摘要：本文以西安某園區(qū)為例，探討了基于海綿城市理念的智慧水務(wù)解決方案，并且評(píng)估了智慧水務(wù)的效果。智慧水務(wù)由感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和智能分析層構(gòu)成，其中計(jì)算機(jī)模型包含水動(dòng)力模型、內(nèi)澇模型和活性污泥模型。智慧水務(wù)系統(tǒng)可為該園區(qū)水景實(shí)現(xiàn)水質(zhì)和水量的正常供應(yīng)，以及景區(qū)內(nèi)內(nèi)澇預(yù)警和調(diào)劑功能，提高了決策支持系統(tǒng)和智慧水務(wù)沙盤...
1、項(xiàng)目背景
園區(qū)位于西安周邊，總面積14.09 km2，基本呈矩形，見圖1。
根據(jù)規(guī)劃，園區(qū)污水處理廠出水須達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，即100%須進(jìn)行深度處理，此標(biāo)準(zhǔn)幾乎等同于再生水水質(zhì)指標(biāo)。故再生水處理率為100%，其可利用規(guī)模為2萬m3/d。再生水的回用有3個(gè)去處：農(nóng)田灌溉、城市綠化用水和河道景觀補(bǔ)水，規(guī)劃園區(qū)景觀水體補(bǔ)水水源為再生水，不低于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，由于再生水執(zhí)行的是一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其中的各項(xiàng)污染物指標(biāo)仍然高于地表水劣Ⅴ類水，需要對(duì)補(bǔ)水量和補(bǔ)水點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。
另外一方面，由于氣候變化導(dǎo)致極端氣候增加，要使得發(fā)生城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)（50年一遇24 h）以內(nèi)的暴雨時(shí)，城市不發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害，規(guī)劃整個(gè)園區(qū)設(shè)置1座雨水排澇泵站，規(guī)模9.0 m3/s。由于景觀水系中規(guī)劃了游船等設(shè)施，要求防澇標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，水系水面變化幅度盡可能小。
擬通過智慧水務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
（1）對(duì)園區(qū)的海綿城市的規(guī)劃進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)園區(qū)水務(wù)管理智慧化。
（2）利用數(shù)學(xué)模型的方法研究再生水污染物質(zhì)在景觀水系中的濃度分布，為補(bǔ)水量和補(bǔ)水點(diǎn)管理提供支撐依據(jù)。
（3）通過降雨徑流模型，管流模型，河道模型和二維地面漫流模型，模擬在不同降雨工況條件下，內(nèi)澇可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)雨水防澇泵站進(jìn)行管理，確保景觀水系水位穩(wěn)定，以利旅游開發(fā)。
（4）對(duì)于建設(shè)好的設(shè)施和設(shè)備進(jìn)行合適的調(diào)度運(yùn)營，搭建基于海綿城市設(shè)施的傳感器，通訊網(wǎng)絡(luò)，水文模型的智慧水務(wù)系統(tǒng)，本研究對(duì)此智慧水務(wù)系統(tǒng)的效果做了初步展望。
2、園區(qū)智慧水務(wù)方案
結(jié)合園區(qū)海綿城市監(jiān)督與考核需求，園區(qū)智慧水務(wù)規(guī)劃建設(shè)相關(guān)信息化系統(tǒng)，信息化系統(tǒng)將按照總體規(guī)劃、分步實(shí)施、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、信息公開、資源共享的原則逐步發(fā)展成為一個(gè)綜合的智慧水務(wù)管理平臺(tái)。系統(tǒng)將以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的控制方式管理供排水系統(tǒng)的整個(gè)生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，以流程標(biāo)準(zhǔn)化、管理精細(xì)化和決策智能化為建設(shè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供排水設(shè)施的全面、動(dòng)態(tài)化管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控排水管網(wǎng)的關(guān)鍵點(diǎn)、自動(dòng)預(yù)警等。充分利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云技術(shù)，進(jìn)行服務(wù)效能整合與升級(jí)、加強(qiáng)資源整合與共享，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高資產(chǎn)運(yùn)維管理效率，進(jìn)而提高水務(wù)行業(yè)的信息化管理水平。智慧水務(wù)監(jiān)控中心及相應(yīng)沙盤規(guī)劃設(shè)置在規(guī)劃展覽館內(nèi)。
