徐智勇,舒德偉,陳昌黎,謝林哲,張 鵬

(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051; 2.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 昆明 650054)

0 引 言

受極端天氣影響,全國(guó)部分地區(qū)洪澇損失較大,城市防洪排澇的重要性日益凸顯[1]。排水系統(tǒng)在城市內(nèi)澇防治體系中發(fā)揮重要作用,提升排水設(shè)施運(yùn)行效益,可有效避免城市內(nèi)澇或溢流事故[1-2]。當(dāng)前城市防洪排澇工作還存在城市排水標(biāo)準(zhǔn)低、排水系統(tǒng)效率有待提高、精細(xì)化管理有待加強(qiáng)等問(wèn)題[3]。姚志武等[4]研究了基于水雨情監(jiān)測(cè)、閘泵調(diào)度和視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)城市防洪排澇智能決策平臺(tái)設(shè)計(jì)。然而,防洪排澇工作中,還需將管網(wǎng)、河湖水系、易澇點(diǎn)、調(diào)蓄池、智能截流井、泵站、入河排放口等設(shè)施設(shè)備作為統(tǒng)一的有機(jī)整體綜合管理。本文通過(guò)建立市政排水地理信息綜合管理與預(yù)警調(diào)度平臺(tái),以排水系統(tǒng)GIS一張圖為基礎(chǔ),基于專業(yè)的水文水動(dòng)力模型及水務(wù)感知物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)洪澇情勢(shì)分析、災(zāi)情預(yù)判、預(yù)警預(yù)報(bào)、防汛調(diào)度、應(yīng)急搶險(xiǎn)等功能,對(duì)管網(wǎng)、水系、調(diào)蓄池、泵站、智能截流井等各類排水設(shè)施進(jìn)行精細(xì)化管理,為洪澇災(zāi)害的預(yù)警和調(diào)度提供及時(shí)、準(zhǔn)確的決策支撐。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、模型預(yù)演、預(yù)警告警、調(diào)度指揮、閘泵聯(lián)合調(diào)度及評(píng)價(jià)分析等業(yè)務(wù)為城市管理者提供水務(wù)管理信息化、智慧化支撐。

1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)總體架構(gòu)分為6層,即用戶訪問(wèn)層、應(yīng)用層、支撐層、模型層、數(shù)據(jù)層與基礎(chǔ)設(shè)施層,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

(1) 用戶訪問(wèn)層主要針對(duì)系統(tǒng)設(shè)定的使用人群,包括政府、水務(wù)局、住建局、調(diào)度指揮中心工作人員、各有關(guān)責(zé)任單位以及社會(huì)大眾等。

(2) 應(yīng)用層是系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層。主要針對(duì)水安全防治和應(yīng)急指揮調(diào)度的業(yè)務(wù)需求,實(shí)現(xiàn)水安全問(wèn)題的探查、問(wèn)題點(diǎn)的聚焦定位、治理應(yīng)對(duì)措施的確定和下達(dá)以及治理效果的跟蹤評(píng)價(jià),由各業(yè)務(wù)相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)組成[5]。

(3) 支撐層為上層應(yīng)用層提供各種支撐服務(wù),包含了統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換、對(duì)外接口服務(wù),以及數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)匯集共享模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用層系統(tǒng)業(yè)務(wù)的有力支撐。通過(guò)服務(wù)裝配功能來(lái)對(duì)服務(wù)層的各類公共服務(wù)進(jìn)行組合、裝配,形成可以更好被上層應(yīng)用使用的服務(wù),如GIS底圖服務(wù)、用戶管理、數(shù)據(jù)交換、工作流管理等,用標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)支撐各種應(yīng)用的快速定制和開(kāi)發(fā)[6]。

(4) 模型層通過(guò)水文水動(dòng)力模型提供在線數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析計(jì)算,形成預(yù)測(cè)、調(diào)度、控制、評(píng)估等參考信息,為業(yè)務(wù)管理相關(guān)部門提供防洪排澇工程調(diào)度運(yùn)行管理智慧化輔助決策。

