本文以西安某園區為例，探討了基于海綿城市理念的智慧水務解決方案，并且評估了智慧水務的效果。智慧水務由感知層、傳輸層、數據層、業務層和智能分析層構成，其中計算機模型包含水動力模型、內澇模型和活性污泥模型。智慧水務系統可為該園區水景實現水質和水量的正常供應，以及景區內內澇預警和調劑功能，提高了決策支持系統和智慧水務沙盤。

1項目背景

園區位于西安周邊，總面積14.09km2，基本呈矩形，見圖1。

根據規劃，園區污水處理廠出水須達到一級A標準，即100%須進行深度處理，此標準幾乎等同于再生水水質指標。故再生水處理率為100%，其可利用規模為2萬m3/d。再生水的回用有3個去處：農田灌溉、城市綠化用水和河道景觀補水，規劃園區景觀水體補水水源為再生水，不低于Ⅳ類水標準，由于再生水執行的是一級A標準，其中的各項污染物指標仍然高于地表水劣Ⅴ類水，需要對補水量和補水點進行評估。

另外一方面，由于氣候變化導致極端氣候增加，要使得發生城市內澇防治標準（50年一遇24h）以內的暴雨時，城市不發生內澇災害，規劃整個園區設置1座雨水排澇泵站，規模9.0m3/s。由于景觀水系中規劃了游船等設施，要求防澇標準內，水系水面變化幅度盡可能小。

擬通過智慧水務系統實現以下目標：

（1）對園區的海綿城市的規劃進行評估，實現園區水務管理智慧化。

（2）利用數學模型的方法研究再生水污染物質在景觀水系中的濃度分布，為補水量和補水點管理提供支撐依據。

（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，內澇可能產生的風險，對雨水防澇泵站進行管理，確保景觀水系水位穩定，以利旅游開發。

（4）對于建設好的設施和設備進行合適的調度運營，搭建基于海綿城市設施的傳感器，通訊網絡，水文模型的智慧水務系統，本研究對此智慧水務系統的效果做了初步展望。

2園區智慧水務方案

結合園區海綿城市監督與考核需求，園區智慧水務規劃建設相關信息化系統，信息化系統將按照總體規劃、分步實施、統一標準、信息公開、資源共享的原則逐步發展成為一個綜合的智慧水務管理平臺。系統將以更加精細和動態的控制方式管理供排水系統的整個生產、管理和服務流程，以流程標準化、管理精細化和決策智能化為建設目標，實現對供排水設施的全面、動態化管理，實時監控排水管網的關鍵點、自動預警等。充分利用互聯網、物聯網技術和云技術，進行服務效能整合與升級、加強資源整合與共享，實現節能減排，提高資產運維管理效率，進而提高水務行業的信息化管理水平。智慧水務監控中心及相應沙盤規劃設置在規劃展覽館內。

2.1智慧水務特點

作為有效提升園區水務管理和服務水平的創新技術，園區智慧水務方案具有以下區別與傳統的水務管理模式的特點：

（1）支持更全面的感知。通過運用各種感知技術，全面感知園區的各個方面水務和海綿的相關信息，通過遍布于園區所有涉水區域，尤其是海綿設施、污水處理廠、泵站、管網、下立交、河道等關鍵區域的傳感器與智能設備將組成物聯網，實時對水資源流動全過程進行測量、監控與分析，做到變被動為主動、全面感知。

（2）支持更廣泛的互聯互通。運用網絡、通信、交互、集成、移動等技術，信息孤島和業務隔閡將被打通，實現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，整個的水體循環都能夠在智慧水務里面進行互聯互通，有利于園區水務運營管理者掌握水務運營管理全貌，也有利于當地居民便捷接收信息，最終達到水務管理與服務的有機、協同化運作。

（3）支持更深入的智能決策。智能決策不是某個環節的智能化，而是深入結合大數據技術，運用數據挖掘、知識發現、專家系統等人工智能技術，為水務運行管理工作提供強大的決策支持，強化水務運行管理的科學性和前瞻性。同時，智能決策還意味著系統對某些事態進行預處理并自主做出決策。

（4）支持更主動的公眾服務。利用物聯網、無線網、移動互聯網等先進技術，使相關服務信息能夠迅速傳遞到每個需要知悉的人員以達到系統支撐的更主動的公眾服務。通過智能服務系統的建設，使整個服務過程可視化、可管理、可追溯，實現社會服務的主動化，從而實現對公眾服務能力提升的有力保障。