2.1智慧水務(wù)特點(diǎn)
作為有效提升園區(qū)水務(wù)管理和服務(wù)水平的創(chuàng)新技術(shù)，園區(qū)智慧水務(wù)方案具有以下區(qū)別與傳統(tǒng)的水務(wù)管理模式的特點(diǎn)：
（1）支持更全面的感知。通過運(yùn)用各種感知技術(shù)，全面感知園區(qū)的各個(gè)方面水務(wù)和海綿的相關(guān)信息，通過遍布于園區(qū)所有涉水區(qū)域，尤其是海綿設(shè)施、污水處理廠、泵站、管網(wǎng)、下立交、河道等關(guān)鍵區(qū)域的傳感器與智能設(shè)備將組成物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)對(duì)水資源流動(dòng)全過程進(jìn)行測量、監(jiān)控與分析，做到變被動(dòng)為主動(dòng)、全面感知。
（2）支持更廣泛的互聯(lián)互通。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)、通信、交互、集成、移動(dòng)等技術(shù)，信息孤島和業(yè)務(wù)隔閡將被打通，實(shí)現(xiàn)涉水信息之間的無縫連接，從供水到排水，從排水到污水處理，從污水處理到中水，從中水到河水，從河水到雨水，從雨水到水資源，整個(gè)的水體循環(huán)都能夠在智慧水務(wù)里面進(jìn)行互聯(lián)互通，有利于園區(qū)水務(wù)運(yùn)營管理者掌握水務(wù)運(yùn)營管理全貌，也有利于當(dāng)?shù)鼐用癖憬萁邮招畔?，最終達(dá)到水務(wù)管理與服務(wù)的有機(jī)、協(xié)同化運(yùn)作。
（3）支持更深入的智能決策。智能決策不是某個(gè)環(huán)節(jié)的智能化，而是深入結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)，為水務(wù)運(yùn)行管理工作提供強(qiáng)大的決策支持，強(qiáng)化水務(wù)運(yùn)行管理的科學(xué)性和前瞻性。同時(shí)，智能決策還意味著系統(tǒng)對(duì)某些事態(tài)進(jìn)行預(yù)處理并自主做出決策。
（4）支持更主動(dòng)的公眾服務(wù)。利用物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，使相關(guān)服務(wù)信息能夠迅速傳遞到每個(gè)需要知悉的人員以達(dá)到系統(tǒng)支撐的更主動(dòng)的公眾服務(wù)。通過智能服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)，使整個(gè)服務(wù)過程可視化、可管理、可追溯，實(shí)現(xiàn)社會(huì)服務(wù)的主動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)公眾服務(wù)能力提升的有力保障。
2.2園區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成
智慧水務(wù)信息系統(tǒng)采用多層結(jié)構(gòu)與具體應(yīng)用支撐相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，分別是感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和智能分析層。
2.2.1感知層
感知層作為信息采集、交換服務(wù)的基礎(chǔ)，通過覆蓋園區(qū)的監(jiān)測設(shè)備、移動(dòng)終端、傳感器成為為智慧大腦提供外部信息的感官觸角，在智慧水務(wù)建設(shè)中具有基礎(chǔ)性地位。本項(xiàng)目感知層—涉水監(jiān)測體系中，測量儀器有多個(gè)模塊，見表1。
2.2.2傳輸層—通信網(wǎng)絡(luò)
傳輸層通過互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息資源的高效共享和交換，針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)無線專網(wǎng)等不同范圍網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供相應(yīng)的隔離措施與安全保障。智慧水務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)主要是利用通信公司建立的移動(dòng)無線專網(wǎng)，結(jié)合園區(qū)的行業(yè)局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸和共享。