(5) 數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的資源平臺(tái),包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)。通過(guò)建設(shè)數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、指揮調(diào)度信息的存儲(chǔ)、交換、共享、應(yīng)用服務(wù)和資源統(tǒng)一管理;實(shí)現(xiàn)跨部門、跨地域的水文、氣象、排水等數(shù)據(jù)資源的接入、接收與運(yùn)行、維護(hù)、管理;實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一接收、統(tǒng)一管理、分布式存儲(chǔ)與集中數(shù)據(jù)發(fā)布的服務(wù)體系。

(6) 基礎(chǔ)設(shè)施層主要為系統(tǒng)及大屏展示平臺(tái)正常運(yùn)行提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù),包括云平臺(tái)、網(wǎng)格化的監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、遙感衛(wèi)星、視頻監(jiān)控設(shè)備、無(wú)人機(jī)、智能穿戴設(shè)備,以及保證系統(tǒng)正常運(yùn)行需要的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源(河道,污水處理廠,排水管網(wǎng),泵站,岸線)構(gòu)建基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(河道水位水質(zhì),污水處理廠進(jìn)出廠水質(zhì)水量,排水管網(wǎng)水質(zhì)水位,泵站水質(zhì)水量,雨量站降雨量)構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)[7]。然后根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)建立內(nèi)澇預(yù)警模型、河道洪水預(yù)報(bào)模型,結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)構(gòu)建市排澇調(diào)度模型、河道防洪調(diào)度模型、多目標(biāo)決策支持模型。通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、內(nèi)澇預(yù)警模型、河道洪水預(yù)報(bào)模型、城市排澇調(diào)度模型、河道防洪調(diào)度模型與多目標(biāo)決策支持模型間的擬合、數(shù)據(jù)管理與分析展示,實(shí)現(xiàn)面向“四預(yù)”的市政排水地理信息綜合管理與預(yù)警調(diào)度平臺(tái)建設(shè)[8]。市政排水地理信息綜合管理與預(yù)警調(diào)度業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2 。

圖2 市政排水地理信息綜合管理與預(yù)警調(diào)度業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

(1) 數(shù)據(jù)資源管理。包括江河數(shù)據(jù)管理、水利工程數(shù)據(jù)管理與排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理。通過(guò)系統(tǒng)性整合排水管網(wǎng)、江河水系、水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù),建立排水系統(tǒng)的全要素?cái)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、賬冊(cè)化管理,保障數(shù)據(jù)查詢利用的實(shí)效性和后續(xù)動(dòng)態(tài)更新的便捷性。

(2) 監(jiān)測(cè)感知。包括雨量監(jiān)測(cè)、易澇點(diǎn)監(jiān)測(cè)、污水主管監(jiān)測(cè)、排放口監(jiān)測(cè)和河道斷面監(jiān)測(cè),在管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、重要排口、河道斷面上部署流量、液位、水質(zhì)等感知設(shè)備,形成區(qū)域排水感知一張網(wǎng)。通過(guò)實(shí)時(shí)高效的水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),對(duì)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一匯集分析,全面感知管網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)[9]。

通過(guò)融合GIS一張圖與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)建防洪排澇一張圖,直觀呈現(xiàn)區(qū)域防澇總體態(tài)勢(shì),實(shí)時(shí)展示與播報(bào)區(qū)域降雨和內(nèi)澇情況,支撐區(qū)域防澇指揮的全局管控。

(3) 監(jiān)控分析。主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、情勢(shì)分析、降雨關(guān)聯(lián)分析等功能。系統(tǒng)依托模型分析工具和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工具,對(duì)區(qū)域內(nèi)管理要素的運(yùn)營(yíng)和監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行多維度的對(duì)比分析,提供各類可視化的圖表工具,使統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果更直觀細(xì)致,科學(xué)高效地輔助管理單位進(jìn)行有效的管理及指揮決策。

