鎮江：探索智慧水務建設

文｜胡堅 王浩正 張磊 王燕 佘年

江蘇省鎮江市作為首批海綿試點城市，試點建設區域位于主城區，總面積為22km2，人口約27.6萬。試點區大部分為高密度老城區，地表硬化率高。試點區管網老舊、標準偏低，面源污染和內澇問題均比較突出。相對于新建城區，老城區海綿城市規劃和建設難度更大。因此，在鎮江市供排水數字化系統的基礎上，綜合應用地理信息、在線監測、自動化控制、計算機模型等技術建設鎮江市智慧海綿城市系統，為城市水務管理者在海綿城市規劃、設計、工程建設和運營管養等各階段提供科學的輔助決策手段，提升鎮江市水務管理的智慧化水平。

智慧化技術應用

1、監測系統建設

海綿城市的監測需要實現對局部和整體建設效果的評估，為目標監管和運營管養提供決策支持。因此，主要監測內容應包括降雨量監測、受納水體監測、市政管網監測、海綿設施監測、下墊面監測。鎮江市海綿城市監測依據以下原則進行布點：雨量監測。按照每5平方公里一個雨量計的原則盡可能均勻布置雨量計，以獲得更準確的雨量及模型輸入數據；受納水體監測。通過三條河道的水量和水質監測，掌握示范區整體的徑流量削減水平和徑流污染控制水平；市政管網監測。通過市政管網關鍵節點水量和水質監測，掌握典型區域海綿設施運行整體效果；海綿設施監測。通過典型海綿設施出入口水量和水質監測，掌握典型設施的徑流量控制效果和面源污染削減能力；下墊面監測。通過典型下墊面水量水質監測和掌握典型下墊面的產流規律、面源污染負荷水平及初期雨水污染規律。通過以上五級監測，可科學全面的分析鎮江市海綿城市實施效果。排水管道的很多監測設備成本較高，在以上5類監測點布局時，需合理選擇監測點位，實現對典型設施、典型項目、典型區塊的監測，并以以點帶面的方法進行系統評估，但應做可靠性驗證工作，以最少的數據實現最佳的評估效果。

圖1 鎮江市海綿試點區排水管網模型

圖2 鎮江市金山湖流域水質模型

圖3 智慧海綿系統MEAN架構

2、模擬技術

水文水力和水質模型在城市水務管理中得到了越來越多的重視和應用，是水務數字化系統向智慧化升級的重要工具。鎮江市主要構建了管網模型、流域模型和水質模型三類模型，主要用于總體方案頂層設計，設計方案評估、城市內澇預警和水務系統調度分析等管理工作的決策支持。

3、MEAN架構

智慧海綿系統服務用戶眾多，涉及不同來源的海量數據，是一個基于網絡數據服務的平臺，因此，采用B/S作為總體軟件架構便于集成各類數據，保持客戶端的輕量化和友好化。軟件開發采用MEAN架構，即MongoDB+Express+Angul arJS+Node.js。MongoDB作為平臺數據庫，適合于海綿城市建設過程的海量數據管理，MongoDB的Sharding集群具備大數據存儲與分析能力；Node.js與Express搭建平臺后臺服務，輕量高效，是數據密集型分布式部署環境下實時應用系統的完美解決方案； AngularJS是基于Html5的前臺框架，數據雙向綁定、模塊化設計、語義化標簽等特性，結合BootStrap，能夠基于海綿業務功能需求快速搭建與開發友好美觀的用戶交互界面。

系統主要功能

鎮江市在海綿城市建設前，已經進行了供排水數字化系統的建設，進行了供排水數據的數字化管理和主要業務的電子化辦公，并且在防汛應急指揮管理等業務采用監測、模型和移動終端等技術進行了智慧化探索。智慧海綿系統的建設是在海綿城市建設背景下，基于新的工程規劃、設計、建設和管理特點，在供排水數字化基礎上進行的智慧化探索。提升監測和模型在水務管理中的應用水平。實現海綿城市相關數據與供排水數據的整合，實現海綿城市建設目標自上而下的管理，實現項目建設全生命周期的輔助決策，實現海綿設施與傳統排水設施的有序運行和聯合調度。

1、海綿地圖

海綿城市建設的空間維度，涉及從城市到排水分區，到項目，再到單體設施的逐級深入的體系。將大量散落的數據利用空間信息進行有序的整合和管理，并開發相關的信息可視化、查詢和分析功能，對于海綿城市管理過程的各項業務都具有重要的意義。

