昆明市地下排水管线信息模型构建对市政规划辅助决策支撑研究

解智强，高 忠，何江龙，侯至群，王贵武

(1.昆明市城市地下管线探测管理办公室，云南昆明650011;2.武汉大学资源环境科学学院，湖北武汉430070)

一、引 言

目前，城市排水规划面临的一个主要问题是涉水规划严重缺乏基础资料的支持，导致城市地下排水管线的建设与改造缺乏科学依据，规划中的人为裁量权加重，使规划成果的实际应用的作用降低。由于缺乏计算机和GIS技术支持，使城市中脱离地下排水管线实际容量的施工建设任意性加强，导致破坏环境容量的不合理的城市建设工程频繁出现，因此城市内涝事故等事故发生频繁。为治理滇池和科学规划城市建设，2010年昆明市规划局和科技局联合开展了“基于GIS技术的昆明市地下排水管线评价研究”项目，该项目利用已有地下排水管线及城市基础地理信息数据成果，采用地理信息系统技术，对目前掌握的2008～2010年昆明市普查完成的地下排水管线信息资源数据开展深入分析研究，建设昆明市地下排水管线数学模型，通过计算机模拟分析，对昆明市部分片区地下排水管线的运行状态及承载能力、灾害预报等方面作出评价，建立昆明市主城区有代表性的片区排水模型，并建设与此相配套的地下排水管线管理、评估与分析平台，通过互联网技术等先进手段，将这些成果向社会提供服务。同时，进一步收集并管理相关涉水数据，为昆明市城市雨污分流改造、城市防洪、以及涉水规划管理做出科学合理的决策支持。

二、基于管线信息模型技术的城市地下排水管线评价方法

基于管线信息模型的城市地下排水管线评价研究，以城市地下排水管线数据信息建设为核心，以模型建设为关键支持，研究包括以下内容:

1.数据建设

1)采集处理研究片区地下排水管线及其附属物数据，包括地下排水管线及其附属物的管径、标高、摩阻系数、泵站数量及运行数量、运行参数，水泵流量扬程曲线及其启闭控制参数，城市河道的基础数据，明河与暗河的基本属性数据，为项目的开展提供根本保证。

2)数字地形图、数字影像地图、高精度城市DEM、LIDAR数据等涉水GIS数据以及气象、人口、排水及水量变化曲线数据，供水、集水、地表渗透数据。

3)使用关系型数据库进行建库管理，为昆明市的水资源环境数据采集、管理、分析及应用奠定良好的基础。

4)建设排水管理的多要素、多图层、规则化电子地图，为城市排水分析、处理以及后续开发应用提供规范化背景数据。

2.数字化模拟

建立研究片区排水管线模拟系统，即建立具有代表性的雨、污水系统的数学模型，利用模型测试该片区排水系统对不同条件的反应，包括以下内容:

(1)通过模型建设，模拟工作环境

昆明市地下排水管线信息模型使用HR WALLINGFORD公司的InfoWorks CS排水模型软件以及所包括的模型构建技术，通过模型建设读取GIS数据库，并集成城市排水信息资源专题数据库，应用软件自身的规划管理功能，通过图形分析等手段提供一个、精准模拟雨、污水收集系统的工作环境。利用时间序列模拟引擎，针对城市污水系统和相关排水系统的关键要素作出快速、精确、稳定的模拟，预测上述系统的工作状态，或单点降水及降雨后对环境造成的影响，通过对GIS数据的使用，完整模拟回水影响、逆流、明渠、主干渠、复杂管道连接等城市排水结构辅助控制架构。

InfoWorks CS的水力计算引擎采用完全求解的圣·维南方程模拟管道明渠流，对于明渠超负荷的模拟采用Preissmann Slot方法，仿真各种复杂的水力状况。

本研究经过2011、2012年雨季校核工作，通过布设传感器的方式采集昆明市兰花沟片区的地下排水的流量、流速和液位等关键数据，对该地区排水模型进行校核，获得了适合该片区使用的排水数学模型为该片区的排水工作模拟奠定基础。