2.2園區智慧水務系統構成

智慧水務信息系統采用多層結構與具體應用支撐相結合的設計方式，分別是感知層、傳輸層、數據層、業務層和智能分析層。

2.2.1感知層

感知層作為信息采集、交換服務的基礎，通過覆蓋園區的監測設備、移動終端、傳感器成為為智慧大腦提供外部信息的感官觸角，在智慧水務建設中具有基礎性地位。本項目感知層—涉水監測體系中，測量儀器有多個模塊，見表1。

2.2.2傳輸層—通信網絡

傳輸層通過互聯網、通信網等基礎傳輸網絡實現信息資源的高效共享和交換，針對互聯網、移動無線專網等不同范圍網絡平臺提供相應的隔離措施與安全保障。智慧水務通信網絡主要是利用通信公司建立的移動無線專網，結合園區的行業局域網進行數據信息的傳輸和共享。

2.2.3數據層—涉水綜合數據管理

數據層完成對感知層來源數據、管網基礎數據、綜合業務數據及其他平臺涉及數據的匯集、共建共享與更新維護，為上層業務集成與應用提供完整的數據分析依據。在智能應用層中對涉水業務的管理、運營工作中各類事務特征和變化規律進行抽象描述和規律研究，用系統功能滿足業務管理對智慧的需求，同時承載智慧水務系統的各類資源、目錄與存儲發布信息，為各相關用戶提供城市管理公共資源。

涉水綜合數據管理將基礎空間數據、管網數據與業務數據進行統一匯總，既可以對現有各業務支撐系統專題數據進行整合，又可無縫獲取智能應用產生的各類決策支持信息，從而實現整個水務數據的流轉、匯集、共建共享與動態更新。同時，還可通過智慧水務運營管理平臺對城市綜合管理及其他市政領域（如燃氣、照明等）進行在線數據發布服務、市政基礎設施數據的交換與共享，以此滿足智慧城市遠期發展的需要。

涉水綜合數據管理將充分考慮園區水務運營服務模式和服務內容的實際需求，在不改變原有數據庫和信息系統的情況下，有效解決多源、異構和海量數據的交換和共享。通過WebService技術和基于JSON、XML格式的數據服務規范接口，遵循OGC的WMS網絡地圖服務與WFS網絡要素服務標準，解決了異構數據庫之間的互通互訪，能夠提供排水數據服務、功能服務、業務位置服務、服務管理以及多場景可擴展的SOAP和REST的訪問接口系統框架，為智慧水務應用的構建提供了理想的數據和功能環境。

2.2.4業務層—業務處理系統

智慧水務業務處理系統包括GIS（GeographisInformationSystem）系統、數據采集監控系統、模擬方案管理系統和智能分析層。

2.2.4.1GIS系統

水務GIS系統的建設是智慧水務的基礎。該GIS系統的建設是基于對對污水管線、雨水管線、中水管線以及相關資料的信息化基礎之上。根據該GIS系統，可以實現管線資料高效率的保存、修改、增添、刪除和轉移等基本管理工作，還可以實現與其他GIS系統，如道路GIS系統、煤氣GIS系統、電信GIS系統和城市規劃GIS系統等的完美整合，提高整個城市管理和建設的效率，促進城市資源的優化配置。水務GIS系統可以為高級水務模型的開發和建設提供源源不斷的數據，是智慧水務建設的下層物質基礎。目前西咸智慧水務的建設需要依靠比較完善的水務GIS系統，但是水務系統的基礎設施與其他城市基礎設施息息相關，如在管網中增添某一泵站，可能促進整個供水系統的能量優化，但是泵站的建設可能受制于當地電力系統資源的供給或土地資源的供應等。在智慧城市建設的大背景下，完成各行業GIS的構建以及這些GIS系統之間數據共享和決策統一，將任重道遠。西咸智慧水務項目建設需要GIS系統與其他業務系統及智能應用系統進行高度的集成和融合，最大程度實現信息流通與共享，并在此基礎上進行深度的數據分析和挖掘，支撐起更高層次的智慧應用。

2.2.4.2數據采集監控系統

對于智慧水務系統來說，僅僅是視頻信息遠遠不能滿足需求，必須建立一套完整的排水數據采集與監控系統，將感知層中的水位、流量、雨量、水泵運行參數等信息進行收集與管理，為智慧分析與應用提供數據支撐。

