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2016-09-04 01:58:00廣州奧格智能科技有限公司
中國建設信息化 2016年17期
文｜廣州奧格智能科技有限公司
要讓“城市看?！背蔀橥?，既需要完善排水設施設計標準，督促地方政府改變“重地上輕地下”的城市發展觀念，更需要將物聯網、地理信息等技術應用在城市排水防澇中，實現城市排水數據管理、運行服務、監測預警、綜合監管、應急決策一體化的管理，構建排水行業監管的新模式，以提高城市防災減災能力和安全保障水平。
在全球氣候變化的大背景下，極端降雨事件在各大城市頻發，我國城市化進程又不斷加快，地下現有排澇工程體系相對落后，跟不上社會快速發展的排水需要，導致城市內澇問題尤為突出，嚴重制約了我國社會經濟的可持續發展，阻礙了城市正常運行和管理。十多年來，國家投入了大量的人力物力財力治理城市內澇，各個城市也做出了很多努力，但是逢雨必澇的問題依然存在于很多城市。
內澇現狀
近年來，國家各大城市暴雨頻發，廣州，北京、南京、武漢、杭州、深圳、上海等地尤為嚴重，城市看海的新聞報道層出不窮。2011年，住房和城鄉建設部對全國351座城市進行了調研，結果表明，在2008年～2010年3年間，62%城市發生過內澇，39%城市內澇災害超3次，53%城市目前沒有達到國家防澇標準，79%非農業人口達150萬以上的特大城市沒有達到國家防澇標準。另據國家防汛抗旱總指揮部副主任張家團介紹，2012、2013、2014這三年，平均每年100多個城市受到外洪內澇的威脅，2012年有184座城市發生內澇，2013年234座城市內澇，2014年125座城市內澇，包括北京、上海、廣州、南京、武漢、太原這樣的大城市。城市內澇問題不僅嚴重影響了城市的正常生活秩序，也造成了社會民眾嚴重的生命財產損失。
國內外研究治理現狀
國外發達國家城市化現象出現較早，對城市水澇災害風險特性和演變規律、城市水澇災害綜合防治對策研究起步較早。國外城市的排水標準普遍高于國內城市，比如紐約的排水標準約為10～15年一遇的標準，東京5～10年一遇的標準，在排水系統建設方面，東京的地下宮殿式排水系統，能夠保持強大的排水防澇功能，德國柏林建立分立式排水系統，徹底實現雨污分流，避免大雨時洪澇泛濫。在提高排水設施的排水防澇能力的同時，一些發達國家也研究開發了暴雨模型，用于模擬雨水在地表以及管網的運動情況，比如美國環保署的SWMM，英國公路研究所的TRRL，丹麥水力研究所DHI開發的Mike等軟件，這些模型軟件成功運用到了城市防洪排澇以及排水系統規劃中。美國率先利用“3S”技術建立洪水預警系統；英國于2009年建立首個洪水預報中心，實現對洪澇災害及時準確的預警和控制，在防治內澇的同時這些國家也開始研究雨水利用問題，比如英國提出可持續排水系統技術來收集利用雨水，美國制定大小兩個暴雨排水系統并設計最佳管理措施對雨水進行控制，后經過改進產生了低影響開發理念，講究雨水的蓄、滯、分、滲、調一體化，這些雨水利用措施都在減緩甚至防止城市內澇上發揮了作用。