(4) 預(yù)警告警。主要包括預(yù)警管理、告警管理等功能。在數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)上,業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù),全方位實(shí)現(xiàn)對(duì)水務(wù)管理要素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警告警數(shù)據(jù)等各類信息的統(tǒng)籌管理和展示。利用區(qū)域內(nèi)模型的預(yù)測(cè)分析結(jié)果,提前進(jìn)行城市內(nèi)澇、河道洪水等應(yīng)急事件的事前預(yù)警告警[10]。

(5) 應(yīng)急調(diào)度。主要包括調(diào)度方案、應(yīng)急調(diào)度、調(diào)度實(shí)施、搶險(xiǎn)救災(zāi)等功能。利用系統(tǒng)預(yù)設(shè)的事件處置流程和事件處置手段進(jìn)行城市易澇點(diǎn)內(nèi)澇、河道洪水等各類事件的處置及管理;統(tǒng)籌管理區(qū)域內(nèi)各類應(yīng)急響應(yīng)的資源力量、調(diào)度設(shè)備設(shè)施,實(shí)現(xiàn)調(diào)度指令下發(fā)、反饋和事后分析評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)的閉環(huán)管理,實(shí)現(xiàn)人員、物資、設(shè)備設(shè)施的一體化調(diào)度[11]。

(6) 方案評(píng)價(jià)。主要包括調(diào)度方案評(píng)價(jià)、災(zāi)情損失評(píng)價(jià)、調(diào)度效果評(píng)價(jià)等功能。對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行評(píng)價(jià),主要對(duì)洪澇開(kāi)始時(shí)間、洪澇結(jié)束時(shí)間、災(zāi)情損失、人車物資調(diào)度路線、調(diào)度時(shí)間、調(diào)度效果等記錄和評(píng)價(jià),提出更優(yōu)方案并形成新的預(yù)案庫(kù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 預(yù)報(bào)模型構(gòu)建技術(shù)研究

水文預(yù)報(bào)模型構(gòu)建以守恒形式的二維圣維南方程為控制方程,采用Godunov型非結(jié)構(gòu)有限體積法,模型采用三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域。通過(guò)計(jì)算洪水在河道及洪泛區(qū)的傳播過(guò)程,計(jì)算沿程各點(diǎn)在不同時(shí)刻的水位、流速等水力要素,并為下游區(qū)域提供淹沒(méi)范圍、洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒(méi)歷時(shí)、最大淹沒(méi)水深等統(tǒng)計(jì)信息,建立適用于河道、洪泛區(qū)、城市等實(shí)際地形上洪水演進(jìn)計(jì)算的二維洪澇模型[12-13]。

3.2 應(yīng)急指揮調(diào)度技術(shù)研究

應(yīng)急指揮調(diào)度通過(guò)接入降雨、水情及設(shè)施運(yùn)行狀況等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息,通過(guò)監(jiān)測(cè)情勢(shì)分析及模型預(yù)報(bào),分析水情發(fā)展趨勢(shì),及時(shí)預(yù)警告警,利用閘泵調(diào)洪調(diào)度方案、易澇點(diǎn)“一點(diǎn)一策”調(diào)度方案等實(shí)現(xiàn)調(diào)控設(shè)施管理和應(yīng)急響應(yīng)、調(diào)度分析等工作[14-15]。模型服務(wù)與調(diào)度流程見(jiàn)圖3。

圖3 模型服務(wù)與調(diào)度流程

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)昆明市“十四五”規(guī)劃對(duì)智慧水務(wù)平臺(tái)建設(shè)的要求,昆明市西山區(qū)以開(kāi)展的雨污分流及海綿城市建設(shè)工作為契機(jī),同步開(kāi)展市政排水地理信息綜合管理與預(yù)警調(diào)度平臺(tái)建設(shè),實(shí)現(xiàn)洪澇情勢(shì)分析,災(zāi)情預(yù)判、預(yù)警預(yù)報(bào)、防汛調(diào)度、應(yīng)急搶險(xiǎn)等功能,為西山區(qū)洪澇災(zāi)害的預(yù)警和調(diào)度提供及時(shí)、準(zhǔn)確的決策支撐,具體應(yīng)用如下。