(2)通过GIS技术展示计算机模型计算结果

交互式数据浏览功能包括平面图、纵剖面图、电子数据表格和随时间变化的图形数据。进行全新的交互三维显示技术改善了窨井的虚拟表现。实现了从任意图形和地理视图上展示底层数据。同时通过GIS技术输出表格和图表式的结果报告、洪水淹没分析等。

3.软件及平台建设

城市地下排水模型建设通过引进成熟、稳定的软件技术，将三维模拟仿真技术软件应用，集成到城市排水软件模拟系统平台中，使之应用于城市规划、建设、水务等领域并提供虚拟现实的共享服务和支持。同时通过数据交互技术，建设基于互联网的共享平台，使上述研究成果通过计算机技术实现跨平台技术的应用推广，在政府层、职能层及公众层推广应用。

三、关键技术

利用Inforworks CS排水模型软件建模，能够解决城市数字化排水管理中的一些关键问题，特别是建立复杂条件下的城市排水新模型。解决的关键技术包括:

1)在一维建模中充分利用昆明现有的全覆盖探测数据(市政管网与庭院管线数据相结合)，利用小区管网普查数据协助排水管网集水区的划分和一维水力模型的建立。

2)基于GIS下垫面数据，利用模型工具自动提取模拟片区城市地表下垫面面积(例如草地，房屋，路灯，不同的下垫面具备不同的水文特征，其模拟的准确程度直接影响水力模拟结果)，更加精确地模拟城市水文汇水过程。

3)引入了2D模型对城市地下排水管线运行状态进行科学合理的分析与模拟，使暴雨洪水条件下城市地下排水模拟结果更加真实可靠。结合高程测绘数据，通过建立二维地面漫流模型，能够清晰地模拟洪水淹没的范围，水深以及淹没的路径等。

四、应用实例

本研究选择昆明市兰花沟片区约20 km2，建设了适合该片区的数学模型，结合昆明地形因素，通过使用河道及地下排水管线、城市地表数字高程模型(DTM)等数据，建设完成兰花沟片区城市地下排水管线工作模型，本项目通过建立的排水模型可对任意的降雨条件、任意的水工构筑物运行状态和边界条件进行仿真模拟，为用户提供管渠流量、水位、流速、充满度，以及泵的启闭等重要信息。并对该地区的城市排水情况和城市空间承载力进行科学模拟，在分析模拟中发现该地区的地下排水管线的一些问题，并提出科学的规划意见和建议。

1.城市排水模型建设的基础

地下排水管线数据是建设城市排水模型不可或缺的资料，是建设城市地下排水管线评价体系的关键，昆明市地下排水管线数据可挖掘信息包括管线的平面位置、管底标高、埋深、管径、材质、排水流向等关键信息，这些信息在城市地下排水模型建设中发挥的重要的作用详见表1。

表1 昆明市地下排水管线数据可挖掘信息在城市排水模型建设中的作用

(1)城市排水过程模拟的依据

地下排水管线数据是城市排水过程模拟的依据，城市排水模型模拟地下排水管线工作过程需要管线数据支撑，同时，地下管线数据中的地形、影像等背景数据能够很好地反映模型模拟的城市排水过程空间演进及地形分布等特征，使城市排水过程模拟能够具有较强的目标性。

(2)城市排水模型校核与率定的依据

排水模型需要验证，即需要校核与率定，地下排水管线数据是排水模型校核与率定的基础，城市排水模型在跨区域推广时，需要不同区域的地下排水管线数据进行率定，即校核模型的参数，由此获得整个城市通用的地下管线排水模型，支持对城市地下排水管线的评价工作。

2.地下排水管线信息模型建设与市政规划辅助决策

基于GIS技术的昆明市地下排水管线评价以模型建设为基础，主要应用在城市排水管线承载力评价、城市洪灾分析评价、以及城市雨污分流的适合性评价等3方面，这也是目前城市排水管线信息化研究的热点问题。

