解智強，高 忠，何江龍，侯至群，王貴武

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

一、引 言

目前，城市排水規(guī)劃面臨的一個主要問題是涉水規(guī)劃嚴重缺乏基礎資料的支持，導致城市地下排水管線的建設與改造缺乏科學依據(jù)，規(guī)劃中的人為裁量權(quán)加重，使規(guī)劃成果的實際應用的作用降低。由于缺乏計算機和GIS技術(shù)支持，使城市中脫離地下排水管線實際容量的施工建設任意性加強，導致破壞環(huán)境容量的不合理的城市建設工程頻繁出現(xiàn)，因此城市內(nèi)澇事故等事故發(fā)生頻繁。為治理滇池和科學規(guī)劃城市建設，2010年昆明市規(guī)劃局和科技局聯(lián)合開展了“基于GIS技術(shù)的昆明市地下排水管線評價研究”項目，該項目利用已有地下排水管線及城市基礎地理信息數(shù)據(jù)成果，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對目前掌握的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)開展深入分析研究，建設昆明市地下排水管線數(shù)學模型，通過計算機模擬分析，對昆明市部分片區(qū)地下排水管線的運行狀態(tài)及承載能力、災害預報等方面作出評價，建立昆明市主城區(qū)有代表性的片區(qū)排水模型，并建設與此相配套的地下排水管線管理、評估與分析平臺，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進手段，將這些成果向社會提供服務。同時，進一步收集并管理相關(guān)涉水數(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價方法

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

1.數(shù)據(jù)建設

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、標高、摩阻系數(shù)、泵站數(shù)量及運行數(shù)量、運行參數(shù)，水泵流量揚程曲線及其啟閉控制參數(shù)，城市河道的基礎數(shù)據(jù)，明河與暗河的基本屬性數(shù)據(jù)，為項目的開展提供根本保證。

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)庫進行建庫管理，為昆明市的水資源環(huán)境數(shù)據(jù)采集、管理、分析及應用奠定良好的基礎。

4)建設排水管理的多要素、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)開發(fā)應用提供規(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)學模型，利用模型測試該片區(qū)排水系統(tǒng)對不同條件的反應，包括以下內(nèi)容:

(1)通過模型建設，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)，通過模型建設讀取GIS數(shù)據(jù)庫，并集成城市排水信息資源專題數(shù)據(jù)庫，應用軟件自身的規(guī)劃管理功能，通過圖形分析等手段提供一個、精準模擬雨、污水收集系統(tǒng)的工作環(huán)境。利用時間序列模擬引擎，針對城市污水系統(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，預測上述系統(tǒng)的工作狀態(tài)，或單點降水及降雨后對環(huán)境造成的影響，通過對GIS數(shù)據(jù)的使用，完整模擬回水影響、逆流、明渠、主干渠、復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，仿真各種復雜的水力狀況。

本研究經(jīng)過2011、2012年雨季校核工作，通過布設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)，對該地區(qū)排水模型進行校核，獲得了適合該片區(qū)使用的排水數(shù)學模型為該片區(qū)的排水工作模擬奠定基礎。

(2)通過GIS技術(shù)展示計算機模型計算結(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)表格和隨時間變化的圖形數(shù)據(jù)。進行全新的交互三維顯示技術(shù)改善了窨井的虛擬表現(xiàn)。實現(xiàn)了從任意圖形和地理視圖上展示底層數(shù)據(jù)。同時通過GIS技術(shù)輸出表格和圖表式的結(jié)果報告、洪水淹沒分析等。

3.軟件及平臺建設

城市地下排水模型建設通過引進成熟、穩(wěn)定的軟件技術(shù)，將三維模擬仿真技術(shù)軟件應用，集成到城市排水軟件模擬系統(tǒng)平臺中，使之應用于城市規(guī)劃、建設、水務等領域并提供虛擬現(xiàn)實的共享服務和支持。同時通過數(shù)據(jù)交互技術(shù)，建設基于互聯(lián)網(wǎng)的共享平臺，使上述研究成果通過計算機技術(shù)實現(xiàn)跨平臺技術(shù)的應用推廣，在政府層、職能層及公眾層推廣應用。

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)鍵問題，特別是建立復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程。