2.2.3數(shù)據(jù)層—涉水綜合數(shù)據(jù)管理
數(shù)據(jù)層完成對(duì)感知層來源數(shù)據(jù)、管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及其他平臺(tái)涉及數(shù)據(jù)的匯集、共建共享與更新維護(hù)，為上層業(yè)務(wù)集成與應(yīng)用提供完整的數(shù)據(jù)分析依據(jù)。在智能應(yīng)用層中對(duì)涉水業(yè)務(wù)的管理、運(yùn)營工作中各類事務(wù)特征和變化規(guī)律進(jìn)行抽象描述和規(guī)律研究，用系統(tǒng)功能滿足業(yè)務(wù)管理對(duì)智慧的需求，同時(shí)承載智慧水務(wù)系統(tǒng)的各類資源、目錄與存儲(chǔ)發(fā)布信息，為各相關(guān)用戶提供城市管理公共資源。
涉水綜合數(shù)據(jù)管理將基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一匯總，既可以對(duì)現(xiàn)有各業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)專題數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，又可無縫獲取智能應(yīng)用產(chǎn)生的各類決策支持信息，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)水務(wù)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)、匯集、共建共享與動(dòng)態(tài)更新。同時(shí)，還可通過智慧水務(wù)運(yùn)營管理平臺(tái)對(duì)城市綜合管理及其他市政領(lǐng)域（如燃?xì)?、照明等）進(jìn)行在線數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)、市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的交換與共享，以此滿足智慧城市遠(yuǎn)期發(fā)展的需要。
涉水綜合數(shù)據(jù)管理將充分考慮園區(qū)水務(wù)運(yùn)營服務(wù)模式和服務(wù)內(nèi)容的實(shí)際需求，在不改變原有數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)的情況下，有效解決多源、異構(gòu)和海量數(shù)據(jù)的交換和共享。通過Web Service技術(shù)和基于JSON、XML格式的數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范接口，遵循OGC的WMS網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)與WFS網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，解決了異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的互通互訪，能夠提供排水?dāng)?shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)、業(yè)務(wù)位置服務(wù)、服務(wù)管理以及多場景可擴(kuò)展的SOAP和REST的訪問接口系統(tǒng)框架，為智慧水務(wù)應(yīng)用的構(gòu)建提供了理想的數(shù)據(jù)和功能環(huán)境。
2.2.4業(yè)務(wù)層—業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)
智慧水務(wù)業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)包括GIS（Geographis Information System）系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、模擬方案管理系統(tǒng)和智能分析層。
2.2.4.1GIS系統(tǒng)
水務(wù)GIS系統(tǒng)的建設(shè)是智慧水務(wù)的基礎(chǔ)。該GIS系統(tǒng)的建設(shè)是基于對(duì)對(duì)污水管線、雨水管線、中水管線以及相關(guān)資料的信息化基礎(chǔ)之上。根據(jù)該GIS系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)管線資料高效率的保存、修改、增添、刪除和轉(zhuǎn)移等基本管理工作，還可以實(shí)現(xiàn)與其他GIS系統(tǒng)，如道路GIS系統(tǒng)、煤氣GIS系統(tǒng)、電信GIS系統(tǒng)和城市規(guī)劃GIS系統(tǒng)等的完美整合，提高整個(gè)城市管理和建設(shè)的效率，促進(jìn)城市資源的優(yōu)化配置。水務(wù)GIS系統(tǒng)可以為高級(jí)水務(wù)模型的開發(fā)和建設(shè)提供源源不斷的數(shù)據(jù)，是智慧水務(wù)建設(shè)的下層物質(zhì)基礎(chǔ)。