2.2.4.3模擬方案管理系統

模擬方案管理系統是面向專業技術人員的數學模型后臺管理工具。因為專業的數學模型軟件界面比較復雜，參數信息繁多，對于業務人員來說操作難度較大，因此該系統通過簡化的系統界面將復雜的模型作業過程進行了簡化，在直觀的方案管理體系中對模型方案進行編制與修改，是進行模型搭建與編制、模型系統化應用和水務管理模擬與分析的基礎。該系統不僅可以導入用戶自己編制的各類方案，并且可以從在線系統中抓取快照，構建各種類型應用的離線模型方案，不管是模型專家還是普通技術人員都可以在此系統上借助管網模型進行各種方案編制與專業分析，通過智能應用層面的各類子系統功能可以全面了解現狀管網的運行狀況，評價管網改造、更新設計方案的合理性，評估調度方案的可行性等，為管網系統運行的安全性與經濟性提供支撐保證。

2.2.5智能分析層

智能分析層作為智慧排水系統中的核心計算“大腦”，為系統提供了基于各類數據、業務信息以邊界條件、約束條件及運行目標等綜合因素的“思考”能力，為數據的深度挖掘進而產生有價值的信息提供了核心計算能力，并能充分結合業務專家經驗及其他人工智慧信息為排水系統的調度管理及運營決策提供更智能的優化措施建議，通過其他智能應用子系統將“思考”成果推送到智慧水務系統的各個方面。

智能分析層包括了數據挖掘應用、水力水質數學模型建設、沙河智能補水控制系統、西咸初期雨水及海綿城市監控調度系統以及污水處理廠全流程優化運行控制五大方面的內容，通過系統集成策略將與智能應用的各個方面有效結合起來，形成各個方向的智能應用的有力技術支撐。

2.3智慧水務系統發展目標

智慧水務系統最終達到的目標如下：

（1）實現污水處理廠全廠優化運行，保證水質達標的同時，最大程度地減少能耗；

（2）旱季污水處理廠的中水能夠補充沙河的景觀用水，并且保證景觀用水的水質，同時，減少自來水補水和灃河水量的補給；

（3）智慧水務系統會根據灃河的水質和水位情況進行優化的補水補給；

（4）雨季海綿城市措施發揮作用，削減面源污染并且削減入河洪峰，并根據監測大數據對海綿設施及進行定期的維護和管理，保證海綿設施的正常工況運行；

（5）雨季對公眾提供低洼積水點內澇預警。

3計算機模型技術在智慧水務系統中的作用

智慧水務中的智能分析層是智慧水務的核心，而其中的主要用于核心計算的工具是水文模型，在園區的智慧水務系統里面，主要使用的水文模型有：用于景觀水系水動力水質模擬的二維模型，用于城市內澇風險評估和預警的內澇模型以及污水處理廠的微生物活性污泥模型。

3.1水動力模型

本項目中，水動力模型使用某國際知名廠家開發的二維水流模擬軟件搭建了二維水動力模型。對水質環境的影響主要考慮工程后沙河內換水速率和周期的計算。利用水質模塊模擬示蹤劑擴散過程和粒子追蹤過程。根據標定示蹤劑的試驗方法，來表征模型研究中河道內的換水速率、換水周期以及可能的緩沖區、死水區的計算分析，建立總氮、總磷的擴散、衰減模型，模擬換水期間濃度分布以及穩定后的濃度分布。數值計算方法采用基于非結構網格的有限體積法，其具有計算速度快及復雜地形擬合較好等優點。并保證物質通量守恒。模型求解采用非結構網格中心網格有限體積法求解，其優點為計算速度較快，非結構網格可以擬合復雜地形。在進行數學模型計算時，依據工程區水下地形圖確定水深，并將水深換算至當地平均海平面。計算網格由三角形單元構成，這樣能較好的擬合岸線。依據研究的需要，采用不同的空間分辨率和網格尺度。為節約計算容量，節省時間，對網格進行嵌套，單元格邊長約為10~15m。所建數學模型網格節點數為2908個，單元總數為6209個。水動力模型邊界條件分為兩類：（1）上邊界條件：入流邊界條件，為補水流量；（2）蒸發/滲透邊界條件：西安地區屬于半干旱地區，蒸發旺盛。同時由于沙壤土質的性質，河道滲透嚴重。根據當地經驗，取水的蒸發與滲漏速率為24.04mm/d。該模型主要參數有糙率、渦粘系數和時間步長。糙率與河流水深、床面形態、植被條件等因素有關，本模型采用曼寧糙率系數為0.025。渦粘系數采用Smagorinsky公式估算，相應Smagorinsky系數取值為0.25m2/s。根據模型網格大小、水深條件動態調整模型計算時間步長，使CFL數小于0.8，滿足模型穩定的要求，計算時步長在0.01～30s。