國內對內澇治理的研究雖然相對較晚，但發展速度卻較快。我國于90年代引入內澇模型，以岑國平、劉樹坤等為代表的學者以二維非恒定流理論為基礎自主研發了洪水演進數值模型。上海、天津、東莞等城市利用水動力模型對城市內澇情況進行模擬，并在此基礎上做了一系列暴雨監測與預警平臺，如上海市暴雨預警平臺，天津市暴雨瀝澇仿真系統以及東莞城區的內澇預報預警系統等。南京，南昌等城市對內澇風險災害進行風險評估，利用水動力模型對管網進行排水能力分析，進而對管網進行改造規劃分析等。目前，已有廣東、湖北、山西等多個省份建立了城市排水防澇設施普查信息平臺，另有一些城市結合在線監測技術與GIS以及云平臺展開排水在線監測系統及平臺的研發，并分批投入使用，為后期模擬評估管網提供實時數據，如鎮江市雨污水實時監測和自動控制系統，徐州市供排水在線監測系統等。
表1 我國近年典型城市內澇災害事件
城市內澇治理解決方案
對于城市內澇治理這一問題，各大城市做了巨大的努力，以武漢市為例，早在2012年，武漢就成立專項規劃小組對武漢建立排水系統模擬平臺，探索雨水管理的有效方法和手段，充分發揮排水設施能力，實現排水系統的優化調度。然而這一系列的措施仍然沒能抵擋住2016年7月的連續暴雨天氣給武漢帶來的慘重損失，江河漫灌，舉村遷移，實在令人痛心。那么我們在治理內澇時究竟面臨著哪些難點呢？又該如何利用現有的技術去積極的應對這樣的災害事件呢？
1、治理難點與解決對策
排水普查建庫尚未完善，缺乏標準化管理。排水設施普查、建立標準化的排水防澇設施標準數據庫，是智慧排水管理順利開展的前提條件。隨著經濟發展和城市人口的增加，城市排水設施數量越來越多，地下管網的結構也越來越復雜，導致難以掌握現狀管線的數量與空間位置信息，在城市規劃與建設中缺乏對現狀管線的可視化管理與分析。針對這一問題，應摸清家底，將排水普查的數據錄入排水防澇數字信息化建設數據庫中，擬定符合城市實際的排水防澇設施數據標準規范，建立城市排水防澇設施普查子系統，提供設施普查管理建庫的能力，為排水防澇規劃設計提供支撐。
內澇監控設施不足。多數城市存在內澇監測設施缺乏，對內澇點摸底不全面，沒有對現有的監測設施成果進行資源整合利用的問題。監控設施采購資金投入量大，短期內難以對全市范圍內的內澇黑點進行傳感器的布設。針對這一問題，應對城市內澇黑點進行進行等級劃分，對內澇最嚴重的地區進行優先布設監測設施，包括地面監測設備布設和地下管網監測設施布設。充分利用物聯網技術和多源數據整合技術，將已有的監測設備的監測數據與新增監測設施數據整合到排水防澇管控平臺中進行統一管理和分析。
管理體系不完善。數據資料及技術知識的缺失、專業人員的抵觸、規范標準的不足，包括設施設計是以洪澇安全還是以環境效益為最終目標的困惑，等等?，F代城市的內澇防治體系，包括源頭控制、徑流過程控制、排水終端控制等一整套系統，而不僅僅是排水。城市缺少現代化內澇防治體系，也不僅僅是管網建設不足，還包括蓄、滯、分、滲、調等綜合性手段，以及一系列法規、政策的調整。針對這一問題，建設一個符合城市排水信息化管理的排水信息化管控平臺以及一套可靠的管理制度，是輔助城市排水防澇工作者進行排水業務科學管理的有效途徑。
圖1 年際暴雨雨日/年際暴雨雨強統計圖（史培軍等，2014）
圖2 城市化前后雨洪過程對比圖
缺乏科學指導的規劃與應急。目前市政排水管網規劃和設計仍存在著諸多問題，例如：重力流和短管壓力流兩種方式進行排水工程設計不能滿足規劃的年限；排水中的具體市政排水量沒有進行具體的測算，排水管網管徑設計不合理，設計的管徑和坡度偏小，沒有充分考慮歷年的排水流量等。針對這些問題，應通過雨水徑流控制的“慢排緩釋”和“源頭分散”設計理念來改變以往城市排水防澇設施設計思路，達到從源頭開始控制的目標。在技術應用上，可采用水力模型技術，結合物聯網監測，進行排水系統的排水能力評估、內澇風險評估，為管網規劃、設計、改造提供決策依據。
