黃 超，徐林箏，陳澤銳，林龍輝，揭 敏

(中國建筑一局(集團)有限公司，北京 100161)

0 引言

城市高速發(fā)展，更新擴容速度快，老舊城區(qū)交疊，老舊雨污排水系統(tǒng)不完善，雨污錯接、管網(wǎng)破損等情況造成的影響日益凸顯，城市污水排入河中，直流街道，造成水污染以及環(huán)境污染嚴重。在雨天，城市排水系統(tǒng)無法滿足城市排水需求，街道積水嚴重、雨污溢流，給出行造成困擾，嚴重影響城市形象。目前水污染治理主要采用源頭截污與排口治理的方法，傳統(tǒng)方法缺乏針對性，無法量化，不能滿足城市不同情況下的排放及治理要求。排水系統(tǒng)為隱蔽工程，早期管道資料不全甚至缺失導致后期整改維護困難，加重了城市水體污染以及后期治理難度。CIM(city information modeling)，通過城市信息數(shù)據(jù)還原真實城市模型，更加便捷直觀傳遞城市信息，了解城市現(xiàn)狀。通過與BIM模型、三維斜測模型、GIS三維天地圖、城市地表徑流模型等技術(shù)連接，形成更加具體全面的信息平臺，根據(jù)各項信息模擬展示各種突發(fā)狀況以及分析各種應對方法產(chǎn)生的效果，從而研究適用于各大城區(qū)排水系統(tǒng)改造的較為合理的分流制排水體制改造方案。

1 國內(nèi)水環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 水污染情況

據(jù)統(tǒng)計，截至2020年，我國水資源總量為27 700.8億m3。但1990年之前我國污水處理率為0，自有統(tǒng)計以來，我國排放污水總計達13 000多億m3，占我國水資源總量的近1/2，完全未經(jīng)過處理直接排放的生產(chǎn)生活污水達7 000多億m3，達到我國水資源總量的近1/4，水污染問題嚴重。

1.2 生活垃圾處理情況

根據(jù)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2019年我國生活垃圾清運總量達到24 206.2萬t，其中垃圾處理分為無害化處理及其他，垃圾無害化處理主要分為3種方式：衛(wèi)生填埋、焚燒處理、其他。我國城市生活垃圾無害化處理量為19 673.8萬t，其中衛(wèi)生填埋量為11 804.3萬t，占比為60%；焚燒量為6 885.8萬t，占比為35%；其他無害化處理量占比為5%。這幾種方式在處理上或多或少都會對環(huán)境、水、土壤以及居民造成影響，除了能被統(tǒng)計的垃圾清運之外，還有很多隨處丟棄的垃圾以及隨意排放的污水無法統(tǒng)計。

2 水環(huán)境治理方法與信息技術(shù)

2.1 水環(huán)境治理方法

目前水環(huán)境治理方法是前期通過排口溯源從源頭治理，排查各個錯接點以及亂排亂放點，改造原有排水管道，將雨污分流，并且新建污水處理站，將各種污水匯總通過提升泵站匯集排至污水處理站，通過各項處理達到排放要求后排至河道中。

2.2 目前治理技術(shù)難點、缺陷

1)局限性 目前的治理技術(shù)是現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)不正常流水口或者污水亂排點，通過溯源找出源頭從而解決問題。這種傳統(tǒng)方法過于片面單一，具有偶然性、隨機性，只能解決當下發(fā)現(xiàn)的問題，不能解決根本問題。

2)信息不全，施工難度大 由于目前現(xiàn)有的排水系統(tǒng)大多為老舊系統(tǒng)，早期系統(tǒng)資料不齊全或者殘缺丟失，導致后期進行整改時無法查詢資料了解完整結(jié)構(gòu)，需要消耗更多時間進行排查，增加施工難度。

3)涉及部門多，協(xié)調(diào)配合難度大 水污染治理主要為管道工程，由于管道工程為隱蔽工程，整個施工過程牽扯部門繁多，需要與多方進行協(xié)調(diào)，加大了施工難度。

4)無法滿足特殊情況 雨季時雨量過大，排水系統(tǒng)達不到排水要求，導致積水嚴重，由于早期技術(shù)不成熟以及現(xiàn)有技術(shù)無法預估各種情況下的排放要求，導致系統(tǒng)無法針對變化情況正常運行，雨污溢流造成污染。

