镇江：探索智慧水务建设

文｜胡坚 王浩正 张磊 王燕 佘年

江苏省镇江市作为首批海绵试点城市，试点建设区域位于主城区，总面积为22km2，人口约27.6万。试点区大部分为高密度老城区，地表硬化率高。试点区管网老旧、标准偏低，面源污染和内涝问题均比较突出。相对于新建城区，老城区海绵城市规划和建设难度更大。因此，在镇江市供排水数字化系统的基础上，综合应用地理信息、在线监测、自动化控制、计算机模型等技术建设镇江市智慧海绵城市系统，为城市水务管理者在海绵城市规划、设计、工程建设和运营管养等各阶段提供科学的辅助决策手段，提升镇江市水务管理的智慧化水平。

智慧化技术应用

1、监测系统建设

海绵城市的监测需要实现对局部和整体建设效果的评估，为目标监管和运营管养提供决策支持。因此，主要监测内容应包括降雨量监测、受纳水体监测、市政管网监测、海绵设施监测、下垫面监测。镇江市海绵城市监测依据以下原则进行布点：雨量监测。按照每5平方公里一个雨量计的原则尽可能均匀布置雨量计，以获得更准确的雨量及模型输入数据；受纳水体监测。通过三条河道的水量和水质监测，掌握示范区整体的径流量削减水平和径流污染控制水平；市政管网监测。通过市政管网关键节点水量和水质监测，掌握典型区域海绵设施运行整体效果；海绵设施监测。通过典型海绵设施出入口水量和水质监测，掌握典型设施的径流量控制效果和面源污染削减能力；下垫面监测。通过典型下垫面水量水质监测和掌握典型下垫面的产流规律、面源污染负荷水平及初期雨水污染规律。通过以上五级监测，可科学全面的分析镇江市海绵城市实施效果。排水管道的很多监测设备成本较高，在以上5类监测点布局时，需合理选择监测点位，实现对典型设施、典型项目、典型区块的监测，并以以点带面的方法进行系统评估，但应做可靠性验证工作，以最少的数据实现最佳的评估效果。

图1 镇江市海绵试点区排水管网模型

图2 镇江市金山湖流域水质模型

图3 智慧海绵系统MEAN架构

2、模拟技术

水文水力和水质模型在城市水务管理中得到了越来越多的重视和应用，是水务数字化系统向智慧化升级的重要工具。镇江市主要构建了管网模型、流域模型和水质模型三类模型，主要用于总体方案顶层设计，设计方案评估、城市内涝预警和水务系统调度分析等管理工作的决策支持。

3、MEAN架构

智慧海绵系统服务用户众多，涉及不同来源的海量数据，是一个基于网络数据服务的平台，因此，采用B/S作为总体软件架构便于集成各类数据，保持客户端的轻量化和友好化。软件开发采用MEAN架构，即MongoDB+Express+Angul arJS+Node.js。MongoDB作为平台数据库，适合于海绵城市建设过程的海量数据管理，MongoDB的Sharding集群具备大数据存储与分析能力；Node.js与Express搭建平台后台服务，轻量高效，是数据密集型分布式部署环境下实时应用系统的完美解决方案； AngularJS是基于Html5的前台框架，数据双向绑定、模块化设计、语义化标签等特性，结合BootStrap，能够基于海绵业务功能需求快速搭建与开发友好美观的用户交互界面。

系统主要功能

镇江市在海绵城市建设前，已经进行了供排水数字化系统的建设，进行了供排水数据的数字化管理和主要业务的电子化办公，并且在防汛应急指挥管理等业务采用监测、模型和移动终端等技术进行了智慧化探索。智慧海绵系统的建设是在海绵城市建设背景下，基于新的工程规划、设计、建设和管理特点，在供排水数字化基础上进行的智慧化探索。提升监测和模型在水务管理中的应用水平。实现海绵城市相关数据与供排水数据的整合，实现海绵城市建设目标自上而下的管理，实现项目建设全生命周期的辅助决策，实现海绵设施与传统排水设施的有序运行和联合调度。

1、海绵地图

海绵城市建设的空间维度，涉及从城市到排水分区，到项目，再到单体设施的逐级深入的体系。将大量散落的数据利用空间信息进行有序的整合和管理，并开发相关的信息可视化、查询和分析功能，对于海绵城市管理过程的各项业务都具有重要的意义。