圖3 排水防澇典型技術架構圖
2、典型技術方法
城市排水系統是一個系統性的工程，內澇的發生往往是由于系統工程中的某一些管道連接情況出現問題，解決這一短板問題，則需要進行城市智慧排水建設，能夠智能定位到短板位置，并進行區域性優化，從而使整個排水系統能夠得到修正與完善。而解決城市智慧排水建設的關鍵技術可概括為三點——物聯、互聯、智能。
排水設施等基礎數據是建設的底層需求，建立標準化的排水防澇設施標準數據庫，是保障后期建設內容順利開展的前提條件。數據完善入庫后，建立工作網絡，使得各個排水相關工作部門能夠共享數據，形成工作聯動機制，同時建立應用服務平臺，使其為決策支持的各種子系統提供運行基礎。
建設物聯網平臺，是排水管線感知網絡開放集成度低的解決之道。大城市或特大城市的各種管線中，歷史上已經安裝了大量的不同年代、不同數據采集與傳輸方式的各種傳感器，如流量傳感器、水位傳感器、壓力傳感器等這些數據的集成、整合應用是智慧排水的關鍵技術挑戰。
在水務數據生產和共享都日趨成熟的大環境下，基于云服務平臺與物聯網技術，采用水力模型進行模擬分析，為城市提供基于水力模型的城市內澇預警，風險分析，工程改造評估的模型應用服務，助力海綿城市建設。利用GIS云，實現水務數據的云存儲、云計算、科學管理和快速共享，并且大大提高了水力模型的運行速度，為城市內澇應急、設施管理、工程改造等提供專業服務。
利用現有智能通訊設備，可掌握排水設施實時運行狀態，可進行排水防澇多部門聯動，實現排水管理、排水應急搶險的上傳下達，智能化處理內澇災情，最快最大化減少內澇災害損失。
文｜廣州奧格智能科技有限公司
要讓“城市看?！背蔀橥?，既需要完善排水設施設計標準，督促地方政府改變“重地上輕地下”的城市發展觀念，更需要將物聯網、地理信息等技術應用在城市排水防澇中，實現城市排水數據管理、運行服務、監測預警、綜合監管、應急決策一體化的管理，構建排水行業監管的新模式，以提高城市防災減災能力和安全保障水平。
在全球氣候變化的大背景下，極端降雨事件在各大城市頻發，我國城市化進程又不斷加快，地下現有排澇工程體系相對落后，跟不上社會快速發展的排水需要，導致城市內澇問題尤為突出，嚴重制約了我國社會經濟的可持續發展，阻礙了城市正常運行和管理。十多年來，國家投入了大量的人力物力財力治理城市內澇，各個城市也做出了很多努力，但是逢雨必澇的問題依然存在于很多城市。
內澇現狀
近年來，國家各大城市暴雨頻發，廣州，北京、南京、武漢、杭州、深圳、上海等地尤為嚴重，城市看海的新聞報道層出不窮。2011年，住房和城鄉建設部對全國351座城市進行了調研，結果表明，在2008年～2010年3年間，62%城市發生過內澇，39%城市內澇災害超3次，53%城市目前沒有達到國家防澇標準，79%非農業人口達150萬以上的特大城市沒有達到國家防澇標準。另據國家防汛抗旱總指揮部副主任張家團介紹，2012、2013、2014這三年，平均每年100多個城市受到外洪內澇的威脅，2012年有184座城市發生內澇，2013年234座城市內澇，2014年125座城市內澇，包括北京、上海、廣州、南京、武漢、太原這樣的大城市。城市內澇問題不僅嚴重影響了城市的正常生活秩序，也造成了社會民眾嚴重的生命財產損失。
