基于“一張圖”的海綿城市建設智慧管理系統設計
——西安小寨案例

高思巖，劉 揚,2,*，張學東，張 新

(1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 102616； 2.北京建筑大學，北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；3.中國科學院遙感與地球研究所，北京 102616)

隨著現代化城市的發展，我國正面臨著各種各樣的水環境問題，如水資源短缺、水質污染、城市內澇等，這在一定程度上對人們的生活產生了很大的影響。海綿城市的建設在調節城市水環境方面的貢獻非常大，不僅減輕了市政地下排水管道和泵站的使用壓力，還可以綜合利用自然條件和人為手段完善城市生態系統功能，降低城市洪澇災害的發生率[1]。

本文以西安小寨為研究區，基于“一張圖”的設計理念，對海綿城市智慧管理系統進行規劃，開發了小寨海綿城市智慧管理系統。該系統不僅實現了監測數據、城市管網等資料的高效修改、增添、刪除等基本管理工作，還與相關的地理信息系統相結合，促進了城市資源的優化配置，提高了海綿城市管理和建設的工作效率，旨在解決以小寨區域為例的海綿城市建設過程中的問題，實現海綿城市管理系統的全面化、自動化、智能化應用，為西安市小寨區域海綿城市建設提供技術指導與參考[2]。

1 西安小寨現狀分析

一直以來，海綿城市的建設都是人們關注的焦點，西安是資源性缺水城市，水資源時空分布不均，水資源總量僅為23.47億m3。小寨處于西安市的次核心商業圈，對經濟建設和人文環境的發展具有重大意義[3]。隨著水資源供需矛盾的突出，區域排水防澇的基礎設施建設不足，加之建設綠地面積較少，在雨水攔截和雨水蓄儲方面的能力受到限制，天然寶貴的雨水資源大量流失，在這樣的“建成區”進行海綿城市建設，具有一定的挑戰，有必要建立可監測、可評估、可控制的聯動管理系統。

2 海綿城市建設問題分析

目前，我國的一些大型城市主要以地下水作為城市供水的水源，同時也形成了多種規模較大且完善的供排水系統，但由于大量使用地下水，不可避免地出現了一些值得人們重視的水環境問題，主要表現在水安全、水生態、水環境、水資源等方面。

(1)地面滲水功能降低：由于長期大量開采地下水，地下水水位降低，補給量減少，水生態受到嚴重的破壞[4]。

(2)垃圾雜物影響排水：在遇到強暴雨天氣時，雨水向低洼處流動，夾雜著塑料袋、廢紙等城市垃圾，在排水過程中普遍存在雨污混流的現象，水環境質量較差。

(3)城市供水資源矛盾：在城市水資源缺乏的情況下，存在水資源利用率重復、使用率較低和浪費的現象。

因此，以西安小寨為例，設計海綿城市智慧管理系統，合理調節、分配水資源，從而緩解城市水資源危機，實現海綿城市建設的可視化、自動化效果，支撐海綿城市建設綜合管理，為西安小寨乃至國內海綿城市的設計與管理提供參考與借鑒。

3 海綿城市智慧管理系統設計與實現

3.1 總體設計

網絡技術的進一步發展，尤其是廣域網的發展，在一定程度上促進了Browser/Server(B/S)結構GIS平臺的發展。綜合考慮GIS作為海綿城市管理控制、決策系統平臺的要求，采用比較成熟的 B/S架構(圖1)，即由下到上的數據服務層、業務邏輯層以及表現層來構建系統，將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，簡化了系統的開發、維護和使用[1]。

圖1 智慧管理系統總體架構圖Fig.1 Diagram of Overall Architecture of Smart Management System

其中，表現層是最外層，與用戶最靠近。利用JavaScript和HTML語言對系統界面進行編程設計，將系統獲取的數據和聯動收集的數據展現出來，為用戶提供一種交互式操作的頁面，完成用戶和后臺的交互及最終查詢結果的輸出功能。業務邏輯層處于數據訪問層與表現層的中間，利用服務器完成客戶端的應用邏輯功能，在數據交換中起到承上啟下的作用。數據訪問層為海綿城市智慧管理系統提供底層的數據庫服務支持，實現對數據庫表的添加(insert)、刪除(delete)、更新(update)、查詢(select)等操作。