镇江市智慧海绵城市系统的海绵地图功能实现了不同来源（手动填报、实时监测等），不同类型数据（数字、照片、视频等）在一张图上的展示和查询，并为其他业务管理模块提供基本的地图服务。

2、建设目标管理

区别于传统排水以快排为目的的设计和管理，海绵城市是一个多目标的系统，目标和工程之间不是简单的叠加关系，传统的推理公式法采用的简单计算无法体现这种非线性关系，无法实现目标的科学分解。计算机模型的发展为解决复杂的非线性问题提供了科学的工具。在规划阶段，利用模型，基于TMDL思路，将镇江市海绵城市径流控制、面源污染治理等指标分解到源头、过程、末端和水体四类工程项目中，明确各阶段的目标，并建立可动态维护的项目库，当单个项目目标发生变化时，系统可自动判别是否满足总体控制目标。

在建设阶段，对建设效果进行科学评估，是保障项目达到设计目标的重要工作。依据住房和城乡建设部《海绵城市建设绩效评价与考核办法（试行）》（2015年7月）第五条，从水生态、水环境、水资源、水安全、制度建设及执行情况、显示度六方面对镇江市海绵城市实施效果进行跟踪、评价与展示，实现利用竣工图、模型和监测数据多种不同方法进行从单个项目、到排水分区再到示范区整体海绵建设效果的自动化评估。

3、建设项目管理

建设项目管理主要实现海绵城市从规划、设计、施工到管养全生命周期的电子化管理，记录海绵城市工程设计、建设和养护过程的全部重要信息，进行设计方案的自动评估，建立隐蔽性工程建设过程可追溯机制，通过电子化管理提高管养的效率和科学性，保障设施高效运行。如源头绿色项目设计过程中对设计方案的评估界面，设计人员在提交相关文档后，只需按要求格式上传设施列表和对应的汇水区列表，系统会自动计算项目的合理性。可极大提高审图部门的评审效率。

海绵城市中源头绿色设施的建设主要为低影响开发工程，该类设施对施工要求高，任何细节和工序的错误都可能导致工程无法达到设计要求，或产生其他危害。比如，渗透性设施距离建筑物地基不得小于3米。这些要求需要在项目建设过程进行监管。在镇江海绵城市建设过程中，将施工流程标准化，并要求施工人员对关键阶段信息进行采集和填报，极大的提高了验收人员的工作效率和成果验收的的科学性，使得隐蔽工程不再隐蔽。通过对施工过程关键细节的监管，保障设施达到设计效果。

图4 镇江市海绵城市联合调度主界面

4、海绵系统运行管理

海绵城市建设，尤其是在老城区合流制溢流污染严重的地区，海绵城市建设应采用灰绿结合的手段，绿色手段主要指低影响开发技术，包括源头的雨水花园、生态草沟，末端的湿塘等，灰色手段主要为传统的钢筋混凝土机构的设施，包括地下管道、调蓄池等。这些新建设施之间，新建设施与原有的城市排水系统之间都存在联动关系，通过对系统合理的调度可有效减少合流制溢流污染，最大限度的发挥设施的使用效率。国外很多城市都采用实时控制的方法进行合流制溢流污染频率削减的管理。镇江市智慧海绵城市系统将建立具有自动学习功能的运行机制。主要原理为：首先采用模拟技术进行初始调度策略/规则的制定。将初始策略作为先验策略/规则，同时，利用监测对每次调度进行评估，将更优化的策略/规则作为后验策略/规则加入控制策略库，并作为下一次调度的先验策略/规则。通过以上过程逐步实现控制策略/规则的优化和自动运行。

技术的发展为水务管理方式的变革提供了必备条件，为保障海绵城市基础设施全生命周期高效运行提供了保障。镇江市在数字供排水系统的基础上，采用模拟技术、在线监测技术和大数据技术建立智慧海绵城市系统，实现海绵相关数据的一张图维护，海绵建设目标的科学评估和动态管理，项目全过程的电子化监控，以及新建海绵设施与已有排水系统之间的联合调度运行，将全面保障城市水安全和水环境。