2.3 BIM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

建筑信息模型(building information modeling，BIM)，是指以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型基礎，進行建模，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。我國在建筑中應用BIM技術(shù)可分為兩個階段：第1階段為2002—2014年，主要是以學習BIM技術(shù)為主，對BIM技術(shù)的了解處于初級階段；第2階段為2014年至今，許多研究內(nèi)容都表達了BIM技術(shù)對建筑信息化的重要性。目前，BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中應用越來越廣泛，項目招投標中規(guī)定，項目設計與施工階段采用BIM技術(shù)形成前期規(guī)劃，按照設計要求進行建模，依托BIM平臺的各項功能，進行碰撞檢測，模擬各種可能行，在設計階段得出最適合的設計方案，依靠BIM技術(shù)可以模擬各種狀況，提前預知各種可能性，從而降低風險、提高效率，將效益最大化、方案最全化。

2.4 三維斜測模型理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無人機技術(shù)被廣泛用于遙感測繪領域，也逐漸應用于建筑、交通、防災救援等領域。隨著地形與制圖技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字模型引起人們的關(guān)注，攝影遙感等可視化技術(shù)得到重視。斜測攝影技術(shù)是近幾年測繪領域迅速發(fā)展起來的一項技術(shù)，它顛覆了以往常規(guī)的正射影像只能從垂直視角拍攝的局限，通過在1個飛行平臺上搭載2～5個傳感器，同時從多個角度采集影像，形成直觀模型，讓用戶從多個角度觀察，更加了解實際情況，彌補了基于正射影像應用的不足。無人機航測技術(shù)在發(fā)達國家運用較早，處于成熟階段，近年來無人機攝影技術(shù)在我國也得到越來越多的應用，無人機斜測攝影技術(shù)也越來越完善。

2.5 GIS三維天地圖理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

GIS技術(shù)是利用專業(yè)軟件和計算機硬件，獲取空間地理信息、編輯并存儲數(shù)據(jù)，供隨時調(diào)取查詢，支持計算和管理所存儲信息，還可通過制圖處理顯示信息，并可分析和應用相關(guān)數(shù)據(jù)為地質(zhì)水文工作提供支持。當前技術(shù)水平下GIS得以多維度發(fā)展，且進展迅速。GIS技術(shù)被應用于城市規(guī)劃、土木工程、地理測繪、國土資源管理等。

2.6 城市地表徑流模型理論概述

針對暴雨頻發(fā)引起的城市內(nèi)澇災害和雨污污染，為了進行控制，需要了解雨水徑流系統(tǒng)，通過計算得出城市地表徑流模型，并得出雨水不同量的流向以及會發(fā)生的狀況等。1978年，美國環(huán)保局(EPA)提出了SWMM 模型(storm water management model)，可以計算城市產(chǎn)匯流過程，主要包括時變降雨量、地表水蒸發(fā)洼地截留、地表徑流非線性水庫演算等。MOUSE(model for urban sewers)是丹麥水力學研究所(DHI)1983年開發(fā)的用于模擬城市徑流、管道水流的城市暴雨徑流模型，可模擬泥砂和溶解態(tài)、顆粒態(tài)污染物的運動以及管道中水質(zhì)變化過程和微生物降解過程。DHI還針對城市降雨模擬開發(fā)了MIKEURBAN，能快速準確模擬雨水污水泥砂沉積與輸移，分析水質(zhì)及泥砂堆積問題，預測暴雨條件下發(fā)生城市內(nèi)澇的位置與嚴重程度。相較于國外，我國的城市地表徑流模型起步較晚，但通過吸取國外優(yōu)秀案例經(jīng)驗，自主研發(fā)的模型有城市雨水管道計算模型(SSCM)、 城市雨水徑流模型(CSYJM)等。

3 CIM技術(shù)在水環(huán)境治理中的應用研究

3.1 CIM技術(shù)

CIM技術(shù)用以實現(xiàn)城市規(guī)劃、建設、運維管理全鏈條的信息管理，解決新型智慧城市建設中數(shù)據(jù)孤島的困境，以數(shù)據(jù)驅(qū)動城市治理方式的革新。CIM發(fā)展方向是打造數(shù)字城市領域最為核心的建筑物聯(lián)時空大數(shù)據(jù)平臺，各行業(yè)、各部門信息共享，集成各業(yè)務數(shù)據(jù)，通過多維度可視分析，更加有效管理城市，達到精細化管理。CIM的應用能夠促進城市發(fā)展，更加完善城市運營體系。