3.2 數據庫設計

系統的數據庫涉及多類型、多區域、多時間段的空間數據，因此，數據庫的設計不僅影響到這些數據能否有組織、有序地進行存儲、管理和檢索，還會影響到系統功能運行的實現效果。通過SQL Server搭建數據庫平臺，根據系統的需求分析及建設目標，將數據庫分為監測數據庫、考核評估數據庫、預警預報數據庫和應急處理數據庫。其中，監測數據表是系統數據的主要來源，對系統在線監測點采集的數據進行存儲[5]，考核評估數據庫時刻計算并記錄考核指標信息，為預警預報數據庫提供數據支持，而預警預報數據庫和應急處理數據庫主要存儲異常情況的基本信息。

3.3 系統功能模塊設計

構建小寨海綿城市智慧管理系統，將海綿城市運營管理過程中各個階段的數據存儲起來，并對其進行功能分析。系統能夠對采集、監測的數據及時做出預警提示和應急處理方案，全面提升城市綠化環保的系統運行效率[6]。圖2為系統的詳細功能模塊設計劃分圖。

圖2 系統詳細功能模塊劃分圖Fig.2 Diagram of Detailed Function Module Partition of the System

3.3.1 實時監測模塊的設計

為實現小寨區域雨情數據同步監控，分為水質監測和管網監測，流程如圖3、圖4所示。通過物聯網，借助GPRS、相關監測儀器等，采集雨量、流量、液位、水質等多項指標。其中，水質指標包括化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)濃度、總磷(TP)濃度和年雨水徑流污染物(SS)濃度。信號處理單元將原始數據信息轉換為可分析處理的數字信號，并通過數據傳輸單元到中繼節點。最后，系統通信單元將數據傳輸到數據管理中心進行數據分析、處理等，為系統考核評估提供數據支撐，并對水污染等情況進行預警預報[7]。借助系統可視化情況，能夠將各類監測信息互聯互通，促進智慧管理系統各個功能、各個設施之間的有效協同[8]。

圖3 水質監測系統結構圖Fig.3 Structure Diagram of Pipe Network Monitoring System

圖4 管網監測系統結構圖Fig.4 Structure Diagram of Pipe Network Monitoring System

3.3.2 考核評估模塊的設計

考核評估功能為海綿城市的發展提供了強有力的技術支撐，其考核指標包括：水環境質量、年徑流總量控制率、熱島效應、年雨水徑流污染物削減率和雨水資源收集利用率[9]?；诒O測模塊獲取的各類監測數據，根據考核評估功能建立數學模型，定量化評估海綿城市各項指標的建設效果，構建完善的海綿城市考核評估體系[10]。

(1)水環境質量考核

根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的3項主要水質指標，采用單因子評價法對研究區域的水質監測數據進行水環境質量(COD、NH3-N、TP)評價和分析，單因子指數的計算如式(1)所示。

Pi=Ci/Si

(1)

其中：Pi——標準指數；

Ci——評價因子i的實測統計代表值，mg/L；

Si——評價因子i的評價限值，mg/L。

(2)內澇災害防治考核

考慮到小寨內澇災害防治重現期設計標準為50年，且24 h降雨不給城市帶來災害，將1 h內道路積水深度作為考核指標進行評估。

(3)年徑流總量控制率考核

通過自然和人工強化的方法，對研究區域雨水進行控制，將區域內全年累計得到控制的雨量占全年總降雨量的比例稱為年徑流總量控制率[11]。數學計算模型如式(2)。

ω=[1-(α-β)/γ]×100%

(2)

其中：ω——年徑流總量控制率；

α——全年排出雨水總量，mL；

β——客水總量，即外來雨水量，mL；

γ——全年總降雨量，mL。

(4)熱島效應分析

城市熱島效應是指城市環境造成城市市區氣溫明顯高于外圍郊區同期氣溫的現象，調取溫度監測模塊的數據檢驗城市熱島強度，通過對比海綿城市建設區氣溫與周邊區域氣溫的平均值差值來衡量。

(5)年雨水徑流污染物削減率考核

結合海綿體效果監測站及水中懸浮物濃度監測站等的實測年雨水徑流污染物濃度數據，統計分析年雨水徑流污染物削減率，建立污水侵入檢測模型，識別非降雨時段管網中污水的侵入情況。

