基于GIS技術的海綿城市雨污分流排水管網規劃研究

摘要：為優化海綿城市雨污分流規劃效果，提高污水集中收集率，改善城市水環境，利用地理信息系統（Geographic Information System，GIS）開展海綿城市雨污分流排水管網規劃研究。首先，采集海綿城市的基礎地理數據、氣象水文數據及城市設施數據，利用GIS技術建立空間數據庫；其次，對海綿城市進行水文模擬，估計地表徑流產生量與降雨初期徑流量，獲取全面的水文數據支持；最后，確定污水管道的最大設計流量，規劃雨污分流排水管網，使雨水和生活污水分別排入兩個不同的排水干道。實驗結果表明，該方法在不同降雨條件下均表現出較高的污水集中收集率，有效提高了雨污分流排水管網運行效果。

關鍵詞：地理信息系統（GIS）；海綿城市；雨污分流；排水管網

中圖分類號：TU992 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-00-03

Research on Planning of Rainwater and Sewage Diversion and Drainage Network in Sponge City Based on GIS Technology

Abstract： In order to optimize the planning effect of rainwater and sewage diversion in sponge cities， improve the centralized collection rate of sewage， and enhance the urban water environment， the Geographic Information System （GIS） technology is used to conduct research on the planning of rainwater and sewage diversion and drainage pipe networks in sponge cities. Firstly， collect basic geographic data， meteorological and hydrological data， and urban facility data of sponge cities， and establish a spatial database using GIS technology. Secondly， conduct hydrological simulations on sponge cities to estimate surface runoff and initial rainfall runoff， and obtain comprehensive hydrological data support. Finally， determine the maximum design flow rate of the sewage pipeline， plan the rainwater and sewage diversion drainage network， so that rainwater and domestic sewage are discharged into two different drainage arteries. The experimental results show that this method exhibits a high centralized sewage collection rate under different rainfall conditions， effectively improving the operation efficiency of the rainwater and sewage diversion drainage network.

Keywords： Geographic Information System （GIS）; sponge city; rainwater and sewage diversion; drainage pipeline network

雨污分流不僅能夠有效減少污水對自然水體的污染，還能提高雨水資源的利用率，促進水資源的可持續管理。然而，傳統排水管網規劃方法在實際應用中仍然存在不足。例如，蘇瓊嬋[1]提出通過地形坡度引導雨水流向，利用重力作用實現自然分流。但是，該方法對地形條件依賴性強，難以在平坦或低洼地區實施。胡煥茜[2]提出通過物理屏障將雨水和污水在空間上進行分隔，確保兩者不相互混合。但是，該方法需要較高的建設成本和復雜的施工技術，且在實際運行中可能存在維護困難、效率不高等問題?；诖耍_展基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）的海綿城市雨污分流排水管網規劃研究。

1 基于GIS技術的海綿城市數據整合

基于GIS技術的海綿城市數據整合涉及將多種來源、多種格式的數據統一整合到GIS平臺中，以便進行空間分析、決策支持和規劃管理[3]。通過政府測繪部門、規劃部門或公開的地理信息系統平臺，收集城市的行政區劃、地形地貌、水系分布、道路網絡、建筑物分布等基礎地理數據。從市政設施管理部門或相關企業的數據庫中采集城市設施數據，包括現有的排水管網、雨水收集設施（如雨水花園、下沉式綠地）、污水處理廠、泵站等的數據。根據降雨量、降雨強度、蒸發量等氣象數據，以及河流流量、水位等水文數據，分析城市的水文過程[4]。

在構建空間數據庫的過程中，首先將各類異源數據統一轉換為GIS平臺兼容的格式，如Shapefile（.shp）或GeoJSON（.geojson）。為確?？臻g數據的一致性和準確性，使用GIS軟件的坐標轉換工具，將所有數據的坐標系統統一到國際通用的WGS 84（EPSG：4326）地理坐標系。

隨后，利用ArcGIS、QGIS等GIS軟件平臺，開始構建空間數據庫。將經過格式轉換和坐標統一的數據批量導入空間數據庫中，利用GIS軟件的空間分析和數據處理能力，通過空間關系或屬性關系，將不同來源的數據進行深度關聯和融合，促進數據間的互聯互通。最后，充分利用GIS平臺的數據可視化功能，將整合后的復雜數據以圖表形式展示出來。

2 海綿城市水文模擬

利用GIS軟件中的地形分析工具，如ArcGIS的3D Analyst擴展模塊，根據數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數據生成三維地形模型。根據建立的空間數據庫，對地形模型進行水文模擬，估算海綿城市地表的徑流產生量，公式為

式中：ψ表示綜合徑流系數；Fi表示第i種下墊面的面積；ψi表示第i種下墊面的徑流系數；M表示總匯水面積。通過式（1）估算城市地表的徑流產生量。估算降雨初期產生的徑流量，公式為