(1) 排水?dāng)?shù)據(jù)資源管理(圖4)。系統(tǒng)以管網(wǎng)探查為基礎(chǔ),系統(tǒng)性整合了西山區(qū)管網(wǎng)及設(shè)施數(shù)據(jù),建立了全區(qū)排水系統(tǒng)的全要素?cái)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、賬冊(cè)化管理,保障數(shù)據(jù)查詢利用的實(shí)效性和后續(xù)動(dòng)態(tài)更新的便捷性。

圖4 排水?dāng)?shù)據(jù)資源管理界面

(2) 排水GIS一張圖(圖5)。基于GIS技術(shù)建立排水GIS一張圖,實(shí)現(xiàn)了西山區(qū)全域水網(wǎng)組成要素、排水管網(wǎng)及附屬設(shè)施的全要素集成融合。

圖5 排水GIS一張圖界面

(3) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理(圖6)。在管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、重要排口、河道斷面上部署流量、液位、水質(zhì)等感知設(shè)備,形成區(qū)域排水感知一張網(wǎng)。通過(guò)實(shí)時(shí)高效的水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),對(duì)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一匯集分析,全面感知管網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理界面

(4) 防洪排澇一張圖(圖7)。通過(guò)融合GIS一張圖與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)建了西山區(qū)防洪排澇一張圖,直觀呈現(xiàn)區(qū)域防澇總體態(tài)勢(shì),實(shí)時(shí)展示與播報(bào)區(qū)域降雨和內(nèi)澇情況,支撐區(qū)域防澇指揮的全局管控。

圖7 防洪排澇一張圖界面

(5) 綜合情勢(shì)分析(圖8)。利用排水專題圖、排澇搶險(xiǎn)專題圖、雨量專題圖等全面綜合展示各類監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),掌握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)展態(tài)勢(shì)。

圖8 綜合情勢(shì)分析功能界面

(6) 預(yù)警告警管理(圖9)。對(duì)于布設(shè)的各類監(jiān)測(cè)點(diǎn),提前配置預(yù)警告警規(guī)則,當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)觸發(fā)預(yù)警告警規(guī)則時(shí),啟動(dòng)預(yù)警告警流程,并發(fā)布短信提醒。

圖9 預(yù)警告警管理界面

(7) 應(yīng)急調(diào)度管理(圖10)。通過(guò)啟動(dòng)預(yù)案、下發(fā)指令、應(yīng)急會(huì)商等流程,對(duì)預(yù)警告警事件進(jìn)行調(diào)度處理。

圖10 應(yīng)急調(diào)度管理界面

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)城市防洪排澇方式的不足,構(gòu)建了市政排水地理信息綜合管理與預(yù)警調(diào)度平臺(tái),建立了基于水力模型的智能預(yù)測(cè)方法和可視化管理方法。利用區(qū)域內(nèi)模型的預(yù)測(cè)分析結(jié)果,提前進(jìn)行城市內(nèi)澇、河道洪水等應(yīng)急事件的事前預(yù)警告警。利用系統(tǒng)預(yù)設(shè)的智能化事件處置流程和高效便捷的事件處置手段進(jìn)行各類事件的處置及管理。統(tǒng)籌管理單位區(qū)域內(nèi)各類應(yīng)急響應(yīng)的資源力量、調(diào)度設(shè)備設(shè)施,實(shí)現(xiàn)調(diào)度指令下發(fā)、反饋和事后分析評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)的閉環(huán)管理,實(shí)現(xiàn)人員、物資、設(shè)備設(shè)施的一體化調(diào)度。