(6)雨水資源收集利用率考核

根據《海綿城市建設績效評價與考核指標(試行)》[12]，將雨水資源化利用率定義為研究區域內調蓄池、調蓄庫等蓄水設施的年取用水量之和，其與海綿城市項目建設區域內年均降雨量的比值即雨水資源收集利用率。

3.3.3 預警預報模塊的設計

綜合系統實時監測模塊收集的數據和考核評估模塊對各項指標的評價，結合互聯網的先進理念，應用大數據、云計算、地理信息系統等高新技術，設計海綿城市智慧管理預警預報功能[13]。設置自動處理以及響應流程，實現海綿城市遇到突發狀況的提前預警預報、隱患排查、優先處理。若出現緊急情況，需進一步向國家相關部門匯報，做出預警提示，保障海綿城市管理系統的安全運行[14]。

3.3.4 智慧應急模塊的設計

基于現代化網絡和通訊技術，融合社會各類信息資源，通過數字智能化手段，建立立體的、全方位一體化的綜合決策和應急指揮系統，迅速處理海綿城市發展過程中的各類突發事件，實現海綿城市智慧應急。

3.3.5 信息管理模塊的設計

數據是系統功能實現的基礎，海綿城市的數據量較大，種類較多。因此，對數據的存儲和管理也存在一定的難度，系統的信息管理模塊主要是對系統監測數據進行實時更新，能夠對采集到的數據進行刪除、添加、修改、查詢等操作[15]，能夠將海量監測數據進行分類。

3.4 系統測試

為了驗證設計的海綿城市智慧管理系統的有效性和可靠性，對西安小寨系統進行了實地測試和功能驗證，測試功能包括考核評估、預警預報、智慧應急和信息管理。

首先，進入系統主界面(圖5)，輸入用戶名及密碼，點擊登錄按鈕，進入主界面(圖6)。研究范圍為深色框出部分，可以對地圖進行放大縮小操作。

圖5 登錄界面Fig.5 Diagram of Login Interface

圖6 系統主界面Fig.6 Diagram of Main Interface of the System

考核評估界面如圖7所示，輸入當前水環境考核指標信息，進行評估，結果如圖8所示。

圖7 系統考核評估界面Fig.7 Diagram of Assessment Interface of the System

圖8 考核評估結果Fig.8 Diagram of Assessment Results

預警預報界面如圖9所示。結合雨水積累量、水位深度和雨水流速的預警規則，對監測采集到的數據進行處理，用柱狀圖將這3種預警指標呈現出來。不同級別的指標生成不同的預警預報日志，并通過互聯網將信息發布出去。

圖9 系統預警預報界面Fig.9 Diagram of the Early Warning and Forecasting Interface of the System

根據排澇、交通事件的突發情況，對海綿城市智慧應急功能提供搶險方案，聯合調動各部門進行搶險處理和維護措施，實現海綿城市建設的高效運行。根據內澇風險等級進行相應的智慧應急處理，同時生成應急搶險預案(圖10和圖11)。

最后，可以對系統的基本信息進行維護，界面如圖11所示。

圖10 系統智慧應急界面Fig.10 Diagram of Smart Emergency Interface of the System

圖11 信息管理界面Fig.11 Diagram of Information Management Interface

4 結論

目前，我國海綿城市建設研究仍處于初步探索階段，本文基于“一張圖”的設計思想為西安小寨區海綿城市建設提供技術方案，構建了以實現恢復水生態、改善水環境、提高水安全為目標的海綿城市智慧管理系統。

隨著系統的使用與維護，大大減少了相關工作人員的工作強度與工作量，提高了監測設備的運行效率，在一定程度上，降低了強降雨天氣給基礎設施帶來的損耗。智慧管理系統運行后，可通過電子屏幕實時監測各個站點的水流情況與管網的運行情況，減少了人工到現場勘察的時間。除此之外，系統還可以利用監測到的數據和外部收集到的數據對各項指標進行考核評估分析，對超出標準范圍的指標提出預警預報，根據不同程度預警等級及時做出應急處理，從而避免了不必要的城市內澇問題，同時提高了城市水資源的利用率，基本實現了海綿城市智慧管控的建設目標，為海綿城市的運行提供了保障。

今后，如能更加完善系統功能，使其性能進一步提升，可廣泛應用于其他海綿城市的管控工作，為與海綿城市相關的部門提供參考和借鑒。