該模型模擬的成果如圖2所示。圖2a是在某補水方案條件下，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域換水是比較快的，哪些區域是緩沖區和死水區，基于這些信息可以采取相應的措施。圖2b～2d是在某補水方案條件下，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，可以很好地對換水周期進行指示。用來指導補水的水量和補水點的調整，以達到換水周期的要求。

3.2內澇模型

園區內澇模型包含一維管網模型、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。通過計算機模擬獲得雨水徑流的流態、水位變化、積水范圍和淹沒時間等信息，采用單一指標或者多個指標疊加，可以綜合評估城市內澇災害的危險性；結合城市區域重要性和敏感性，也可以對城市進行內澇風險等級進行劃分。

模型中應用的降雨邊界條件主要包括短歷時設計降雨和長歷時設計降雨。設計暴雨選用模式雨型，短歷時降雨歷時為2h，研究區域雨峰系數取定為0.4，降雨重現期分別為1年、2年、3年、5年、10年、20年、50年，降雨時間步長為5min。長歷時降雨采用50年一遇24h、100年一遇24h和300年一遇24h設計降雨過程。根據提供的降雨規律分析得知長歷時24h降雨的設計暴雨時程，并根據不同重現期的總降雨量進行分配得到不同重現期下的長歷時設計降雨。

此模型既可在降雨條件下對園區內的地面積水情況做出準確的模擬，也可以模擬管網中的水動力參數情況，包括流量和水位。其中管網的水動力模塊計算的是非恒定流，計算建立于一維自由水面流的圣維南方程組，即連續性方程（質量守恒）和動量方程（動量守恒—牛頓第二定律）。該方程采用Abbott六點隱式格式有限差分數值求解，此計算方法可以自動調整時間步長，并為分支或環型管網提供有效而準確的解法。該計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，大部分的水流現象如倒灌和溢流等都可以精確的模擬。

管網水動力模型的參數設置，決定了模型模擬的準確性。在一維管網水動力模型中，主要涉及的參數有：平均坡面流速、模擬時間步長、管道曼寧數、檢查井局部水頭損失。這些參數包括模擬時間步長、平均坡面流速、管道曼寧數、檢查井局部水頭損失、和檢查井直徑等。該項目中，模擬時間根據系統穩定性，自動調節模擬步長，取值范圍為5~30s，每一個集水區的平均流速，決定了該段管道的匯流時間，平均坡面流速設為0.3m/s。對于管徑≤DN800的鋼筋混凝土管管道，曼寧數設為75；管徑≥DN1000為高密度聚乙烯管，曼寧數設為100，忽略檢查井局部水頭損失，為確保管道的排水能力，設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模型的水力交互方式，地表的最大入流量表示積水進入和流出檢查井的最大入流量，設為0.2m3/s，耦合位置指檢查井所在的地形網格。

圖3是在降雨條件下園區某區域的內澇積水分布，包括重要積水點的水位過程和流量過程，以及重要管道的水位縱斷面，表2是基于內澇模型，不同級別降雨重現期下內澇風險區域的面積統計。

3.3活性污泥模型

污水處理廠的模擬采用商業活性污泥模擬軟件進行，該軟件是一個操作靈活、界面開放、功能強大的污水處理廠模擬軟件，可以構建和模擬幾乎所有的污水處理工藝及構造。基于該軟件建立污水處理廠生化處理工藝模型，可以有效評估污水處理廠運行過程中存在的問題，提出優化運行的解決方案。此外，可以作為基層操作者和技術人員有效管理和控制污水處理廠的決策支持工具。可以選擇污水廠的任意一組工藝進行建模、模擬與測試。

圖4是在不同的污水處理廠的工藝參數條件組合下，通過軟件模擬得出的在滿足污水出水達標前提下，能耗最節省的方案。該軟件在應用過程中，包括4大模塊：①構造污水處理工藝，包括反應器的組合、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、確定構筑物的體積與流量以及模型參數的賦值；③進行穩態模擬，確定仿真初步條件，包括輸入穩態入流水質選定計算步長、對各池模型參數進行參數賦值和模擬計算得到穩態模擬結果；④動態仿真模擬，在該模塊中，包括輸入污水廠動態進水水質、模擬計算得到動態模擬結果和輸出圖形或數值結果。其中模擬結果需要與實際出水水質進行比較，如不一致（滿足一定精度要求）則進行參數靈敏度分析、過渡分析和模型調整與校正，當模擬結果與實際結果一致時，輸入動態模擬結果。通過該軟件生成多種解決方案進而得出最優方案。