目前西咸智慧水務(wù)的建設(shè)需要依靠比較完善的水務(wù)GIS系統(tǒng)，但是水務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施與其他城市基礎(chǔ)設(shè)施息息相關(guān)，如在管網(wǎng)中增添某一泵站，可能促進(jìn)整個(gè)供水系統(tǒng)的能量優(yōu)化，但是泵站的建設(shè)可能受制于當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)資源的供給或土地資源的供應(yīng)等。在智慧城市建設(shè)的大背景下，完成各行業(yè)GIS的構(gòu)建以及這些GIS系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享和決策統(tǒng)一，將任重道遠(yuǎn)。西咸智慧水務(wù)項(xiàng)目建設(shè)需要GIS系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)及智能應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行高度的集成和融合，最大程度實(shí)現(xiàn)信息流通與共享，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度的數(shù)據(jù)分析和挖掘，支撐起更高層次的智慧應(yīng)用。
2.2.4.2數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)
對(duì)于智慧水務(wù)系統(tǒng)來說，僅僅是視頻信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，必須建立一套完整的排水?dāng)?shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，將感知層中的水位、流量、雨量、水泵運(yùn)行參數(shù)等信息進(jìn)行收集與管理，為智慧分析與應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。
2.2.4.3模擬方案管理系統(tǒng)
模擬方案管理系統(tǒng)是面向?qū)I(yè)技術(shù)人員的數(shù)學(xué)模型后臺(tái)管理工具。因?yàn)閷I(yè)的數(shù)學(xué)模型軟件界面比較復(fù)雜，參數(shù)信息繁多，對(duì)于業(yè)務(wù)人員來說操作難度較大，因此該系統(tǒng)通過簡化的系統(tǒng)界面將復(fù)雜的模型作業(yè)過程進(jìn)行了簡化，在直觀的方案管理體系中對(duì)模型方案進(jìn)行編制與修改，是進(jìn)行模型搭建與編制、模型系統(tǒng)化應(yīng)用和水務(wù)管理模擬與分析的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)不僅可以導(dǎo)入用戶自己編制的各類方案，并且可以從在線系統(tǒng)中抓取快照，構(gòu)建各種類型應(yīng)用的離線模型方案，不管是模型專家還是普通技術(shù)人員都可以在此系統(tǒng)上借助管網(wǎng)模型進(jìn)行各種方案編制與專業(yè)分析，通過智能應(yīng)用層面的各類子系統(tǒng)功能可以全面了解現(xiàn)狀管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，評(píng)價(jià)管網(wǎng)改造、更新設(shè)計(jì)方案的合理性，評(píng)估調(diào)度方案的可行性等，為管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性提供支撐保證。
2.2.5智能分析層
智能分析層作為智慧排水系統(tǒng)中的核心計(jì)算“大腦”，為系統(tǒng)提供了基于各類數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)信息以邊界條件、約束條件及運(yùn)行目標(biāo)等綜合因素的“思考”能力，為數(shù)據(jù)的深度挖掘進(jìn)而產(chǎn)生有價(jià)值的信息提供了核心計(jì)算能力，并能充分結(jié)合業(yè)務(wù)專家經(jīng)驗(yàn)及其他人工智慧信息為排水系統(tǒng)的調(diào)度管理及運(yùn)營決策提供更智能的優(yōu)化措施建議，通過其他智能應(yīng)用子系統(tǒng)將“思考”成果推送到智慧水務(wù)系統(tǒng)的各個(gè)方面。
智能分析層包括了數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用、水力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型建設(shè)、沙河智能補(bǔ)水控制系統(tǒng)、西咸初期雨水及海綿城市監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)以及污水處理廠全流程優(yōu)化運(yùn)行控制五大方面的內(nèi)容，通過系統(tǒng)集成策略將與智能應(yīng)用的各個(gè)方面有效結(jié)合起來，形成各個(gè)方向的智能應(yīng)用的有力技術(shù)支撐。
