解智強，杜清運，高 忠，王貴武，黃 俊

(1.武漢大學資源環(huán)境科學學院，湖北武漢430070;2.昆明市城市地下管線探測管理辦公室，云南昆明650011;3.英國Wallingford水力研究有限公司上海代表處，上海200120)

GIS與模型技術在城市排水管線承載力評價中的應用

解智強1，2，杜清運1，高 忠2，王貴武2，黃 俊3

(1.武漢大學資源環(huán)境科學學院，湖北武漢430070;2.昆明市城市地下管線探測管理辦公室，云南昆明650011;3.英國Wallingford水力研究有限公司上海代表處，上海200120)

昆明舊城改造過程中，在城中村片區(qū)利用GIS技術對城市水環(huán)境進行數(shù)據(jù)庫建設，并結合先進的InfoWorks CS軟件進行排水模型計算，通過科學分析，對城市地下排水管線針對規(guī)劃進行合理評價，為城市規(guī)劃市政設計提供科學、準確的決策依據(jù)。

涉水GIS數(shù)據(jù);排水管線水力模型;地下排水管線承載力

一、引 言

城市發(fā)展規(guī)模的不可預見性使得城市地下排水管線的承載能力存在明顯的問題，主要體現(xiàn)在:①城市后期的建設規(guī)模受先期市政建設工程的限制，使得片區(qū)地下管線數(shù)量無法滿足城市日常生活的需要;② 城市地下排水管線的改造缺乏科學依據(jù)，經(jīng)驗占主導地位的設計導致工作不全面，存在局限性和片面性;③ GIS等現(xiàn)代信息技術的缺乏，使脫離地下排水管線實際容量的建設施工的任意性加強，導致破壞水環(huán)境容量的不合理城市的建設工程頻繁出現(xiàn)。

本文以GIS技術為基礎，結合城市水力學理論，通過計算機信息技術的應用逐一解決上述問題。筆者利用昆明市已有的地下管線及城市GIS數(shù)據(jù)成果，通過專業(yè)模型軟件InfoWorks CS建設地下排水管線數(shù)學模型;通過模擬計算，對新建片區(qū)地下排水管線承載力作出預測，為昆明市城市改造、建設、規(guī)劃及管理作出科學、合理、客觀的決策支持［1］。

二、GIS技術與模型建設技術在城市排水管線承載力研究中的作用

排水模型是基于排水原理，利用數(shù)學方法結合GIS數(shù)據(jù)與手段設計城市排水工作數(shù)學公式的集成。現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展推動了排水系統(tǒng)模型軟件的開發(fā)和應用，在城市雨、污水建設與管理中，排水系統(tǒng)模型的使用正成為不可或缺的手段。

基于GIS技術的排水管線模型是利用地理信息技術，結合現(xiàn)狀地理數(shù)據(jù)，通過分析一系列的時間序列數(shù)據(jù)，包括地下排水管線重要數(shù)據(jù)，如水深、流速、流量、溢流、水質、充滿度、降雨量、徑流量和污染物沖刷量等及排水管線數(shù)據(jù)中的每個要素(節(jié)點、管線和匯水區(qū))，科學有效地計算并模擬城市地下排水管線的實際工作情況［2］。

GIS技術在上述過程中可以直接為排水模型的建設提供關鍵支持，主要是:① 前期可為排水模型建設提供關鍵信息資源基礎數(shù)據(jù)，特別是涉及排水環(huán)境的高質量3S數(shù)據(jù)(包括大比例尺地形圖、高分辨率影像及DEM數(shù)據(jù)等);②后期可對模型模擬分析結果進行可視化的直觀顯示，這是排水模型可視化成果的直觀表達，也是排水模型數(shù)據(jù)推廣應用的關鍵。特別是GIS支持下的排水管線工作模型(軟件)通過將模擬結果數(shù)據(jù)進行多角度、可視化的綜合顯示，使模擬計算結果易于理解，從而提高了模擬分析方法的實用化水平，促進了模擬分析方法在排水管線實際管理中的工程化應用［3-5］。

三、地下排水管線相關GIS數(shù)據(jù)庫與排水模型建設

1.GIS排水管線及其專題數(shù)據(jù)建設

(1)數(shù)據(jù)類型

GIS管線數(shù)據(jù)包括城市研究區(qū)域的基礎性大比例尺數(shù)據(jù)，源于基礎測繪數(shù)據(jù)的GIS數(shù)據(jù)，以及基于排水屬性構成的專題數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是模型使用和校驗的基礎，其組成實際如表1所示。

表1 建設模型需要收集的專題數(shù)據(jù)

