從看“海”到看“心”

文｜廣州奧格智能科技有限公司

要讓“城市看海”成為往事，既需要完善排水設(shè)施設(shè)計標準，督促地方政府改變“重地上輕地下”的城市發(fā)展觀念，更需要將物聯(lián)網(wǎng)、地理信息等技術(shù)應(yīng)用在城市排水防澇中，實現(xiàn)城市排水?dāng)?shù)據(jù)管理、運行服務(wù)、監(jiān)測預(yù)警、綜合監(jiān)管、應(yīng)急決策一體化的管理，構(gòu)建排水行業(yè)監(jiān)管的新模式，以提高城市防災(zāi)減災(zāi)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(fā)，我國城市化進程又不斷加快，地下現(xiàn)有排澇工程體系相對落后，跟不上社會快速發(fā)展的排水需要，導(dǎo)致城市內(nèi)澇問題尤為突出，嚴重制約了我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)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(nèi)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(nèi)澇現(xiàn)狀

近年來，國家各大城市暴雨頻發(fā)，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(xiāng)建設(shè)部對全國351座城市進行了調(diào)研，結(jié)果表明，在2008年～2010年3年間，62%城市發(fā)生過內(nèi)澇，39%城市內(nèi)澇災(zāi)害超3次，53%城市目前沒有達到國家防澇標準，79%非農(nóng)業(yè)人口達150萬以上的特大城市沒有達到國家防澇標準。另據(jù)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(nèi)澇的威脅，2012年有184座城市發(fā)生內(nèi)澇，2013年234座城市內(nèi)澇，2014年125座城市內(nèi)澇，包括北京、上海、廣州、南京、武漢、太原這樣的大城市。城市內(nèi)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(chǎn)損失。

國內(nèi)外研究治理現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家城市化現(xiàn)象出現(xiàn)較早，對城市水澇災(zāi)害風(fēng)險特性和演變規(guī)律、城市水澇災(zāi)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(nèi)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(tǒng)建設(shè)方面，東京的地下宮殿式排水系統(tǒng)，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(tǒng)，徹底實現(xiàn)雨污分流，避免大雨時洪澇泛濫。在提高排水設(shè)施的排水防澇能力的同時，一些發(fā)達國家也研究開發(fā)了暴雨模型，用于模擬雨水在地表以及管網(wǎng)的運動情況，比如美國環(huán)保署的SWMM，英國公路研究所的TRRL，丹麥水力研究所DHI開發(fā)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(tǒng)規(guī)劃中。美國率先利用“3S”技術(shù)建立洪水預(yù)警系統(tǒng)；英國于2009年建立首個洪水預(yù)報中心，實現(xiàn)對洪澇災(zāi)害及時準確的預(yù)警和控制，在防治內(nèi)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(xù)排水系統(tǒng)技術(shù)來收集利用雨水，美國制定大小兩個暴雨排水系統(tǒng)并設(shè)計最佳管理措施對雨水進行控制，后經(jīng)過改進產(chǎn)生了低影響開發(fā)理念，講究雨水的蓄、滯、分、滲、調(diào)一體化，這些雨水利用措施都在減緩甚至防止城市內(nèi)澇上發(fā)揮了作用。

國內(nèi)對內(nèi)澇治理的研究雖然相對較晚，但發(fā)展速度卻較快。我國于90年代引入內(nèi)澇模型，以岑國平、劉樹坤等為代表的學(xué)者以二維非恒定流理論為基礎(chǔ)自主研發(fā)了洪水演進數(shù)值模型。上海、天津、東莞等城市利用水動力模型對城市內(nèi)澇情況進行模擬，并在此基礎(chǔ)上做了一系列暴雨監(jiān)測與預(yù)警平臺，如上海市暴雨預(yù)警平臺，天津市暴雨瀝澇仿真系統(tǒng)以及東莞城區(qū)的內(nèi)澇預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)等。南京，南昌等城市對內(nèi)澇風(fēng)險災(zāi)害進行風(fēng)險評估，利用水動力模型對管網(wǎng)進行排水能力分析，進而對管網(wǎng)進行改造規(guī)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(shè)施普查信息平臺，另有一些城市結(jié)合在線監(jiān)測技術(shù)與GIS以及云平臺展開排水在線監(jiān)測系統(tǒng)及平臺的研發(fā)，并分批投入使用，為后期模擬評估管網(wǎng)提供實時數(shù)據(jù)，如鎮(zhèn)江市雨污水實時監(jiān)測和自動控制系統(tǒng)，徐州市供排水在線監(jiān)測系統(tǒng)等。

表1 我國近年典型城市內(nèi)澇災(zāi)害事件

城市內(nèi)澇治理解決方案

對于城市內(nèi)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(guī)劃小組對武漢建立排水系統(tǒng)模擬平臺，探索雨水管理的有效方法和手段，充分發(fā)揮排水設(shè)施能力，實現(xiàn)排水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。然而這一系列的措施仍然沒能抵擋住2016年7月的連續(xù)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(nèi)澇時究竟面臨著哪些難點呢？又該如何利用現(xiàn)有的技術(shù)去積極的應(yīng)對這樣的災(zāi)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(shè)施普查、建立標準化的排水防澇設(shè)施標準數(shù)據(jù)庫，是智慧排水管理順利開展的前提條件。隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市人口的增加，城市排水設(shè)施數(shù)量越來越多，地下管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，導(dǎo)致難以掌握現(xiàn)狀管線的數(shù)量與空間位置信息，在城市規(guī)劃與建設(shè)中缺乏對現(xiàn)狀管線的可視化管理與分析。針對這一問題，應(yīng)摸清家底，將排水普查的數(shù)據(jù)錄入排水防澇數(shù)字信息化建設(shè)數(shù)據(jù)庫中，擬定符合城市實際的排水防澇設(shè)施數(shù)據(jù)標準規(guī)范，建立城市排水防澇設(shè)施普查子系統(tǒng)，提供設(shè)施普查管理建庫的能力，為排水防澇規(guī)劃設(shè)計提供支撐。