國內外研究治理現狀
國外發達國家城市化現象出現較早，對城市水澇災害風險特性和演變規律、城市水澇災害綜合防治對策研究起步較早。國外城市的排水標準普遍高于國內城市，比如紐約的排水標準約為10～15年一遇的標準，東京5～10年一遇的標準，在排水系統建設方面，東京的地下宮殿式排水系統，能夠保持強大的排水防澇功能，德國柏林建立分立式排水系統，徹底實現雨污分流，避免大雨時洪澇泛濫。在提高排水設施的排水防澇能力的同時，一些發達國家也研究開發了暴雨模型，用于模擬雨水在地表以及管網的運動情況，比如美國環保署的SWMM，英國公路研究所的TRRL，丹麥水力研究所DHI開發的Mike等軟件，這些模型軟件成功運用到了城市防洪排澇以及排水系統規劃中。美國率先利用“3S”技術建立洪水預警系統；英國于2009年建立首個洪水預報中心，實現對洪澇災害及時準確的預警和控制，在防治內澇的同時這些國家也開始研究雨水利用問題，比如英國提出可持續排水系統技術來收集利用雨水，美國制定大小兩個暴雨排水系統并設計最佳管理措施對雨水進行控制，后經過改進產生了低影響開發理念，講究雨水的蓄、滯、分、滲、調一體化，這些雨水利用措施都在減緩甚至防止城市內澇上發揮了作用。
國內對內澇治理的研究雖然相對較晚，但發展速度卻較快。我國于90年代引入內澇模型，以岑國平、劉樹坤等為代表的學者以二維非恒定流理論為基礎自主研發了洪水演進數值模型。上海、天津、東莞等城市利用水動力模型對城市內澇情況進行模擬，并在此基礎上做了一系列暴雨監測與預警平臺，如上海市暴雨預警平臺，天津市暴雨瀝澇仿真系統以及東莞城區的內澇預報預警系統等。南京，南昌等城市對內澇風險災害進行風險評估，利用水動力模型對管網進行排水能力分析，進而對管網進行改造規劃分析等。目前，已有廣東、湖北、山西等多個省份建立了城市排水防澇設施普查信息平臺，另有一些城市結合在線監測技術與GIS以及云平臺展開排水在線監測系統及平臺的研發，并分批投入使用，為后期模擬評估管網提供實時數據，如鎮江市雨污水實時監測和自動控制系統，徐州市供排水在線監測系統等。
表1 我國近年典型城市內澇災害事件
城市內澇治理解決方案
對于城市內澇治理這一問題，各大城市做了巨大的努力，以武漢市為例，早在2012年，武漢就成立專項規劃小組對武漢建立排水系統模擬平臺，探索雨水管理的有效方法和手段，充分發揮排水設施能力，實現排水系統的優化調度。然而這一系列的措施仍然沒能抵擋住2016年7月的連續暴雨天氣給武漢帶來的慘重損失，江河漫灌，舉村遷移，實在令人痛心。那么我們在治理內澇時究竟面臨著哪些難點呢？又該如何利用現有的技術去積極的應對這樣的災害事件呢？
1、治理難點與解決對策
排水普查建庫尚未完善，缺乏標準化管理。排水設施普查、建立標準化的排水防澇設施標準數據庫，是智慧排水管理順利開展的前提條件。隨著經濟發展和城市人口的增加，城市排水設施數量越來越多，地下管網的結構也越來越復雜，導致難以掌握現狀管線的數量與空間位置信息，在城市規劃與建設中缺乏對現狀管線的可視化管理與分析。針對這一問題，應摸清家底，將排水普查的數據錄入排水防澇數字信息化建設數據庫中，擬定符合城市實際的排水防澇設施數據標準規范，建立城市排水防澇設施普查子系統，提供設施普查管理建庫的能力，為排水防澇規劃設計提供支撐。