(1)地下排水管线承载力评价及规划对策

通过城市排水管线承载力分析，并综合考虑城市极端天气因素、人口膨胀规模、污水产出量估算、居民区规划等多因素分析，同时考虑到经济投资等因素，能够对城市的特定区域进行地下排水管线雨、污分流的适合性分析，即对各种雨、污分流改造的方案进行科学合理的评价，特别是根据未来城市扩张及发展情况，建立各种预案(考虑人口变化的预案以及不同强度的暴雨预案等)且用模型进行预案运行并分析得出科学合理的结论;从而由原来基于经验的地下管线规划与建设方法升级到提供科学方法支持城市地下排水管线承载能力评价与研究，使城市的规划与决策工作更趋科学合理。

城市地下排水管线承载力评价通过排水模型计算，客观真实地模拟城市地下排水管线的承载能力，并评价这种能力，图1显示的是利用排水模型对昆明市某片区地下管线排水管线的承载能力进行排水评价，通过模拟片区内新建建筑对周围地下管线的压力，在发生污水排放满管的情况下通过加管或者扩大管径等途径解决旧城改造区域城市排水承载力的问题。

图1 昆明市某小区排水管线对新建建筑的污水承载力情况评价(图左为建设前旱天流量情况，图右为小区开发完成后排水承载力出现污水满管的情况)

(2)城市内涝模拟及规划对策

城市排水模型建设的重要功能是通过排水模型模拟极端降水环境下的城市洪灾演进情况，模拟城市排水的薄弱点甚至找到某些可能溢水的检查井，以此合理地评价城市可能发生洪灾的地点对昆明城市洪水风险分析和预警:利用模型技术进行水力模拟分析，得出不同强度暴雨下城市可能会发生积水的范围及程度，辅助防汛部门进行汛期防洪工作的布置和安排，指导与排水系统相关联的河道、水闸、泵站等水力附属设施的调度等，确保在汛期能够及时放水而不影响雨水的及时排放。城市洪涝灾害的预测评价及解决方案的决策支持。

图2显示的是昆明市某片区在单点暴雨情况下城市洪水的演进情况，计算成果促进市政规划人员在不同级别城市雨水重现期内对城市地下排水管线的设计关注重点，并对相应的对有针对性的区域进行十年一遇的地下排水管线更新与改造。

图2 昆明市某片区单点暴雨下城市防洪薄弱环节(井)显示

3.其他城市水环境研究评价

通过建立地下排水管网模型，分析评价管网运行现状，对地下排水管网系统改造提出合理化建议并形成体系，以指导该片区排水管线的规划、建设与管理。包括以下内容:

(1)依据城市排水系统的现状，评价、改造和新建城市地下排水系统

项目建设的排水模型可应用于城市排水系统的现状评估、规划改造和新建城市化排水系统的设计与规划等各方面。相比于以推理法等理论和工程经验为基础设计排水系统，排水模型具有不受条件限制、数值分析速度和效率高、耗时少、通用性强等优势。高效改善城市排水和污染控制的设计、建设与管理。

(2)可持续城市排水系统的研究与应用

项目对雨水系统的优化管理及可持续发展进行研究，调蓄池、草坪、绿化、透水性铺设等雨水优化设施已经逐步得到应用。

(3)雨污分流适合性评价及规划对策

全昆明市地下排水管网空间布局与科学规划分析辅助管理，回答雨污分流适合性问题，利用模型中的辅助分析工具，进一步地梳理和了解地下管线的空间拓扑结构，并可结合地下管道三维效果图及管道纵断面图修正和检查现状管网中所存在的一些问题，例如管道的错接乱接，大管接小管以及雨污混接等;辅助排水管理和维护部门对现有管网问题进行排查和维护。合流污水截流系统设计及分析:对于较为复杂的合流制排水系统，排水模型不仅可以同分流制污水系统一样对旱天流量进行评估，更重要的是能够对雨天排水系统的运行进行准确的描述。通过排水体系容量模型对城市新建建筑的评价研究:为新增城市地下排水管线的设计提供客观指导依据，评估新建城市建筑体是否对周围城市地下管线造成影响，并明确造成多大的影响，以保证城市新建排水管线满足“雨污分流”及环境容量要求。

(4)城市降雨径流控制及调蓄辅助规划设计

排水系统通常较为复杂，本项目借助水力模型的研究准确的进行模拟城市排水实际情况，包括重力流系统，水泵强排系统，圩区排放系统，系统的雨污混接、入流与入渗情况，泥沙淤积，河道潮位等状况，确定出最为合适的解决方案。