2.3智慧水務(wù)系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)
智慧水務(wù)系統(tǒng)最終達(dá)到的目標(biāo)如下：
（1）實(shí)現(xiàn)污水處理廠全廠優(yōu)化運(yùn)行，保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)，最大程度地減少能耗；
（2）旱季污水處理廠的中水能夠補(bǔ)充沙河的景觀用水，并且保證景觀用水的水質(zhì)，同時(shí)，減少自來水補(bǔ)水和灃河水量的補(bǔ)給；
（3）智慧水務(wù)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)灃河的水質(zhì)和水位情況進(jìn)行優(yōu)化的補(bǔ)水補(bǔ)給；
（4）雨季海綿城市措施發(fā)揮作用，削減面源污染并且削減入河洪峰，并根據(jù)監(jiān)測大數(shù)據(jù)對(duì)海綿設(shè)施及進(jìn)行定期的維護(hù)和管理，保證海綿設(shè)施的正常工況運(yùn)行；
（5）雨季對(duì)公眾提供低洼積水點(diǎn)內(nèi)澇預(yù)警。
3、計(jì)算機(jī)模型技術(shù)在智慧水務(wù)系統(tǒng)中的作用
智慧水務(wù)中的智能分析層是智慧水務(wù)的核心，而其中的主要用于核心計(jì)算的工具是水文模型，在園區(qū)的智慧水務(wù)系統(tǒng)里面，主要使用的水文模型有：用于景觀水系水動(dòng)力水質(zhì)模擬的二維模型，用于城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警的內(nèi)澇模型以及污水處理廠的微生物活性污泥模型。
3.1水動(dòng)力模型
本項(xiàng)目中，水動(dòng)力模型使用某國際知名廠家開發(fā)的二維水流模擬軟件搭建了二維水動(dòng)力模型。對(duì)水質(zhì)環(huán)境的影響主要考慮工程后沙河內(nèi)換水速率和周期的計(jì)算。利用水質(zhì)模塊模擬示蹤劑擴(kuò)散過程和粒子追蹤過程。根據(jù)標(biāo)定示蹤劑的試驗(yàn)方法，來表征模型研究中河道內(nèi)的換水速率、換水周期以及可能的緩沖區(qū)、死水區(qū)的計(jì)算分析，建立總氮、總磷的擴(kuò)散、衰減模型，模擬換水期間濃度分布以及穩(wěn)定后的濃度分布。數(shù)值計(jì)算方法采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法，其具有計(jì)算速度快及復(fù)雜地形擬合較好等優(yōu)點(diǎn)。并保證物質(zhì)通量守恒。模型求解采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解，其優(yōu)點(diǎn)為計(jì)算速度較快，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以擬合復(fù)雜地形。在進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算時(shí)，依據(jù)工程區(qū)水下地形圖確定水深，并將水深換算至當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫妗Ｓ?jì)算網(wǎng)格由三角形單元構(gòu)成，這樣能較好的擬合岸線。依據(jù)研究的需要，采用不同的空間分辨率和網(wǎng)格尺度。為節(jié)約計(jì)算容量，節(jié)省時(shí)間，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行嵌套，單元格邊長約為10~15 m。所建數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 908個(gè)，單元總數(shù)為6 209個(gè)。水動(dòng)力模型邊界條件分為兩類：（1）上邊界條件：入流邊界條件，為補(bǔ)水流量；（2）蒸發(fā)/滲透邊界條件：西安地區(qū)屬于半干旱地區(qū)，蒸發(fā)旺盛。同時(shí)由于沙壤土質(zhì)的性質(zhì)，河道滲透嚴(yán)重。根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，取水的蒸發(fā)與滲漏速率為24.04 mm/d。該模型主要參數(shù)有糙率、渦粘系數(shù)和時(shí)間步長。糙率與河流水深、床面形態(tài)、植被條件等因素有關(guān)，本模型采用曼寧糙率系數(shù)為0.025。渦粘系數(shù)采用Smagorinsky公式估算，相應(yīng)Smagorinsky系數(shù)取值為0.25 m2/s。根據(jù)模型網(wǎng)格大小、水深條件動(dòng)態(tài)調(diào)整模型計(jì)算時(shí)間步長，使CFL數(shù)小于0.8，滿足模型穩(wěn)定的要求，計(jì)算時(shí)步長在0.01 ～ 30 s。