W=10×δ×M（2）

式中：W表示降雨初期產生的徑流量；δ表示初期徑流厚度。通過上述流程，為城市管理者提供全面、準確、實時的水文數據支持，有助于實現海綿城市的科學規劃和有效管理。

3 雨污分流排水管網規劃

在海綿城市數據整合與水文模擬結果的基礎上，規劃雨污分流排水管網，將城市中的雨水和污水分開收集、輸送和處理，以提高城市排水系統的效率和環境效益。

根據城市地形、水系分布、道路網絡等條件，制定雨污分流排水管網的總體布局方案。確定分流點的位置、管道的走向、管徑的選擇等具體設計參數。使用公式計算雨水設計流量：

Qs=O×ψ×M（3）

式中：Qs表示雨水設計流量；O表示設計暴雨強度。根據城市污水排放量、徑流產生量和雨水設計流量，確定污水管道的最大設計流量。在此基礎上，規劃雨污分流排水管網，組成結構如圖1所示。

干道主體結構選用高強度的鋼筋混凝土材質，以增強其承載能力與耐久性。頂部鋪設了重型混凝土蓋板，確保結構安全與通行順暢。在關鍵接戶井位置，配置先進的合流制截流設施，該設施專為雨污合流系統設計[5]。截流井由雨污接入口、雨污接入室、獨特的階梯狀過渡室及排放室4部分組成。排放室的一端遠離雨污接入口處，設置了雨水輸出口，而排放室底部則留有污水輸出口，實現了空間上的有效分隔。特別值得注意的是，階梯狀過渡室內的階梯設計，其走向規劃為與水流方向垂直。這一設計不僅優化了水流路徑，還促進了雨污的自然分層。

在日常運營中，生活污水主要通過底部的污水輸出口有序排出，而遇到降雨天氣時，雨水則通過上部的雨水輸出口迅速排放，二者互不干擾，實現了高效的雨污自動分離。這一設計使得現有的排水干道能夠作為生活污水的主要排放通道，而新建的雨水干道則用于雨水的收集與排放，最終確保雨水與生活污水能夠分別被引導至各自獨立的排水干道系統中，有效提高了城市排水系統的整體效率與環保性能。

4 試驗分析

4.1 工程概況

某海綿城市示范區的區域總面積為10 km2，地勢相對平坦，平均坡度約為2%。區域涵蓋居民區、商業區、工業區及少量綠地。年降雨量為1 200 mm，且降雨分布不均，夏季易出現強降雨天氣。

4.2 試驗配置

選用ArcGIS軟件作為主要的GIS平臺，利用其強大的空間數據處理、分析和可視化功能，支撐整個規劃過程。收集并整合了包括地形圖（比例尺為1∶500）、衛星影像（分辨率為0.5 m）、水文地質數據、現有排水管網數據等在內的多種數據源。通過ArcGIS軟件進行數據清洗、轉換和標準化處理，確保數據的準確性和一致性?；贕IS平臺構建城市水文模型，用于模擬不同降雨條件下排水管網的水流狀況。

4.3 規劃效果分析

將污水集中收集率作為排水管網雨污分流效果的評估指標。將基于GIS技術的海綿城市雨污分流排水管網規劃方法設置為實驗組，將文獻[1]、文獻[2]提出的兩種傳統規劃方法分別設置為對照組A與對照組B。3種規劃方法的污水集中收集率如圖2所示。其中，01表示小雨情況，降雨量為5 mm/h；02表示中雨情況，降雨量為15 mm/h；03表示大雨情況，降雨量為30 mm/h；04表示暴雨情況，降雨量為50 mm/h；05表示大暴雨情況，降雨量為100 mm/h；06表示特大暴雨情況，降雨量大于等于150 mm/h。

從圖2可以看出，隨著降雨強度的增加，實驗組在不同降雨條件下均表現出較高的污水集中收集率，且數值相對穩定，波動范圍較小，能夠針對不同降雨條件進行優化設計，確保雨污分流排水管網穩定運行。

5 結論

針對傳統排水管網規劃方法在實際應用中存在的不足，提出基于GIS技術的海綿城市雨污分流排水管網規劃方法。該方法不僅有助于提升城市排水系統的抗災能力，還能有效改善城市水環境，促進生態與經濟的可持續發展。隨著GIS技術的不斷發展和完善，其在海綿城市雨污分流排水管網規劃中的應用將更加廣泛和深入。未來，將進一步挖掘GIS技術的潛力，推動城市排水系統向更加智能化、綠色化、高效化的方向發展。

參考文獻

1 蘇瓊嬋.深圳老舊小區排水管網存在問題及治理對策[J].吉林水利，2023（6）：76-78.

2 胡煥茜.城鎮排水管網雨污分流改造工程前期測量分析[J].華北自然資源，2022（3）：80-82.

3 潘靖陽，張萬輝，楊仕超，等.城市地下排水管網探測技術研究現狀與發展趨勢[J].廣東土木與建筑，2022（3）：40-44.

4 林 兵.市政排水管網規劃及優化設計[J].工程技術研究，2022（1）：181-182.

5 徐建宇，林安川，普江平，等.昆鋼生活區城市合流管網雨污分流改造技術[J].工程建設，2021（7）：55-58.