“新基建”在城市给水排水工程规划设计中的应用探索

文｜中规院(北京)规划设计公司 祝成

1 引言

自2018年 12月中央经济工作会议上首次提出了“新型基础设施建设”（简称“新基建”）以来，我国政府高度重视，《2020年国务院政府工作报告中》明确将加强新型基础设施建设，以激发新消费需求、助力产业升级。

“新基建”是一个相对概念。传统的基础设施建设，主要指的是铁路、公路、机场、港口、水利设施等建设项目，它们在我国经济发展过程中发挥了重要的基础作用。在当代社会发展条件下，传统基础设施建设已经无法满足要求。因此，新基建的概念应运而生。

“新基建” 则主要指以 5G、人工智能、工业互联网、物联网为代表的新型基础设施，涉及七大领域：5G、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等，其本质上是信息数字化的基础设施，数据信息相关服务，如大数据中心、云计算中心以及信息和网络的安全保障等，也必将成为我国 “新基建” 的核心所在。

“新基建”是智慧经济时代贯彻新发展理念，吸收新科技革命成果，实现国家生态化、数字化、智能化、高速化、新旧动能转换与经济结构对称态，建立现代化经济体系的国家基本建设与基础设施建设，包括绿色环保防灾公共卫生服务效能体系建设、5G—互联网—云计算—区块链—物联网基础设施建设、人工智能大数据中心基础设施建设、以大健康产业为中心的产业网基础设施建设、新型城镇化基础设施建设、高新技术产业孵化升级基础设施建设等，具有创新性、整体性、综合性、系统性、基础性、动态性的特征。

图1 新型基础设施建设七大领域

“新基建”是立足于用科技手段对传统市政基础设施建设进行智能化提升改造的重要手段。城市给水排水工程是市政基础设施建设的重要组成部分，其建设水平是城市现代化的标志之一。城市给水排水工程规划设计作为其建设和管理的依据，采用“新基建”的科技手段进行智能化编制，形成更加科学、合理的规划设计方案。

2 城市给水排水工程规划设计难点

在各个层次的城市给水排水工程规划设计中均有一些指标需要确定，如各类规划用水指标、汇水分区、给排水设施的用地及规模、管道管径、埋深等。指标制定的是否准确、合理，直接影响给水排水系统的建设规模和实施的可行性，这也是城市给水排水工程的难点。

2.1 城市用水量预测

通常根据规划设计的层次不同、基础数据的不同，会采用不同方法来对用水量进行预测，如人均综合指标法、单位用地指标法、线性回归法、年递增率法、城市发展增量法、分类求和法等。由于城市处于不断发展中，是一个渐进的过程，这使得城市用水量预测存在一定的不确定性以及难度。需水量预测偏小，不能满足城市发展和人民生活需求，预测太大，会造成供水系统设计不合理和巨大的投资浪费。

2.2 排水管网建设与改造

排水管网以重力流为主，规划设计需结合场地竖向、地下管网等现状资料开展，如设计、竣工图纸、管网普查结果等，但受限于施工、管理水平，现状资料的有效性和准确性难以得到保证，尤其老旧排水管网往往存在雨污合流、管线老化、错接混接、排水能力不足等问题。而老城区多受限于人口密集、建筑密度大等因素，导致改造工程实施难度增加。

3 “新基建”在城市给水排水工程规划设计中的应用

3.1 大数据分析技术在基础资料收集整理中的应用

编制科学合理、可操作的城市给水排水工程规划需要详实的基础资料支撑，包括：用地规划、人口预测、各专项工程规划等城市总体规划的资料；流域面积、分水线、等高线、坡度、坡向、建筑、道路、道路交叉点高程、高地和低地的高程、控制点高程等管网定位资料；用水量标准、卫生设备情况、工业给水量和工业污水量以及水质情况、现有给水排水系统的情况等资料；水资源概貌、水体分布、河流流量、流向、水位、潮汐、地下水位、水源的水质、水体环境现状及综合利用规划、降雨量等气象水文、地质资料等。

这些资料的获取一般是通过政府相关部门座谈、现有规划设计资料的收集汇总、实地测量等方式，获取基础资料后，通过人工整理、深入分析、去伪存真，确定可利用的信息。但这些大多都是面上的资料，还需要大量点上的资料进行问题针对性支撑验证，才能使规划更切合实际。