鎮江市智慧海綿城市系統的海綿地圖功能實現了不同來源（手動填報、實時監測等），不同類型數據（數字、照片、視頻等）在一張圖上的展示和查詢，并為其他業務管理模塊提供基本的地圖服務。

2、建設目標管理

區別于傳統排水以快排為目的的設計和管理，海綿城市是一個多目標的系統，目標和工程之間不是簡單的疊加關系，傳統的推理公式法采用的簡單計算無法體現這種非線性關系，無法實現目標的科學分解。計算機模型的發展為解決復雜的非線性問題提供了科學的工具。在規劃階段，利用模型，基于TMDL思路，將鎮江市海綿城市徑流控制、面源污染治理等指標分解到源頭、過程、末端和水體四類工程項目中，明確各階段的目標，并建立可動態維護的項目庫，當單個項目目標發生變化時，系統可自動判別是否滿足總體控制目標。

在建設階段，對建設效果進行科學評估，是保障項目達到設計目標的重要工作。依據住房和城鄉建設部《海綿城市建設績效評價與考核辦法（試行）》（2015年7月）第五條，從水生態、水環境、水資源、水安全、制度建設及執行情況、顯示度六方面對鎮江市海綿城市實施效果進行跟蹤、評價與展示，實現利用竣工圖、模型和監測數據多種不同方法進行從單個項目、到排水分區再到示范區整體海綿建設效果的自動化評估。

3、建設項目管理

建設項目管理主要實現海綿城市從規劃、設計、施工到管養全生命周期的電子化管理，記錄海綿城市工程設計、建設和養護過程的全部重要信息，進行設計方案的自動評估，建立隱蔽性工程建設過程可追溯機制，通過電子化管理提高管養的效率和科學性，保障設施高效運行。如源頭綠色項目設計過程中對設計方案的評估界面，設計人員在提交相關文檔后，只需按要求格式上傳設施列表和對應的匯水區列表，系統會自動計算項目的合理性。可極大提高審圖部門的評審效率。

海綿城市中源頭綠色設施的建設主要為低影響開發工程，該類設施對施工要求高，任何細節和工序的錯誤都可能導致工程無法達到設計要求，或產生其他危害。比如，滲透性設施距離建筑物地基不得小于3米。這些要求需要在項目建設過程進行監管。在鎮江海綿城市建設過程中，將施工流程標準化，并要求施工人員對關鍵階段信息進行采集和填報，極大的提高了驗收人員的工作效率和成果驗收的的科學性，使得隱蔽工程不再隱蔽。通過對施工過程關鍵細節的監管，保障設施達到設計效果。

圖4 鎮江市海綿城市聯合調度主界面

4、海綿系統運行管理

海綿城市建設，尤其是在老城區合流制溢流污染嚴重的地區，海綿城市建設應采用灰綠結合的手段，綠色手段主要指低影響開發技術，包括源頭的雨水花園、生態草溝，末端的濕塘等，灰色手段主要為傳統的鋼筋混凝土機構的設施，包括地下管道、調蓄池等。這些新建設施之間，新建設施與原有的城市排水系統之間都存在聯動關系，通過對系統合理的調度可有效減少合流制溢流污染，最大限度的發揮設施的使用效率。國外很多城市都采用實時控制的方法進行合流制溢流污染頻率削減的管理。鎮江市智慧海綿城市系統將建立具有自動學習功能的運行機制。主要原理為：首先采用模擬技術進行初始調度策略/規則的制定。將初始策略作為先驗策略/規則，同時，利用監測對每次調度進行評估，將更優化的策略/規則作為后驗策略/規則加入控制策略庫，并作為下一次調度的先驗策略/規則。通過以上過程逐步實現控制策略/規則的優化和自動運行。

技術的發展為水務管理方式的變革提供了必備條件，為保障海綿城市基礎設施全生命周期高效運行提供了保障。鎮江市在數字供排水系統的基礎上，采用模擬技術、在線監測技術和大數據技術建立智慧海綿城市系統，實現海綿相關數據的一張圖維護，海綿建設目標的科學評估和動態管理，項目全過程的電子化監控，以及新建海綿設施與已有排水系統之間的聯合調度運行，將全面保障城市水安全和水環境。