該模型模擬的成果如圖2所示。圖2a是在某補(bǔ)水方案條件下，景觀水體中的水流流速的流場分布，從流場分布圖可以了解到哪些區(qū)域換水是比較快的，哪些區(qū)域是緩沖區(qū)和死水區(qū)，基于這些信息可以采取相應(yīng)的措施。圖2b～2d是在某補(bǔ)水方案條件下，沙河的換水周期，在第0、15和30天，示蹤劑在沙河中的濃度分布，可以很好地對(duì)換水周期進(jìn)行指示。用來指導(dǎo)補(bǔ)水的水量和補(bǔ)水點(diǎn)的調(diào)整，以達(dá)到換水周期的要求。
3.2內(nèi)澇模型
園區(qū)內(nèi)澇模型包含一維管網(wǎng)模型、二維地表漫流模型、以及將一、二維因素綜合考慮的耦合模型。通過計(jì)算機(jī)模擬獲得雨水徑流的流態(tài)、水位變化、積水范圍和淹沒時(shí)間等信息，采用單一指標(biāo)或者多個(gè)指標(biāo)疊加，可以綜合評(píng)估城市內(nèi)澇災(zāi)害的危險(xiǎn)性；結(jié)合城市區(qū)域重要性和敏感性，也可以對(duì)城市進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分。
模型中應(yīng)用的降雨邊界條件主要包括短歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨和長歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨。設(shè)計(jì)暴雨選用模式雨型，短歷時(shí)降雨歷時(shí)為2 h，研究區(qū)域雨峰系數(shù)取定為0.4，降雨重現(xiàn)期分別為1年、2年、3年、5年、10年、20年、50年，降雨時(shí)間步長為5 min。長歷時(shí)降雨采用50年一遇24 h、100年一遇24 h 和300年一遇24 h設(shè)計(jì)降雨過程。根據(jù)提供的降雨規(guī)律分析得知長歷時(shí)24 h降雨的設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程，并根據(jù)不同重現(xiàn)期的總降雨量進(jìn)行分配得到不同重現(xiàn)期下的長歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨。
此模型既可在降雨條件下對(duì)園區(qū)內(nèi)的地面積水情況做出準(zhǔn)確的模擬，也可以模擬管網(wǎng)中的水動(dòng)力參數(shù)情況，包括流量和水位。其中管網(wǎng)的水動(dòng)力模塊計(jì)算的是非恒定流，計(jì)算建立于一維自由水面流的圣維南方程組，即連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）和動(dòng)量方程（動(dòng)量守恒—牛頓第二定律）。該方程采用Abbott六點(diǎn)隱式格式有限差分?jǐn)?shù)值求解，此計(jì)算方法可以自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長，并為分支或環(huán)型管網(wǎng)提供有效而準(zhǔn)確的解法。該計(jì)算方法適用于排水管道的有壓流和自由水面的垂向均勻流，大部分的水流現(xiàn)象如倒灌和溢流等都可以精確的模擬。
管網(wǎng)水動(dòng)力模型的參數(shù)設(shè)置，決定了模型模擬的準(zhǔn)確性。在一維管網(wǎng)水動(dòng)力模型中，主要涉及的參數(shù)有：平均坡面流速、模擬時(shí)間步長、管道曼寧數(shù)、檢查井局部水頭損失。這些參數(shù)包括模擬時(shí)間步長、平均坡面流速、管道曼寧數(shù)、檢查井局部水頭損失、和檢查井直徑等。該項(xiàng)目中，模擬時(shí)間根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性，自動(dòng)調(diào)節(jié)模擬步長，取值范圍為5~30 s，每一個(gè)集水區(qū)的平均流速，決定了該段管道的匯流時(shí)間，平均坡面流速設(shè)為0.3 m/s。對(duì)于管徑≤DN800的鋼筋混凝土管管道，曼寧數(shù)設(shè)為75；管徑≥DN1 000為高密度聚乙烯管，曼寧數(shù)設(shè)為100，忽略檢查井局部水頭損失，為確保管道的排水能力，設(shè)檢查井直徑為與相連接管道的最大直徑一致。耦合模型參數(shù)有耦合方式、最大入流量和耦合位置等，其中耦合方式采用二維地表與管網(wǎng)模型的水力交互方式，地表的最大入流量表示積水進(jìn)入和流出檢查井的最大入流量，設(shè)為0.2 m3/s，耦合位置指檢查井所在的地形網(wǎng)格。
圖3是在降雨條件下園區(qū)某區(qū)域的內(nèi)澇積水分布，包括重要積水點(diǎn)的水位過程和流量過程，以及重要管道的水位縱斷面，表2是基于內(nèi)澇模型，不同級(jí)別降雨重現(xiàn)期下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的面積統(tǒng)計(jì)。
3.3活性污泥模型
