昆明市地下排水管線信息模型構建對市政規劃輔助決策支撐研究

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.武漢大學資源環境科學學院，湖北武漢430070)

一、引 言

目前，城市排水規劃面臨的一個主要問題是涉水規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，規劃中的人為裁量權加重，使規劃成果的實際應用的作用降低。由于缺乏計算機和GIS技術支持，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，導致破壞環境容量的不合理的城市建設工程頻繁出現，因此城市內澇事故等事故發生頻繁。為治理滇池和科學規劃城市建設，2010年昆明市規劃局和科技局聯合開展了“基于GIS技術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據成果，采用地理信息系統技術，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據開展深入分析研究，建設昆明市地下排水管線數學模型，通過計算機模擬分析，對昆明市部分片區地下排水管線的運行狀態及承載能力、災害預報等方面作出評價，建立昆明市主城區有代表性的片區排水模型，并建設與此相配套的地下排水管線管理、評估與分析平臺，通過互聯網技術等先進手段，將這些成果向社會提供服務。同時，進一步收集并管理相關涉水數據，為昆明市城市雨污分流改造、城市防洪、以及涉水規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據信息建設為核心，以模型建設為關鍵支持，研究包括以下內容:

1.數據建設

1)采集處理研究片區地下排水管線及其附屬物數據，包括地下排水管線及其附屬物的管徑、標高、摩阻系數、泵站數量及運行數量、運行參數，水泵流量揚程曲線及其啟閉控制參數，城市河道的基礎數據，明河與暗河的基本屬性數據，為項目的開展提供根本保證。

2)數字地形圖、數字影像地圖、高精度城市DEM、LIDAR數據等涉水GIS數據以及氣象、人口、排水及水量變化曲線數據，供水、集水、地表滲透數據。

3)使用關系型數據庫進行建庫管理，為昆明市的水資源環境數據采集、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、規則化電子地圖，為城市排水分析、處理以及后續開發應用提供規范化背景數據。

2.數字化模擬

建立研究片區排水管線模擬系統，即建立具有代表性的雨、污水系統的數學模型，利用模型測試該片區排水系統對不同條件的反應，包括以下內容:

(1)通過模型建設，模擬工作環境

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建技術，通過模型建設讀取GIS數據庫，并集成城市排水信息資源專題數據庫，應用軟件自身的規劃管理功能，通過圖形分析等手段提供一個、精準模擬雨、污水收集系統的工作環境。利用時間序列模擬引擎，針對城市污水系統和相關排水系統的關鍵要素作出快速、精確、穩定的模擬，預測上述系統的工作狀態，或單點降水及降雨后對環境造成的影響，通過對GIS數據的使用，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構輔助控制架構。

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的地下排水的流量、流速和液位等關鍵數據，對該地區排水模型進行校核，獲得了適合該片區使用的排水數學模型為該片區的排水工作模擬奠定基礎。

(2)通過GIS技術展示計算機模型計算結果

交互式數據瀏覽功能包括平面圖、縱剖面圖、電子數據表格和隨時間變化的圖形數據。進行全新的交互三維顯示技術改善了窨井的虛擬表現。實現了從任意圖形和地理視圖上展示底層數據。同時通過GIS技術輸出表格和圖表式的結果報告、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、穩定的軟件技術，將三維模擬仿真技術軟件應用，集成到城市排水軟件模擬系統平臺中，使之應用于城市規劃、建設、水務等領域并提供虛擬現實的共享服務和支持。同時通過數據交互技術，建設基于互聯網的共享平臺，使上述研究成果通過計算機技術實現跨平臺技術的應用推廣，在政府層、職能層及公眾層推廣應用。

三、關鍵技術

利用Inforworks CS排水模型軟件建模，能夠解決城市數字化排水管理中的一些關鍵問題，特別是建立復雜條件下的城市排水新模型。解決的關鍵技術包括:

1)在一維建模中充分利用昆明現有的全覆蓋探測數據(市政管網與庭院管線數據相結合)，利用小區管網普查數據協助排水管網集水區的劃分和一維水力模型的建立。

2)基于GIS下墊面數據，利用模型工具自動提取模擬片區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果更加真實可靠。結合高程測繪數據，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約20 km2，建設了適合該片區的數學模型，結合昆明地形因素，通過使用河道及地下排水管線、城市地表數字高程模型(DTM)等數據，建設完成蘭花溝片區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、任意的水工構筑物運行狀態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，在分析模擬中發現該地區的地下排水管線的一些問題，并提出科學的規劃意見和建議。