(2)數(shù)據(jù)存儲與表達

上述數(shù)據(jù)獨立存儲于Oracle數(shù)據(jù)庫中，圖1為本項目涉及的昆明某代表性區(qū)域的排水管線系統(tǒng)在GIS軟件上的數(shù)據(jù)表達，整個系統(tǒng)水流方向是從兩端到中間，從東到西;兩個出水口位于管線西側。系統(tǒng)中絕大部分的雨污管道都是先獨立運行，再接駁到合流制管道中，這是城市排水的普遍現(xiàn)象［6］。

圖1 昆明某代表性區(qū)域內排水管線系統(tǒng)

2.基于InfoWorks CS的數(shù)字排水模型建設

InfoWorks CS模型系統(tǒng)為國際通用的流行應用的專業(yè)數(shù)字排水模型，能夠精確模擬雨污水收集系統(tǒng)，預測雨污水管道系統(tǒng)的工作狀態(tài)及對環(huán)境造成的影響。筆者研究涉及的排水模型建設主要包括以下模塊。

(1)降雨—徑流模塊

本模塊通過對集水區(qū)空間的劃分和對不同產流特性的表面組成進行徑流計算，主要解決降落在城市地表的降雨轉化后的截留、地面填洼、滲透、直接地面徑流，得到進入雨水口的地面徑流，并顯示徑流進入雨水管道同基流會合，流過地下管線系統(tǒng)、輔助設施、溢流口等，最終進入受納水體的過程。

(2)旱流污水模塊

城市旱季排水由3部分組成:居民生活污水，工業(yè)廢水以及滲入水。本模塊通過設定人口數(shù)、人均流量、流量變化系數(shù)、工業(yè)廢水排放模式與流量，以及通過管道裂縫流進系統(tǒng)的緩慢的滲流量等，自動模擬計算，得到進入管道系統(tǒng)的污水流量曲線。

(3)管道水力模塊

InfoWorks CS的水力計算引擎采用完全求解的圣·維南方程模擬管道明渠流，對于明渠超負荷的模擬采用Preissmann Slot方法，能夠仿真各種復雜的水力狀況。

圣維南方程組是描述水道和其他具有自由表面的淺水體中漸變不恒定水流運動規(guī)律的偏微分方程組，是一對質量守恒和動量守恒等式［7］。即

式中，Q為流量;A為橫截面積;g為重力加速度;θ為水平夾角的度數(shù);So為床層坡度;K為輸送量。

上述模塊組成是以管道為代表的城市地下排水管線工作模型，模擬地下管道的工作實際情況，是GIS成果能夠支持城市排水的關鍵。

四、GIS數(shù)據(jù)處理與數(shù)字排水模型關鍵要素設置

GIS數(shù)據(jù)處理與數(shù)字排水模型模擬設置是本項研究的關鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理及關鍵要素設置的目的在于將支持計算過程及結果的數(shù)據(jù)與模型進一步優(yōu)化，提升其準確性與置信度，使計算結果更加接近真實數(shù)據(jù)。

1.GIS數(shù)據(jù)處理

1)點文件處理:包括對排水井、泵站及相關點文件屬性的準確性檢查。

2)線文件處理:包括對排水管線、排水管線的雨污屬性的準確性檢查。

3)面文件處理:本研究GIS數(shù)據(jù)進行了嚴格的空間拓撲關系處理，對所有涉及的數(shù)據(jù)進行嚴格的構面整理，并結合研究區(qū)域，將地表分為磚、泥、土等多種材質的適宜路面并自動計算其大小等關鍵參數(shù)。

4)上述點、線、面數(shù)據(jù)之間的拓撲關系建設。

5)上述點、線、面數(shù)據(jù)準確性的現(xiàn)場驗證［8］。

2.水文水力模型設置

(1)降雨設置

降雨量是考核排水管線接納與消化能力的重要指標，筆者采用的設計暴雨分別為重現(xiàn)期一年一遇，由昆明市暴雨強度公式推得總降雨歷時為2 h內的各時段對應的暴雨強度。短歷時設計暴雨常用于管線水力模擬，輔助排水系統(tǒng)設計。通過考察設計暴雨產生的徑流洪峰是否造成排水系統(tǒng)積水漫溢，評價不同方案的管線排水能力。

(2)污水量設置

污水量是考核城市排水管線承載的重要指標，與城市人口數(shù)量成正比，人口數(shù)量以人口密度的方式定義。筆者結合實際，將人均污水量設為200 L/h，再乘以人均變化系數(shù)，最終獲得污水量入流曲線。片區(qū)的污水量包括生活污水和工商業(yè)污水。

(3)產流表面及用地類型劃分

地表數(shù)據(jù)的建設是測試大地表面對大氣降水吸納能力的關鍵。筆者對GIS數(shù)據(jù)進行了嚴格的空間拓撲關系處理，對所有涉及的數(shù)據(jù)進行了嚴格的構面整理，結合研究區(qū)域，將地表分為磚、泥、土等多種材質的適宜路面。該區(qū)域內的路面、屋面、滲透面3種產流表面面積比例大致定義為2∶2∶1。