污水處理廠的模擬采用商業(yè)活性污泥模擬軟件進(jìn)行，該軟件是一個(gè)操作靈活、界面開放、功能強(qiáng)大的污水處理廠模擬軟件，可以構(gòu)建和模擬幾乎所有的污水處理工藝及構(gòu)造。基于該軟件建立污水處理廠生化處理工藝模型，可以有效評(píng)估污水處理廠運(yùn)行過程中存在的問題，提出優(yōu)化運(yùn)行的解決方案。此外，可以作為基層操作者和技術(shù)人員有效管理和控制污水處理廠的決策支持工具?？梢赃x擇污水廠的任意一組工藝進(jìn)行建模、模擬與測試。
圖4是在不同的污水處理廠的工藝參數(shù)條件組合下，通過軟件模擬得出的在滿足污水出水達(dá)標(biāo)前提下，能耗最節(jié)省的方案。該軟件在應(yīng)用過程中，包括4大模塊：①構(gòu)造污水處理工藝，包括反應(yīng)器的組合、流程連接和二沉池模型；②接著定義模型初始條件，包括確定模型類型、確定構(gòu)筑物的體積與流量以及模型參數(shù)的賦值；③進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，確定仿真初步條件，包括輸入穩(wěn)態(tài)入流水質(zhì)選定計(jì)算步長、對(duì)各池模型參數(shù)進(jìn)行參數(shù)賦值和模擬計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果；④動(dòng)態(tài)仿真模擬，在該模塊中，包括輸入污水廠動(dòng)態(tài)進(jìn)水水質(zhì)、模擬計(jì)算得到動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果和輸出圖形或數(shù)值結(jié)果。其中模擬結(jié)果需要與實(shí)際出水水質(zhì)進(jìn)行比較，如不一致（滿足一定精度要求）則進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析、過渡分析和模型調(diào)整與校正，當(dāng)模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致時(shí)，輸入動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果。通過該軟件生成多種解決方案進(jìn)而得出最優(yōu)方案。
4、智慧水務(wù)效果展示
智慧水務(wù)建成后主要展示部分為決策支持系統(tǒng)和智慧水務(wù)沙盤系統(tǒng)兩大內(nèi)容。
4.1決策支持系統(tǒng)
決策支持系統(tǒng)是園區(qū)的智慧水務(wù)的核心，決策支持系統(tǒng)將部署在運(yùn)營中心，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)，智能終端設(shè)備進(jìn)行訪問。決策支持系統(tǒng)主要包含景觀水體智能補(bǔ)水控制系統(tǒng)、初期雨水及海綿城市監(jiān)控系統(tǒng)和污水處理廠全流程優(yōu)化運(yùn)行控制系統(tǒng)。
4.1.1景觀水體智能補(bǔ)水控制系統(tǒng)
以沙河為主的景觀水體，作為園區(qū)內(nèi)主要的景觀河道和調(diào)蓄雨洪的重要設(shè)施，它的水量和水質(zhì)直接關(guān)系到它能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，因此，需要對(duì)于沙河的不同河段的水位和水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和信息傳輸，并且把這些信息作為輸入量和觸發(fā)，在需要進(jìn)行補(bǔ)水的時(shí)候采取必要的措施，使沙河的水位和水質(zhì)能夠維持在功能性的需求水平。這個(gè)需要建立一個(gè)智能補(bǔ)水控制系統(tǒng)，如水位低于閾值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)再生水補(bǔ)水或者自來水補(bǔ)水，如水質(zhì)有惡化趨勢時(shí)，加大補(bǔ)水量以減少停留時(shí)間等。
4.1.2初期雨水及海綿城市監(jiān)控系統(tǒng)
園區(qū)內(nèi)的初期雨水會(huì)對(duì)景觀水體造成污染，海綿城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完成之后，包括初期雨水的截留設(shè)施，如何運(yùn)營好這些設(shè)施，對(duì)于海綿城市的成效至關(guān)重要，初期雨水及海綿城市監(jiān)控系統(tǒng)將對(duì)這些主要設(shè)施的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，并且對(duì)可操控的設(shè)施進(jìn)行有效的調(diào)度，使海綿城市中的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的效益最大化。
4.1.3污水處理廠全流程優(yōu)化運(yùn)行控制系統(tǒng)
為了達(dá)到污水處理廠優(yōu)化運(yùn)營的目的，污水處理廠全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)在保證出水水質(zhì)的前提條件下，污水處理穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行工況正常，且將污水處理廠的能耗保持在一個(gè)較低的水平，在應(yīng)急情況下，能夠?qū)Σ煌奶幹梅桨傅男ЧM(jìn)行評(píng)估，供運(yùn)行管理者進(jìn)行甄選決策。