內澇監控設施不足。多數城市存在內澇監測設施缺乏，對內澇點摸底不全面，沒有對現有的監測設施成果進行資源整合利用的問題。監控設施采購資金投入量大，短期內難以對全市范圍內的內澇黑點進行傳感器的布設。針對這一問題，應對城市內澇黑點進行進行等級劃分，對內澇最嚴重的地區進行優先布設監測設施，包括地面監測設備布設和地下管網監測設施布設。充分利用物聯網技術和多源數據整合技術，將已有的監測設備的監測數據與新增監測設施數據整合到排水防澇管控平臺中進行統一管理和分析。
管理體系不完善。數據資料及技術知識的缺失、專業人員的抵觸、規范標準的不足，包括設施設計是以洪澇安全還是以環境效益為最終目標的困惑，等等?，F代城市的內澇防治體系，包括源頭控制、徑流過程控制、排水終端控制等一整套系統，而不僅僅是排水。城市缺少現代化內澇防治體系，也不僅僅是管網建設不足，還包括蓄、滯、分、滲、調等綜合性手段，以及一系列法規、政策的調整。針對這一問題，建設一個符合城市排水信息化管理的排水信息化管控平臺以及一套可靠的管理制度，是輔助城市排水防澇工作者進行排水業務科學管理的有效途徑。
圖1 年際暴雨雨日/年際暴雨雨強統計圖（史培軍等，2014）
圖2 城市化前后雨洪過程對比圖
缺乏科學指導的規劃與應急。目前市政排水管網規劃和設計仍存在著諸多問題，例如：重力流和短管壓力流兩種方式進行排水工程設計不能滿足規劃的年限；排水中的具體市政排水量沒有進行具體的測算，排水管網管徑設計不合理，設計的管徑和坡度偏小，沒有充分考慮歷年的排水流量等。針對這些問題，應通過雨水徑流控制的“慢排緩釋”和“源頭分散”設計理念來改變以往城市排水防澇設施設計思路，達到從源頭開始控制的目標。在技術應用上，可采用水力模型技術，結合物聯網監測，進行排水系統的排水能力評估、內澇風險評估，為管網規劃、設計、改造提供決策依據。
圖3 排水防澇典型技術架構圖
2、典型技術方法
城市排水系統是一個系統性的工程，內澇的發生往往是由于系統工程中的某一些管道連接情況出現問題，解決這一短板問題，則需要進行城市智慧排水建設，能夠智能定位到短板位置，并進行區域性優化，從而使整個排水系統能夠得到修正與完善。而解決城市智慧排水建設的關鍵技術可概括為三點——物聯、互聯、智能。
排水設施等基礎數據是建設的底層需求，建立標準化的排水防澇設施標準數據庫，是保障后期建設內容順利開展的前提條件。數據完善入庫后，建立工作網絡，使得各個排水相關工作部門能夠共享數據，形成工作聯動機制，同時建立應用服務平臺，使其為決策支持的各種子系統提供運行基礎。
建設物聯網平臺，是排水管線感知網絡開放集成度低的解決之道。大城市或特大城市的各種管線中，歷史上已經安裝了大量的不同年代、不同數據采集與傳輸方式的各種傳感器，如流量傳感器、水位傳感器、壓力傳感器等這些數據的集成、整合應用是智慧排水的關鍵技術挑戰。
在水務數據生產和共享都日趨成熟的大環境下，基于云服務平臺與物聯網技術，采用水力模型進行模擬分析，為城市提供基于水力模型的城市內澇預警，風險分析，工程改造評估的模型應用服務，助力海綿城市建設。利用GIS云，實現水務數據的云存儲、云計算、科學管理和快速共享，并且大大提高了水力模型的運行速度，為城市內澇應急、設施管理、工程改造等提供專業服務。
利用現有智能通訊設備，可掌握排水設施實時運行狀態，可進行排水防澇多部門聯動，實現排水管理、排水應急搶險的上傳下達，智能化處理內澇災情，最快最大化減少內澇災害損失。
