GIS与模型技术在城市排水管线承载力评价中的应用

解智强，杜清运，高 忠，王贵武，黄 俊

(1.武汉大学资源环境科学学院，湖北武汉430070;2.昆明市城市地下管线探测管理办公室，云南昆明650011;3.英国Wallingford水力研究有限公司上海代表处，上海200120)

GIS与模型技术在城市排水管线承载力评价中的应用

解智强1，2，杜清运1，高 忠2，王贵武2，黄 俊3

(1.武汉大学资源环境科学学院，湖北武汉430070;2.昆明市城市地下管线探测管理办公室，云南昆明650011;3.英国Wallingford水力研究有限公司上海代表处，上海200120)

昆明旧城改造过程中，在城中村片区利用GIS技术对城市水环境进行数据库建设，并结合先进的InfoWorks CS软件进行排水模型计算，通过科学分析，对城市地下排水管线针对规划进行合理评价，为城市规划市政设计提供科学、准确的决策依据。

涉水GIS数据;排水管线水力模型;地下排水管线承载力

一、引 言

城市发展规模的不可预见性使得城市地下排水管线的承载能力存在明显的问题，主要体现在:①城市后期的建设规模受先期市政建设工程的限制，使得片区地下管线数量无法满足城市日常生活的需要;② 城市地下排水管线的改造缺乏科学依据，经验占主导地位的设计导致工作不全面，存在局限性和片面性;③ GIS等现代信息技术的缺乏，使脱离地下排水管线实际容量的建设施工的任意性加强，导致破坏水环境容量的不合理城市的建设工程频繁出现。

本文以GIS技术为基础，结合城市水力学理论，通过计算机信息技术的应用逐一解决上述问题。笔者利用昆明市已有的地下管线及城市GIS数据成果，通过专业模型软件InfoWorks CS建设地下排水管线数学模型;通过模拟计算，对新建片区地下排水管线承载力作出预测，为昆明市城市改造、建设、规划及管理作出科学、合理、客观的决策支持［1］。

二、GIS技术与模型建设技术在城市排水管线承载力研究中的作用

排水模型是基于排水原理，利用数学方法结合GIS数据与手段设计城市排水工作数学公式的集成。现代计算机技术的发展推动了排水系统模型软件的开发和应用，在城市雨、污水建设与管理中，排水系统模型的使用正成为不可或缺的手段。

基于GIS技术的排水管线模型是利用地理信息技术，结合现状地理数据，通过分析一系列的时间序列数据，包括地下排水管线重要数据，如水深、流速、流量、溢流、水质、充满度、降雨量、径流量和污染物冲刷量等及排水管线数据中的每个要素(节点、管线和汇水区)，科学有效地计算并模拟城市地下排水管线的实际工作情况［2］。

GIS技术在上述过程中可以直接为排水模型的建设提供关键支持，主要是:① 前期可为排水模型建设提供关键信息资源基础数据，特别是涉及排水环境的高质量3S数据(包括大比例尺地形图、高分辨率影像及DEM数据等);②后期可对模型模拟分析结果进行可视化的直观显示，这是排水模型可视化成果的直观表达，也是排水模型数据推广应用的关键。特别是GIS支持下的排水管线工作模型(软件)通过将模拟结果数据进行多角度、可视化的综合显示，使模拟计算结果易于理解，从而提高了模拟分析方法的实用化水平，促进了模拟分析方法在排水管线实际管理中的工程化应用［3-5］。

三、地下排水管线相关GIS数据库与排水模型建设

1.GIS排水管线及其专题数据建设

(1)数据类型

GIS管线数据包括城市研究区域的基础性大比例尺数据，源于基础测绘数据的GIS数据，以及基于排水属性构成的专题数据。这些数据是模型使用和校验的基础，其组成实际如表1所示。

表1 建设模型需要收集的专题数据

(2)数据存储与表达

上述数据独立存储于Oracle数据库中，图1为本项目涉及的昆明某代表性区域的排水管线系统在GIS软件上的数据表达，整个系统水流方向是从两端到中间，从东到西;两个出水口位于管线西侧。系统中绝大部分的雨污管道都是先独立运行，再接驳到合流制管道中，这是城市排水的普遍现象［6］。