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

四、應用實例

本研究選擇昆明市蘭花溝片區(qū)約20 km2，建設了適合該片區(qū)的數(shù)學模型，結(jié)合昆明地形因素，通過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)，建設完成蘭花溝片區(qū)城市地下排水管線工作模型，本項目通過建立的排水模型可對任意的降雨條件、任意的水工構(gòu)筑物運行狀態(tài)和邊界條件進行仿真模擬，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。并對該地區(qū)的城市排水情況和城市空間承載力進行科學模擬，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題，并提出科學的規(guī)劃意見和建議。

1.城市排水模型建設的基礎

地下排水管線數(shù)據(jù)是建設城市排水模型不可或缺的資料，是建設城市地下排水管線評價體系的關(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中發(fā)揮的重要的作用詳見表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中的作用

(1)城市排水過程模擬的依據(jù)

地下排水管線數(shù)據(jù)是城市排水過程模擬的依據(jù)，城市排水模型模擬地下排水管線工作過程需要管線數(shù)據(jù)支撐，同時，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程空間演進及地形分布等特征，使城市排水過程模擬能夠具有較強的目標性。

(2)城市排水模型校核與率定的依據(jù)

排水模型需要驗證，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，城市排水模型在跨區(qū)域推廣時，需要不同區(qū)域的地下排水管線數(shù)據(jù)進行率定，即校核模型的參數(shù)，由此獲得整個城市通用的地下管線排水模型，支持對城市地下排水管線的評價工作。

2.地下排水管線信息模型建設與市政規(guī)劃輔助決策

基于GIS技術(shù)的昆明市地下排水管線評價以模型建設為基礎，主要應用在城市排水管線承載力評價、城市洪災分析評價、以及城市雨污分流的適合性評價等3方面，這也是目前城市排水管線信息化研究的熱點問題。

(1)地下排水管線承載力評價及規(guī)劃對策

通過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，同時考慮到經(jīng)濟投資等因素，能夠?qū)Τ鞘械奶囟▍^(qū)域進行地下排水管線雨、污分流的適合性分析，即對各種雨、污分流改造的方案進行科學合理的評價，特別是根據(jù)未來城市擴張及發(fā)展情況，建立各種預案(考慮人口變化的預案以及不同強度的暴雨預案等)且用模型進行預案運行并分析得出科學合理的結(jié)論;從而由原來基于經(jīng)驗的地下管線規(guī)劃與建設方法升級到提供科學方法支持城市地下排水管線承載能力評價與研究，使城市的規(guī)劃與決策工作更趨科學合理。

城市地下排水管線承載力評價通過排水模型計算，客觀真實地模擬城市地下排水管線的承載能力，并評價這種能力，圖1顯示的是利用排水模型對昆明市某片區(qū)地下管線排水管線的承載能力進行排水評價，通過模擬片區(qū)內(nèi)新建建筑對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加管或者擴大管徑等途徑解決舊城改造區(qū)域城市排水承載力的問題。

圖1 昆明市某小區(qū)排水管線對新建建筑的污水承載力情況評價(圖左為建設前旱天流量情況，圖右為小區(qū)開發(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)劃對策

城市排水模型建設的重要功能是通過排水模型模擬極端降水環(huán)境下的城市洪災演進情況，模擬城市排水的薄弱點甚至找到某些可能溢水的檢查井，以此合理地評價城市可能發(fā)生洪災的地點對昆明城市洪水風險分析和預警:利用模型技術(shù)進行水力模擬分析，得出不同強度暴雨下城市可能會發(fā)生積水的范圍及程度，輔助防汛部門進行汛期防洪工作的布置和安排，指導與排水系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的河道、水閘、泵站等水力附屬設施的調(diào)度等，確保在汛期能夠及時放水而不影響雨水的及時排放。城市洪澇災害的預測評價及解決方案的決策支持。

圖2顯示的是昆明市某片區(qū)在單點暴雨情況下城市洪水的演進情況，計算成果促進市政規(guī)劃人員在不同級別城市雨水重現(xiàn)期內(nèi)對城市地下排水管線的設計關(guān)注重點，并對相應的對有針對性的區(qū)域進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)境研究評價

通過建立地下排水管網(wǎng)模型，分析評價管網(wǎng)運行現(xiàn)狀，對地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)改造提出合理化建議并形成體系，以指導該片區(qū)排水管線的規(guī)劃、建設與管理。包括以下內(nèi)容:

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

項目建設的排水模型可應用于城市排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀評估、規(guī)劃改造和新建城市化排水系統(tǒng)的設計與規(guī)劃等各方面。相比于以推理法等理論和工程經(jīng)驗為基礎設計排水系統(tǒng)，排水模型具有不受條件限制、數(shù)值分析速度和效率高、耗時少、通用性強等優(yōu)勢。高效改善城市排水和污染控制的設計、建設與管理。

(2)可持續(xù)城市排水系統(tǒng)的研究與應用

項目對雨水系統(tǒng)的優(yōu)化管理及可持續(xù)發(fā)展進行研究，調(diào)蓄池、草坪、綠化、透水性鋪設等雨水優(yōu)化設施已經(jīng)逐步得到應用。

(3)雨污分流適合性評價及規(guī)劃對策

全昆明市地下排水管網(wǎng)空間布局與科學規(guī)劃分析輔助管理，回答雨污分流適合性問題，利用模型中的輔助分析工具，進一步地梳理和了解地下管線的空間拓撲結(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)中所存在的一些問題，例如管道的錯接亂接，大管接小管以及雨污混接等;輔助排水管理和維護部門對現(xiàn)有管網(wǎng)問題進行排查和維護。合流污水截流系統(tǒng)設計及分析:對于較為復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)一樣對旱天流量進行評估，更重要的是能夠?qū)τ晏炫潘到y(tǒng)的運行進行準確的描述。通過排水體系容量模型對城市新建建筑的評價研究:為新增城市地下排水管線的設計提供客觀指導依據(jù)，評估新建城市建筑體是否對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)劃設計

排水系統(tǒng)通常較為復雜，本項目借助水力模型的研究準確的進行模擬城市排水實際情況，包括重力流系統(tǒng)，水泵強排系統(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

通過建立地下排水管網(wǎng)非正常運行及事故狀態(tài)的分析處理模型，針對應急事件，及時準確提供解決方案并作出客觀評價。

五、結(jié)束語

城市地下排水管線信息模型建設為昆明市城市科學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。通過模型建設與科學模擬，一些涉及滇池治理的大型工程如調(diào)蓄池建設得到科學的規(guī)劃與開展，節(jié)約了大量的項目建設資金;通過項目開展，城市雨污分流工程建設得到有序評估，使工程得到科學建設，本項目研究成果能夠科學的模擬城市洪澇災害，使城市洪災能夠得到科學預防，能夠有效改善城市淹水點防治，從而促進城市安全運行，本項目成果能夠在昆明城市科學規(guī)劃與建設中發(fā)揮積極作用，通過項目開展，城市的一些重要排水市政基礎設施得到科學合理的規(guī)劃，更好地促進城市運行，該項目實施以來，已經(jīng)在上述工作中發(fā)揮了重要的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益，更好地促進滇池治理和城市規(guī)劃各項工作科學開展。具體體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)地下管線承載力科學評估:提高城市規(guī)劃工作對地下管線承載力的科學評價，依托排水信息水力模型技術(shù)對示范片區(qū)的排水管網(wǎng)的負載力進行水力評估分析，根據(jù)未來城市擴張及發(fā)展情況，建立各種預案(考慮人口變化的預案以及不同強度的暴雨預案等)且用模型進行預案運行并分析得出科學合理的結(jié)論;從而由原來基于經(jīng)驗的地下管線規(guī)劃與建設方法升級到提供科學方法支持城市地下排水管線承載能力評價與研究，使城市的規(guī)劃與決策工作更趨科學合理。

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，進一步地梳理和了解地下管線的空間拓撲結(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)中所存在的一些問題:例如管道的錯接亂接，大管接小管以及雨污混接等;輔助排水管理和維護部門對現(xiàn)有管網(wǎng)問題進行排查和維護，對現(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，提交科學規(guī)劃后，為之后的管網(wǎng)改造和升級奠定決策基礎。

3)城市洪水風險分析和預警:利用模型技術(shù)進行水力模擬分析，得出不同強度暴雨下城市可能會發(fā)生積水的范圍及程度，輔助防汛部門進行汛期防洪工作的布置和安排，指導與排水系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的河道、水閘、泵站等水力附屬設施的調(diào)度等，確保在汛期能夠及時放水而不影響雨水的及時排放并通過對現(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)改造和升級奠定了相關(guān)的理論基礎。

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