3.2 CIM城市管理平臺與其他信息技術(shù)的關(guān)系

3.2.1BIM與CIM城市管理平臺

BIM一般用于建筑當中，相較于CIM的宏觀表現(xiàn)，BIM更多的是展現(xiàn)細節(jié)部分，仿佛是一個個細胞組成了城市，并且能夠展現(xiàn)城市建筑信息以及隱蔽工程，可以更加便捷地了解城市各管線運行情況，為后期運行維護提供保障。應用BIM能夠在水污染治理中通過管線碰撞了解管線安排的最優(yōu)布置方案，及時處理各種情況。

3.2.2三維斜測模型、GIS與CIM城市管理平臺

通過三維斜測輔助GIS地理信息系統(tǒng)，將城市的二維展現(xiàn)變成了三維立體。三維斜測配合GIS技術(shù)，從多方位、多角度展現(xiàn)城市面貌，組成了城市信息系統(tǒng)的皮膚構(gòu)造。將三維斜測以及GIS應用到水環(huán)境治理中，可以清楚展示河道情況以及污染排放情況。污染源通過三維斜測以及GIS在CIM城市管理平臺中清楚展現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)問題點及時報警并顯示位置，從而能夠快速解決問題。利用三維斜測可以清楚展示城市河道、排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，通過GIS的信息采集、整合分析以及配合算法處理，可以實現(xiàn)對水文的實時監(jiān)測，并且結(jié)合對水位的實時監(jiān)控以及降雨數(shù)據(jù)的處理建立模型，實現(xiàn)對災害的有效預防。通過三維斜測輔助GIS建立模型，開展空間數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的收集、編輯，為城市管網(wǎng)系統(tǒng)提供依據(jù)。

3.2.3城市地表徑流模型與CIM城市管理平臺

河流是城市的血脈，地表徑流是城市的血管，貫穿著城市流動，關(guān)系著城市的平穩(wěn)運行。水環(huán)境污染很大一部分原因除了人工污染之外，還有自然原因，由于暴雨或者極端天氣，城市排水系統(tǒng)無法滿足要求，造成雨污混流，水滿溢流，從而造成水體污染。城市地表徑流模型通過對城市地表徑流以及降雨數(shù)據(jù)進行分析，計算模擬城市徑流、管道水流的城市暴雨徑流模型，結(jié)合CIM中其他信息模型分析出暴雨條件下發(fā)生城市內(nèi)澇的位置與嚴重程度，針對具體情況制定合理方案。

4 結(jié)合CIM的智慧水環(huán)境治理運行管理模式研究

4.1 水環(huán)境治理智慧化運行管理模式的目標

1)為信息交流、協(xié)同治理提供支撐平臺 將CIM引入水環(huán)境治理中，可以大大縮短溝通交流時間，各部分業(yè)務信息以及現(xiàn)場情況在CIM平臺上一目了然，實現(xiàn)了各部門業(yè)務信息共享交流以及協(xié)同作業(yè)，將水污染治理工作變得更加便捷。

2)實現(xiàn)對水環(huán)境治理全方面掌控 傳統(tǒng)方法是發(fā)現(xiàn)一處整改一處，存在許多未發(fā)現(xiàn)、未整改的源頭，靠人工巡查耗時耗力效率低且不經(jīng)濟，無法做到時時監(jiān)督。采用CIM技術(shù)，結(jié)合其中的三維斜測以及GIS地理信息系統(tǒng)及BIM技術(shù)可以對每個排口、每條河流時時監(jiān)控，出現(xiàn)異樣可以及時知道突發(fā)點的位置，綜合分析制定出適合的方案，通過對信息資源的共享、整合、分析和各項業(yè)務之間的合作聯(lián)系，突破時間空間限制，將管理伸展到城市的每個角落，實現(xiàn)對水環(huán)境乃至整個城市的全方位掌控。