(5)城市安全

通过建立地下排水管网非正常运行及事故状态的分析处理模型，针对应急事件，及时准确提供解决方案并作出客观评价。

五、结束语

城市地下排水管线信息模型建设为昆明市城市科学排水决策提供智能支持，研究成果在滇池治理工作中发挥积极的作用。通过模型建设与科学模拟，一些涉及滇池治理的大型工程如调蓄池建设得到科学的规划与开展，节约了大量的项目建设资金;通过项目开展，城市雨污分流工程建设得到有序评估，使工程得到科学建设，本项目研究成果能够科学的模拟城市洪涝灾害，使城市洪灾能够得到科学预防，能够有效改善城市淹水点防治，从而促进城市安全运行，本项目成果能够在昆明城市科学规划与建设中发挥积极作用，通过项目开展，城市的一些重要排水市政基础设施得到科学合理的规划，更好地促进城市运行，该项目实施以来，已经在上述工作中发挥了重要的社会、经济和环境效益，更好地促进滇池治理和城市规划各项工作科学开展。具体体现在以下几个方面:

1)地下管线承载力科学评估:提高城市规划工作对地下管线承载力的科学评价，依托排水信息水力模型技术对示范片区的排水管网的负载力进行水力评估分析，根据未来城市扩张及发展情况，建立各种预案(考虑人口变化的预案以及不同强度的暴雨预案等)且用模型进行预案运行并分析得出科学合理的结论;从而由原来基于经验的地下管线规划与建设方法升级到提供科学方法支持城市地下排水管线承载能力评价与研究，使城市的规划与决策工作更趋科学合理。

2)地下排水管网空间分析辅助管理:利用模型中的辅助分析工具，进一步地梳理和了解地下管线的空间拓扑结构，并可结合地下管道三维效果图及管道纵断面图修正和检查现状管网中所存在的一些问题:例如管道的错接乱接，大管接小管以及雨污混接等;辅助排水管理和维护部门对现有管网问题进行排查和维护，对现状管网的分析模拟定位出了示范片区易发生积水的位置和范围以及可能原因，提交科学规划后，为之后的管网改造和升级奠定决策基础。

3)城市洪水风险分析和预警:利用模型技术进行水力模拟分析，得出不同强度暴雨下城市可能会发生积水的范围及程度，辅助防汛部门进行汛期防洪工作的布置和安排，指导与排水系统相关联的河道、水闸、泵站等水力附属设施的调度等，确保在汛期能够及时放水而不影响雨水的及时排放并通过对现状管网的分析模拟定位出了示范片区易发生积水的位置和范围以及可能原因，为之后的管网改造和升级奠定了相关的理论基础。

［1］Marsalek J，Maksimovic C，Zeman E，et al.Hydroinfomatics Tools for Planning，Design，Operation and Rehabilitation of Sewer Systems［M］.Hague，the Netherlands:KluwerAcademic Publishers，1998.

［2］朱元生，金光炎.城市水文学［M］.北京:中国科学技术出版社，1991.

［3］Wallingford Software Ltd.，Infoworks CSOnline Help［EB/OL］.［2003-01-08］. http: ∥ www. wallingfoord software.com/

［4］USEPA.Storm water management model，version 4:User's manual［R］，EPA/600/3-88/oda，october 1992.

［5］LIONG SY，CHAN W T，LUM L H.Knowledge Based System for SWMM Run off Component Calibration［J］.Journal of Water Resources Planning and Management，1991，117(5):507-523

［6］赵东泉，陈吉宁，佟庆远，等.基于GIS的城市排水管网模型拓扑规则检查和处理［J］.给水排水，2008(5):106-109.

［7］Wastewater Planning Users Group.Code of Practice for the Hydraulic Modeling of Sewer Systems［M］.Swindon，UK:WRc p lc，2002.

［8］赵东泉、王浩昌.GIS在城市排水管线数字化管理之中的应用与开发［C］∥2009第八届ESRI中国用户大会论文集.北京:测绘出版社，457-458.