图1 昆明某代表性区域内排水管线系统

2.基于InfoWorks CS的数字排水模型建设

InfoWorks CS模型系统为国际通用的流行应用的专业数字排水模型，能够精确模拟雨污水收集系统，预测雨污水管道系统的工作状态及对环境造成的影响。笔者研究涉及的排水模型建设主要包括以下模块。

(1)降雨—径流模块

本模块通过对集水区空间的划分和对不同产流特性的表面组成进行径流计算，主要解决降落在城市地表的降雨转化后的截留、地面填洼、渗透、直接地面径流，得到进入雨水口的地面径流，并显示径流进入雨水管道同基流会合，流过地下管线系统、辅助设施、溢流口等，最终进入受纳水体的过程。

(2)旱流污水模块

城市旱季排水由3部分组成:居民生活污水，工业废水以及渗入水。本模块通过设定人口数、人均流量、流量变化系数、工业废水排放模式与流量，以及通过管道裂缝流进系统的缓慢的渗流量等，自动模拟计算，得到进入管道系统的污水流量曲线。

(3)管道水力模块

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，能够仿真各种复杂的水力状况。

圣维南方程组是描述水道和其他具有自由表面的浅水体中渐变不恒定水流运动规律的偏微分方程组，是一对质量守恒和动量守恒等式［7］。即

式中，Q为流量;A为横截面积;g为重力加速度;θ为水平夹角的度数;So为床层坡度;K为输送量。

上述模块组成是以管道为代表的城市地下排水管线工作模型，模拟地下管道的工作实际情况，是GIS成果能够支持城市排水的关键。

四、GIS数据处理与数字排水模型关键要素设置

GIS数据处理与数字排水模型模拟设置是本项研究的关键环节，数据处理及关键要素设置的目的在于将支持计算过程及结果的数据与模型进一步优化，提升其准确性与置信度，使计算结果更加接近真实数据。

1.GIS数据处理

1)点文件处理:包括对排水井、泵站及相关点文件属性的准确性检查。

2)线文件处理:包括对排水管线、排水管线的雨污属性的准确性检查。

3)面文件处理:本研究GIS数据进行了严格的空间拓扑关系处理，对所有涉及的数据进行严格的构面整理，并结合研究区域，将地表分为砖、泥、土等多种材质的适宜路面并自动计算其大小等关键参数。

4)上述点、线、面数据之间的拓扑关系建设。

5)上述点、线、面数据准确性的现场验证［8］。

2.水文水力模型设置

(1)降雨设置

降雨量是考核排水管线接纳与消化能力的重要指标，笔者采用的设计暴雨分别为重现期一年一遇，由昆明市暴雨强度公式推得总降雨历时为2 h内的各时段对应的暴雨强度。短历时设计暴雨常用于管线水力模拟，辅助排水系统设计。通过考察设计暴雨产生的径流洪峰是否造成排水系统积水漫溢，评价不同方案的管线排水能力。

(2)污水量设置

污水量是考核城市排水管线承载的重要指标，与城市人口数量成正比，人口数量以人口密度的方式定义。笔者结合实际，将人均污水量设为200 L/h，再乘以人均变化系数，最终获得污水量入流曲线。片区的污水量包括生活污水和工商业污水。

(3)产流表面及用地类型划分

地表数据的建设是测试大地表面对大气降水吸纳能力的关键。笔者对GIS数据进行了严格的空间拓扑关系处理，对所有涉及的数据进行了严格的构面整理，结合研究区域，将地表分为砖、泥、土等多种材质的适宜路面。该区域内的路面、屋面、渗透面3种产流表面面积比例大致定义为2∶2∶1。

上述数据是计算地表对城市降水吸纳能力的关键［9］。

五、应用实例

笔者引入昆明某旧城改造片区排水管线的GIS数据，利用InfoWorks CS构建排水管网模型，分析新建小区对现状管网输送能力的影响，以及是否会发生内涝现象，是否需要对管网进行改造等，具体情况如下所示:

新建小区的面积约为7 hm2，小区人口密度约为200人/hm2，人均污水量约为200 L/d。通过对该片区已建GIS数据进行分析与比较，设定小区路面、屋顶、绿化带的比例约为4∶4∶2，小区雨污水排放到现有市政排水管网，如图2所示。