3)治理效率最大化，治理成效最大化 通過將CIM技術(shù)運用到水環(huán)境治理中，利用信息共享清楚地展現(xiàn)整個城市狀況，實時監(jiān)控城市運轉(zhuǎn)情況，面對水污染能及時找出原因，結(jié)合不同模型分析得出最佳治理方案，面對暴雨極端天氣能夠分析出城市降水量以及排水量，從而制定最佳管線布置方案，解決積水、排水不暢等問題，將治理效率最大化，治理成效最大化。

4.2 CIM支撐智慧水環(huán)境治理目標實現(xiàn)

1)技術(shù)支持 利用BIM、三維斜測、GIS技術(shù)配合地表徑流模型模擬整個城市運轉(zhuǎn)情況，針對城市擴容以及管線建造等都可以利用該技術(shù)進行建模，找出最優(yōu)方案設計。隨著國內(nèi)CIM技術(shù)應用越發(fā)成熟，更加保障了水環(huán)境治理智能化的實施應用。

2)數(shù)據(jù)資源共享 CIM從多個角度展示整個城市的狀況，并且包含多個系統(tǒng)，各方信息均包含在內(nèi)，利用BIM以及GIS提供城市數(shù)據(jù)信息，結(jié)合各部門數(shù)據(jù)方便進行查詢分析，通過對各方數(shù)據(jù)的整合形成CIM城市管理平臺，實現(xiàn)城市業(yè)務聯(lián)合與統(tǒng)籌集成及核心業(yè)務的提升，可以更加有效地治理水環(huán)境污染。

3)可視化技術(shù) 水環(huán)境治理更加智慧化，從二維到三維是必然的，要實現(xiàn)對水環(huán)境治理的全方位掌控，離不開各方面信息的支持，而CIM具備對所有實體對象實現(xiàn)三維可視化的能力，能夠根據(jù)城市及水環(huán)境現(xiàn)狀實時更新和監(jiān)督。

4.3 基于CIM的智慧水環(huán)境治理模型設計

CIM城市管理平臺由CIM技術(shù)、BIM技術(shù)、三維斜測技術(shù)、GIS技術(shù)及地表徑流模型組合構(gòu)成，以城市信息模型為骨架，BIM技術(shù)為細胞，三位斜測輔助GIS地理信息作為皮膚，地表徑流模型為血液共同構(gòu)建完整的智慧型水環(huán)境治理平臺(見圖1)。

圖1 智慧型水環(huán)境治理流程

利用BIM技術(shù)，將城市各種類型信息收集建立城市模型，配合三維斜測以及GIS地理信息建立城市三維模型，添加各部門信息，綜合展現(xiàn)出一個完整的城市以及水環(huán)境系統(tǒng)。城市擴容或者水環(huán)境產(chǎn)生變化，無人機以及GIS監(jiān)控系統(tǒng)會立即在CIM城市管理平臺中體現(xiàn)，及時展現(xiàn)出問題點，相關(guān)部門能夠在第一時間知道位置并通過分析各項信息得出最優(yōu)解決方案，以最快的速度解決問題。針對城市擴容或管網(wǎng)改造，綜合分析出適用于各種情況的管線布置方案，并且將數(shù)據(jù)信息自動上傳使后期的運營及維護更加便捷。

5 結(jié)語

CIM通過將城市數(shù)據(jù)顆粒細化到建筑單體內(nèi)部每個部件，將傳統(tǒng)數(shù)字城市升級為可感知、動態(tài)在線、虛實交互的數(shù)字孿生城市。針對傳統(tǒng)水污染治理方法效率低、耗時耗力并且有一定的局限性，CIM城市管理平臺以CIM為基礎，結(jié)合BIM技術(shù)、GIS、三維斜測以及城市徑流模型等信息模型，通過三維立體展示城市模型，實現(xiàn)城市動態(tài)一體化，通過平臺清楚展示城市管道走向并實時監(jiān)測水體動態(tài)，一旦出現(xiàn)問題能及時發(fā)現(xiàn)，找出源頭，利用各項信息技術(shù)找出最優(yōu)解決方案，達到治理目的，為城市治理提供數(shù)字賦能、智慧賦能，全面提升水務治理效率，使城市管理更加科學化、精細化。雖然目前還在研究階段，但是相信在信息化技術(shù)發(fā)展的推動下，基于CIM的智慧化水環(huán)境污水治理技術(shù)將會得到完善并形成一套成熟的理念，真正應用于水環(huán)境治理當中，對整個城市的水環(huán)境與水安全進行長效治理與監(jiān)督。