上述數(shù)據(jù)是計算地表對城市降水吸納能力的關鍵［9］。

五、應用實例

筆者引入昆明某舊城改造片區(qū)排水管線的GIS數(shù)據(jù)，利用InfoWorks CS構建排水管網(wǎng)模型，分析新建小區(qū)對現(xiàn)狀管網(wǎng)輸送能力的影響，以及是否會發(fā)生內澇現(xiàn)象，是否需要對管網(wǎng)進行改造等，具體情況如下所示:

新建小區(qū)的面積約為7 hm2，小區(qū)人口密度約為200人/hm2，人均污水量約為200 L/d。通過對該片區(qū)已建GIS數(shù)據(jù)進行分析與比較，設定小區(qū)路面、屋頂、綠化帶的比例約為4∶4∶2，小區(qū)雨污水排放到現(xiàn)有市政排水管網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 新建小區(qū)雨污水排入現(xiàn)有市政排水管網(wǎng)

由于現(xiàn)有的排水管網(wǎng)為合流制，管徑較大，旱季時，完全滿足污水的排放，即使接入該新建小區(qū)的污水量，管道也能留有非常大的剩余空間，如圖3所示。

圖3 旱季時納入新建小區(qū)污水量的現(xiàn)有排水管網(wǎng)的縱斷面圖

筆者評估了一年一遇降雨事件下新建小區(qū)雨污水排放對現(xiàn)有排水管網(wǎng)的影響。圖4為未接收新建小區(qū)雨污水時，現(xiàn)有市政排水管網(wǎng)的縱斷面水位圖(顯示為最不利狀態(tài))，圖5為接收后的水位圖(顯示為最不利狀態(tài))。

由上圖可見，新建小區(qū)加大了管道的輸送壓力，從未滿管流變化為完全滿管，雖然依舊能夠保證在一年一遇的降雨下該條管道不發(fā)生冒水造成內澇，但是危險程度較高，很難保證在更大的暴雨情況下不出現(xiàn)問題。因此還需要分析評估兩年一遇和5年一遇降雨下新建小區(qū)帶來的影響，如圖6、圖7所示。

圖4 一年一遇降雨下，未接收新建小區(qū)雨污水

圖5 一年一遇降雨下，接收新建小區(qū)雨污水

圖6 兩年一遇降雨下，接收新建小區(qū)雨污水

圖7 5年一遇降雨下，接收新建小區(qū)雨污水

模型分析得知，兩年一遇的暴雨情況下，最高水位離地面的距離要大于60 cm，而5年一遇則該數(shù)值降低到30 cm，具有很大的風險。因此，若要以后者為控制條件，需要對新建小區(qū)或現(xiàn)有管網(wǎng)進行改造，或改變小區(qū)的地表組成，加大綠化的程度，或鋪設透水性的地面，當然還可以以增大現(xiàn)有管網(wǎng)的管徑或調蓄的方式來緩解管道的輸送壓力。

六、結束語

基于GIS技術的排水管線模型建設，有利于提出經(jīng)濟可行的城市建設中地下管線建設與改造方案，能夠很大程度上對城市地下排水管線的承載力作出科學合理評價，最終作出規(guī)劃決策，改善城市的人居環(huán)境。主要體現(xiàn)在:①隨著GIS技術在城市科學決策過程中的深層次應用，利用GIS技術開發(fā)的InfoWorks CS等強大的排水管線模型軟件能有效、科學、合理地分析城市地下管線的承載能力，從安全，經(jīng)濟，高效等方面對其進行綜合評價;②利用GIS技術并結合城市排水模型軟件還可為該專業(yè)領域規(guī)劃管理方面提供科學、合理、客觀的決策支持，通過科學調整承載力與用地關系，最終得到最為合理的滿足地下管線承載能力的最可行的改造方案。

但是，在項目實踐過程中，筆者認為以下方面需要作進一步完善，以提升項目的成果質量及評價體系的真實客觀性:①GIS數(shù)據(jù)采集需要進一步完善規(guī)范，以保證本研究成果的真實性;② GIS數(shù)據(jù)需要作進一步深層次處理、挖掘，以提升應用能力;③排水模型建設完成后需要作進行多次深層次的檢核，以保證其廣泛推廣與應用。

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Application of GIS and Modeling Techniques in Municipal Sewer Line Capacity Evaluation

XIE Zhiqiang，DU Qingyun，GAO Zhong，WANG Guiwu，HUANG Jun

0494-0911(2011)12-0050-04

P208

B

2011-07-20

建設部2011年科學技術計劃資助項目;昆明市2010年科技計劃資助項目(10H130104)

解智強(1973—)，男，云南羅平人，博士生，主要研究方向為地圖學與地理信息系統(tǒng)(地下管線信息化)在資源環(huán)境工程中的應用。