图2 新建小区雨污水排入现有市政排水管网

由于现有的排水管网为合流制，管径较大，旱季时，完全满足污水的排放，即使接入该新建小区的污水量，管道也能留有非常大的剩余空间，如图3所示。

图3 旱季时纳入新建小区污水量的现有排水管网的纵断面图

笔者评估了一年一遇降雨事件下新建小区雨污水排放对现有排水管网的影响。图4为未接收新建小区雨污水时，现有市政排水管网的纵断面水位图(显示为最不利状态)，图5为接收后的水位图(显示为最不利状态)。

由上图可见，新建小区加大了管道的输送压力，从未满管流变化为完全满管，虽然依旧能够保证在一年一遇的降雨下该条管道不发生冒水造成内涝，但是危险程度较高，很难保证在更大的暴雨情况下不出现问题。因此还需要分析评估两年一遇和5年一遇降雨下新建小区带来的影响，如图6、图7所示。

图4 一年一遇降雨下，未接收新建小区雨污水

图5 一年一遇降雨下，接收新建小区雨污水

图6 两年一遇降雨下，接收新建小区雨污水

图7 5年一遇降雨下，接收新建小区雨污水

模型分析得知，两年一遇的暴雨情况下，最高水位离地面的距离要大于60 cm，而5年一遇则该数值降低到30 cm，具有很大的风险。因此，若要以后者为控制条件，需要对新建小区或现有管网进行改造，或改变小区的地表组成，加大绿化的程度，或铺设透水性的地面，当然还可以以增大现有管网的管径或调蓄的方式来缓解管道的输送压力。

六、结束语

基于GIS技术的排水管线模型建设，有利于提出经济可行的城市建设中地下管线建设与改造方案，能够很大程度上对城市地下排水管线的承载力作出科学合理评价，最终作出规划决策，改善城市的人居环境。主要体现在:①随着GIS技术在城市科学决策过程中的深层次应用，利用GIS技术开发的InfoWorks CS等强大的排水管线模型软件能有效、科学、合理地分析城市地下管线的承载能力，从安全，经济，高效等方面对其进行综合评价;②利用GIS技术并结合城市排水模型软件还可为该专业领域规划管理方面提供科学、合理、客观的决策支持，通过科学调整承载力与用地关系，最终得到最为合理的满足地下管线承载能力的最可行的改造方案。

但是，在项目实践过程中，笔者认为以下方面需要作进一步完善，以提升项目的成果质量及评价体系的真实客观性:①GIS数据采集需要进一步完善规范，以保证本研究成果的真实性;② GIS数据需要作进一步深层次处理、挖掘，以提升应用能力;③排水模型建设完成后需要作进行多次深层次的检核，以保证其广泛推广与应用。

［1］ MARSALEK J，MAKSIMOVIC C，ZEMAN E，et al.Hydroinfomatics Tools for Planning，Design，Operation and Rehabilitation of Sewer Systems［M］.Hague: Springer，1998.

［2］ 朱元生.城市水文学［M］.北京:中国科学技术出版社，1991.

［3］ LIONG S Y，CHAN W T，LUM L H.Knowledge-based System for SWMM Runoff Component Calibration［J］.Journal of Water Resources Planning and Management，1991，117(5):507-524.

［4］ Wastewater Planning Users Group.Code of Practice for the Hydraulic Modelling of Sewer Systems［M］.Swindon:WRc，1993.

［5］ 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］∥第八届ESRI中国用户大会论文集.北京:测绘出版社，2009:457-458.

［6］ 姜永发，张书亮，曾巧玲，等.基于图论的城市排水管网GIS空间数据模型研究［C］∥中国地理信息系统协会第八届年会论文集.北京:科学出版社，2004: 787-794.

［7］ 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.

Application of GIS and Modeling Techniques in Municipal Sewer Line Capacity Evaluation

XIE Zhiqiang，DU Qingyun，GAO Zhong，WANG Guiwu，HUANG Jun

0494-0911(2011)12-0050-04

P208

B

2011-07-20

建设部2011年科学技术计划资助项目;昆明市2010年科技计划资助项目(10H130104)

解智强(1973—)，男，云南罗平人，博士生，主要研究方向为地图学与地理信息系统(地下管线信息化)在资源环境工程中的应用。