內(nèi)澇監(jiān)控設(shè)施不足。多數(shù)城市存在內(nèi)澇監(jiān)測設(shè)施缺乏，對內(nèi)澇點摸底不全面，沒有對現(xiàn)有的監(jiān)測設(shè)施成果進行資源整合利用的問題。監(jiān)控設(shè)施采購資金投入量大，短期內(nèi)難以對全市范圍內(nèi)的內(nèi)澇黑點進行傳感器的布設(shè)。針對這一問題，應(yīng)對城市內(nèi)澇黑點進行進行等級劃分，對內(nèi)澇最嚴重的地區(qū)進行優(yōu)先布設(shè)監(jiān)測設(shè)施，包括地面監(jiān)測設(shè)備布設(shè)和地下管網(wǎng)監(jiān)測設(shè)施布設(shè)。充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多源數(shù)據(jù)整合技術(shù)，將已有的監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)與新增監(jiān)測設(shè)施數(shù)據(jù)整合到排水防澇管控平臺中進行統(tǒng)一管理和分析。

管理體系不完善。數(shù)據(jù)資料及技術(shù)知識的缺失、專業(yè)人員的抵觸、規(guī)范標準的不足，包括設(shè)施設(shè)計是以洪澇安全還是以環(huán)境效益為最終目標的困惑，等等。現(xiàn)代城市的內(nèi)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(tǒng)，而不僅僅是排水。城市缺少現(xiàn)代化內(nèi)澇防治體系，也不僅僅是管網(wǎng)建設(shè)不足，還包括蓄、滯、分、滲、調(diào)等綜合性手段，以及一系列法規(guī)、政策的調(diào)整。針對這一問題，建設(shè)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(yè)務(wù)科學(xué)管理的有效途徑。

圖1 年際暴雨雨日/年際暴雨雨強統(tǒng)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(xué)指導(dǎo)的規(guī)劃與應(yīng)急。目前市政排水管網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)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(shè)計不能滿足規(guī)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(wǎng)管徑設(shè)計不合理，設(shè)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(yīng)通過雨水徑流控制的“慢排緩釋”和“源頭分散”設(shè)計理念來改變以往城市排水防澇設(shè)施設(shè)計思路，達到從源頭開始控制的目標。在技術(shù)應(yīng)用上，可采用水力模型技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，進行排水系統(tǒng)的排水能力評估、內(nèi)澇風(fēng)險評估，為管網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計、改造提供決策依據(jù)。

圖3 排水防澇典型技術(shù)架構(gòu)圖

2、典型技術(shù)方法

城市排水系統(tǒng)是一個系統(tǒng)性的工程，內(nèi)澇的發(fā)生往往是由于系統(tǒng)工程中的某一些管道連接情況出現(xiàn)問題，解決這一短板問題，則需要進行城市智慧排水建設(shè)，能夠智能定位到短板位置，并進行區(qū)域性優(yōu)化，從而使整個排水系統(tǒng)能夠得到修正與完善。而解決城市智慧排水建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)可概括為三點——物聯(lián)、互聯(lián)、智能。

排水設(shè)施等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是建設(shè)的底層需求，建立標準化的排水防澇設(shè)施標準數(shù)據(jù)庫，是保障后期建設(shè)內(nèi)容順利開展的前提條件。數(shù)據(jù)完善入庫后，建立工作網(wǎng)絡(luò)，使得各個排水相關(guān)工作部門能夠共享數(shù)據(jù)，形成工作聯(lián)動機制，同時建立應(yīng)用服務(wù)平臺，使其為決策支持的各種子系統(tǒng)提供運行基礎(chǔ)。

建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，是排水管線感知網(wǎng)絡(luò)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(jīng)安裝了大量的不同年代、不同數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的集成、整合應(yīng)用是智慧排水的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

在水務(wù)數(shù)據(jù)生產(chǎn)和共享都日趨成熟的大環(huán)境下，基于云服務(wù)平臺與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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(nèi)澇預(yù)警，風(fēng)險分析，工程改造評估的模型應(yīng)用服務(wù)，助力海綿城市建設(shè)。利用GIS云，實現(xiàn)水務(wù)數(shù)據(jù)的云存儲、云計算、科學(xué)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(nèi)澇應(yīng)急、設(shè)施管理、工程改造等提供專業(yè)服務(wù)。

利用現(xiàn)有智能通訊設(shè)備，可掌握排水設(shè)施實時運行狀態(tài)，可進行排水防澇多部門聯(lián)動，實現(xiàn)排水管理、排水應(yīng)急搶險的上傳下達，智能化處理內(nèi)澇災(zāi)情，最快最大化減少內(nèi)澇災(zāi)害損失。