1.城市排水模型建設的基礎

地下排水管線數據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鍵，昆明市地下排水管線數據可挖掘信息包括管線的平面位置、管底標高、埋深、管徑、材質、排水流向等關鍵信息，這些信息在城市地下排水模型建設中發揮的重要的作用詳見表1。

表1 昆明市地下排水管線數據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

地下排水管線數據是城市排水過程模擬的依據，城市排水模型模擬地下排水管線工作過程需要管線數據支撐，同時，地下管線數據中的地形、影像等背景數據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

排水模型需要驗證，即需要校核與率定，地下排水管線數據是排水模型校核與率定的基礎，城市排水模型在跨區域推廣時，需要不同區域的地下排水管線數據進行率定，即校核模型的參數，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劃輔助決策

基于GIS技術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、人口膨脹規模、污水產出量估算、居民區規劃等多因素分析，同時考慮到經濟投資等因素，能夠對城市的特定區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，特別是根據未來城市擴張及發展情況，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論;從而由原來基于經驗的地下管線規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，通過模擬片區內新建建筑對周圍地下管線的壓力，在發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域城市排水承載力的問題。

圖1 昆明市某小區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，圖右為小區開發完成后排水承載力出現污水滿管的情況)

(2)城市內澇模擬及規劃對策

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:利用模型技術進行水力模擬分析，得出不同強度暴雨下城市可能會發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，指導與排水系統相關聯的河道、水閘、泵站等水力附屬設施的調度等，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劃人員在不同級別城市雨水重現期內對城市地下排水管線的設計關注重點，并對相應的對有針對性的區域進行十年一遇的地下排水管線更新與改造。

圖2 昆明市某片區單點暴雨下城市防洪薄弱環節(井)顯示

3.其他城市水環境研究評價

通過建立地下排水管網模型，分析評價管網運行現狀，對地下排水管網系統改造提出合理化建議并形成體系，以指導該片區排水管線的規劃、建設與管理。包括以下內容:

(1)依據城市排水系統的現狀，評價、改造和新建城市地下排水系統

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

(2)可持續城市排水系統的研究與應用

項目對雨水系統的優化管理及可持續發展進行研究，調蓄池、草坪、綠化、透水性鋪設等雨水優化設施已經逐步得到應用。

(3)雨污分流適合性評價及規劃對策

全昆明市地下排水管網空間布局與科學規劃分析輔助管理，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構，并可結合地下管道三維效果圖及管道縱斷面圖修正和檢查現狀管網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有管網問題進行排查和維護。合流污水截流系統設計及分析:對于較為復雜的合流制排水系統，排水模型不僅可以同分流制污水系統一樣對旱天流量進行評估，更重要的是能夠對雨天排水系統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，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”及環境容量要求。

(4)城市降雨徑流控制及調蓄輔助規劃設計

排水系統通常較為復雜，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，水泵強排系統，圩區排放系統，系統的雨污混接、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非正常運行及事故狀態的分析處理模型，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蓄池建設得到科學的規劃與開展，節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劃與建設中發揮積極作用，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劃，更好地促進城市運行，該項目實施以來，已經在上述工作中發揮了重要的社會、經濟和環境效益，更好地促進滇池治理和城市規劃各項工作科學開展。具體體現在以下幾個方面:

1)地下管線承載力科學評估:提高城市規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對示范片區的排水管網的負載力進行水力評估分析，根據未來城市擴張及發展情況，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論;從而由原來基于經驗的地下管線規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，使城市的規劃與決策工作更趨科學合理。

2)地下排水管網空間分析輔助管理: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構，并可結合地下管道三維效果圖及管道縱斷面圖修正和檢查現狀管網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有管網問題進行排查和維護，對現狀管網的分析模擬定位出了示范片區易發生積水的位置和范圍以及可能原因，提交科學規劃后，為之后的管網改造和升級奠定決策基礎。

3)城市洪水風險分析和預警:利用模型技術進行水力模擬分析，得出不同強度暴雨下城市可能會發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，指導與排水系統相關聯的河道、水閘、泵站等水力附屬設施的調度等，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狀管網的分析模擬定位出了示范片區易發生積水的位置和范圍以及可能原因，為之后的管網改造和升級奠定了相關的理論基礎。

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