4智慧水務效果展示

智慧水務建成后主要展示部分為決策支持系統和智慧水務沙盤系統兩大內容。

4.1決策支持系統

決策支持系統是園區的智慧水務的核心，決策支持系統將部署在運營中心，并且可以通過網絡，智能終端設備進行訪問。決策支持系統主要包含景觀水體智能補水控制系統、初期雨水及海綿城市監控系統和污水處理廠全流程優化運行控制系統。

4.1.1景觀水體智能補水控制系統

以沙河為主的景觀水體，作為園區內主要的景觀河道和調蓄雨洪的重要設施，它的水量和水質直接關系到它能夠實現的功能，因此，需要對于沙河的不同河段的水位和水質進行實時的監測和信息傳輸，并且把這些信息作為輸入量和觸發，在需要進行補水的時候采取必要的措施，使沙河的水位和水質能夠維持在功能性的需求水平。這個需要建立一個智能補水控制系統，如水位低于閾值時，自動觸發再生水補水或者自來水補水，如水質有惡化趨勢時，加大補水量以減少停留時間等。

4.1.2初期雨水及海綿城市監控系統

園區內的初期雨水會對景觀水體造成污染，海綿城市的基礎設施建設完成之后，包括初期雨水的截留設施，如何運營好這些設施，對于海綿城市的成效至關重要，初期雨水及海綿城市監控系統將對這些主要設施的運行情況進行監控，并且對可操控的設施進行有效的調度，使海綿城市中的基礎設施建設的效益最大化。

4.1.3污水處理廠全流程優化運行控制系統

為了達到污水處理廠優化運營的目的，污水處理廠全流程優化控制系統在保證出水水質的前提條件下，污水處理穩定，設備運行工況正常，且將污水處理廠的能耗保持在一個較低的水平，在應急情況下，能夠對不同的處置方案的效果進行評估，供運行管理者進行甄選決策。

4.2智慧水務沙盤系統

園區智慧水務沙盤系統是按等比例對園區進行縮放，能夠直觀的展示區域內的地形地貌，并且對規劃和已建成的雨水、污水、再生水系統進行動態的展示，使參觀者能夠對于智慧水務的理念和實際運營有深刻的理解，也可以作為教育基地對高校和中小學生進行定期開放。整體智慧水務沙盤系統由實體城市沙盤、水系統沙盤和投影沙盤3部分構成。

4.2.1實體城市沙盤

實體城市沙盤見圖5，擬按1∶1000比例進行建立，包含多種城市要素，如：樓房、公路、鐵路、橋梁、隧道、河道、農田、污水處理廠、泵站等。整個城市沙盤需進行特殊處理和防護，能夠滿足防水要求，占地約為15m2。

4.2.2水系統沙盤

實體城市沙盤只是對城市的一個靜態縮影，要體現智慧水務在城市中的應用，需要進行動態水系統循環的展示，此展示使用實際的降水模擬雨水系統，使用水泵水力循環系統模擬污水處理廠的再生水回用。降水采用高精度噴淋系統進行控制，可以模擬如50年一遇，100年一遇時降雨時地面積水情況，和相應的控制措施。沙河中的水位上升和下降對于相應泵站的控制等。

4.2.3投影沙盤（決策支持系統示意）

使用三維動畫投影沙盤可以讓參觀者看到在物理實體沙盤中不能看到的水系統循環的信息，如污水處理廠的優化處理過程、地下雨水管網、污水管網和再生水管網的優化運營過程，并且對其進行講解，可視現場具體情況考慮是否將投影沙盤和水系統沙盤進行聯動控制。

5結論及建議

從智慧地球，到智慧城市，再到智慧水務，智慧水務的發展是水務信息系統發展的必然趨勢，園區智慧水務系統方案，作為園區水務信息系統的頂層設計的，力圖利用自上而下的手段來發現問題、解決問題，既有基于對技術發展趨勢的判斷，也需要要洞悉各個子系統之間的相關性，更要有操作層面上的指導性。本文探討了西安某園區海綿城市建成后的智慧水務系統規劃方案，為后續的海綿城市設施智慧水務系統實施夯實了基礎。

但在本項目水文模型使用的過程中，由于園區均為新建區，缺乏“未來”實測數據的積累，很多的參數使用了同類區域的參考值，在海綿城市建成后，需要根據實際監測的數據對模型的參數進行率定和調整，以使模型能更準確的反應實際狀況，這部分工作由于技術發展尚需水務技術人員人工介入。此外，智慧水務的發展尚處于初級階段，在智慧水務運營的過程中，當有一定量的監測數據積累和模型的運行經驗以后，再逐步將各個主體的水務模型進行整合，使得不同體系的水務模型能夠進行系統的銜接，實現真正的一體化智慧水務。