規(guī)則作為后驗(yàn)策略/規(guī)則加入控制策略庫，并作為下一次調(diào)度的先驗(yàn)策略/規(guī)則。通過以上過程逐步實(shí)現(xiàn)控制策略/規(guī)則的優(yōu)化和自動(dòng)運(yùn)行。

技術(shù)的發(fā)展為水務(wù)管理方式的變革提供了必備條件，為保障海綿城市基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期高效運(yùn)行提供了保障。鎮(zhèn)江市在數(shù)字供排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用模擬技術(shù)、在線監(jiān)測技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)建立智慧海綿城市系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海綿相關(guān)數(shù)據(jù)的一張圖維護(hù)，海綿建設(shè)目標(biāo)的科學(xué)評(píng)估和動(dòng)態(tài)管理，項(xiàng)目全過程的電子化監(jiān)控，以及新建海綿設(shè)施與已有排水系統(tǒng)之間的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，將全面保障城市水安全和水環(huán)境。