4.2智慧水務(wù)沙盤系統(tǒng)
園區(qū)智慧水務(wù)沙盤系統(tǒng)是按等比例對(duì)園區(qū)進(jìn)行縮放，能夠直觀的展示區(qū)域內(nèi)的地形地貌，并且對(duì)規(guī)劃和已建成的雨水、污水、再生水系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的展示，使參觀者能夠?qū)τ谥腔鬯畡?wù)的理念和實(shí)際運(yùn)營有深刻的理解，也可以作為教育基地對(duì)高校和中小學(xué)生進(jìn)行定期開放。整體智慧水務(wù)沙盤系統(tǒng)由實(shí)體城市沙盤、水系統(tǒng)沙盤和投影沙盤3部分構(gòu)成。
4.2.1實(shí)體城市沙盤
實(shí)體城市沙盤見圖5，擬按1∶1 000比例進(jìn)行建立，包含多種城市要素，如：樓房、公路、鐵路、橋梁、隧道、河道、農(nóng)田、污水處理廠、泵站等。整個(gè)城市沙盤需進(jìn)行特殊處理和防護(hù)，能夠滿足防水要求，占地約為15 m2。
4.2.2水系統(tǒng)沙盤
實(shí)體城市沙盤只是對(duì)城市的一個(gè)靜態(tài)縮影，要體現(xiàn)智慧水務(wù)在城市中的應(yīng)用，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)水系統(tǒng)循環(huán)的展示，此展示使用實(shí)際的降水模擬雨水系統(tǒng)，使用水泵水力循環(huán)系統(tǒng)模擬污水處理廠的再生水回用。降水采用高精度噴淋系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以模擬如50年一遇，100年一遇時(shí)降雨時(shí)地面積水情況，和相應(yīng)的控制措施。沙河中的水位上升和下降對(duì)于相應(yīng)泵站的控制等。
4.2.3投影沙盤（決策支持系統(tǒng)示意）
使用三維動(dòng)畫投影沙盤可以讓參觀者看到在物理實(shí)體沙盤中不能看到的水系統(tǒng)循環(huán)的信息，如污水處理廠的優(yōu)化處理過程、地下雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)和再生水管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)營過程，并且對(duì)其進(jìn)行講解，可視現(xiàn)場具體情況考慮是否將投影沙盤和水系統(tǒng)沙盤進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。
5、結(jié)論及建議
從智慧地球，到智慧城市，再到智慧水務(wù)，智慧水務(wù)的發(fā)展是水務(wù)信息系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，園區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)方案，作為園區(qū)水務(wù)信息系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)的，力圖利用自上而下的手段來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，既有基于對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢的判斷，也需要要洞悉各個(gè)子系統(tǒng)之間的相關(guān)性，更要有操作層面上的指導(dǎo)性。本文探討了西安某園區(qū)海綿城市建成后的智慧水務(wù)系統(tǒng)規(guī)劃方案，為后續(xù)的海綿城市設(shè)施智慧水務(wù)系統(tǒng)實(shí)施夯實(shí)了基礎(chǔ)。
但在本項(xiàng)目水文模型使用的過程中，由于園區(qū)均為新建區(qū)，缺乏“未來”實(shí)測數(shù)據(jù)的積累，很多的參數(shù)使用了同類區(qū)域的參考值，在海綿城市建成后，需要根據(jù)實(shí)際監(jiān)測的數(shù)據(jù)對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行率定和調(diào)整，以使模型能更準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際狀況，這部分工作由于技術(shù)發(fā)展尚需水務(wù)技術(shù)人員人工介入。此外，智慧水務(wù)的發(fā)展尚處于初級(jí)階段，在智慧水務(wù)運(yùn)營的過程中，當(dāng)有一定量的監(jiān)測數(shù)據(jù)積累和模型的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以后，再逐步將各個(gè)主體的水務(wù)模型進(jìn)行整合，使得不同體系的水務(wù)模型能夠進(jìn)行系統(tǒng)的銜接，實(shí)現(xiàn)真正的一體化智慧水務(wù)。