在某市供水工程规划中，用水量预测采用了单位人口综合用水量指标法和各类用水量计算两种方法，预测远期总用水量为20.25 万吨/日。为了验证预测值的合理性，结合该城市的规划目标，通过同类型城市的大数据挖掘类比分析和节水技术的应用，对城市工业用水指标进行了修正，工业用水量由5.05 万吨/日修正为3.8 万吨/日；利用大数据分析因务工而导致的人口流出和流入以及旅游人口对用水量的影响，按照自行租住和住集体宿舍等情况进行用水量的分类统计，对生活用水指标进行修正，生活用水量由12.25 万吨修正为11.25万吨/日。综合各类修正方案，预测远期总用水量修正为18.03 万吨/日，给水规模有所降低，避免了资源浪费，为城市可持续发展提供支撑。

表1 工业用水量预测表

表2 生活用水量预测表

3.2 数字孪生技术在模型中的应用

在现行有效的规划标准指导下指标的确定，大多会采用建模测算，如用水需求模型、供水水力模型、水质预警模型、降雨内涝模拟等，辅助用水量、排水量、给排水设施的数量等指标的量化和预测，模型的适用性和准确性与数据资料的完整性有关，而且数据量越多，模型的测算越准确，统计分析工作也越繁重。

利用“新基建”中的人工智能、数字孪生技术和计算机技术，研发具有专业知识和经验的专家系统，采用点、面结合的方式，开展机器学习 (ML) 和深度学习 (DL)，对城市给水排水工程规划中的指标值进行仿真模拟、逻辑推演、预测和判断，客观评价城市给水排水工程的合理性、可操作性及可持续性。

南方某城市中心城区，现状有4 条主要道路现状为雨污合流制排水，管道建设标准较低，行泄通道淤积堵塞，加之高强度降雨和城市的快速发展，致使部分地区内涝频发，对城市交通、群众生活、财产安全和经济发展影响极大。中心城区每年的6～8月为多雨季节，根据现场调研及历史资料，中心城区现状易涝点主要分布在合流制区域。

在中心城市区总面积10.6 平方公里控制性地段详细排水工程规划中，系统的梳理和分析了基础资料，包括路网、管网、水系、地面高程、遥感影像、现状和规划用地、监测站点等，应用数据孪生技术，构建了规划区范围的排水系统模型，包括雨水和污水管网拓扑网络构建、模型数据处理、集水区划分、下垫面参数提取、产流和汇流模型构建、降雨模型构建、污水量分配等。基于区域内的11 个降雨监测站点的30年的降雨数据，利用模糊识别方法，推求降雨雨型及分布特征，与《城市排水工程设计—暴雨强度公式编制技术指南》中的方法得到的分布结果进行相关分析，确定适用于该区的设计暴雨雨型，拟合出不同降雨历时、不同设计重现期情况下的暴雨强度公式，为后续雨水工程政府决策和规划设计，提供参考依据。

3.3 BIM+GIS 技术在给水排水工程设计中的应用

城市给水排水工程规划设计以城市总体规划为依据，与电力、电信、道路、燃气、供热等其他市政工程规划相协调，并符合相关规范的要求。在复杂的规划设计中，利用BIM 技术和地理信息系统（GIS）建立三维城市信息模型，辅助完成管线的整体布局和具体定位，是一个非常有效的途径。

北方某市区面积12.4 平方公里区域内，6 条主干管道均为合流制，存在污水直排、管道排水能力不足、管网老化严重漏损等问题，导致城区多处内涝积水，水体的溢流污染，在城区控制详细规划中，针对排水管网现状进行系统的研究，提出了切实可行的改造方案，并利用GIS 把城市功能分区及用地强度、市政管线及主干廊道（包括信息电（光）缆、电力电缆、给水管、热力管道、燃气、污水干管、雨水干管、再生水等）、道路建设情况、地下空间利用情况等进行叠加；发挥BIM 技术可视化多维数据库的优势，把地下管线与地上建筑、市政设施及环境要素统筹协调，合成了一个地上地下全覆盖的组团级城市信息模型，形成了一个全面、宏观的可视化集合，通过这个集合上承载的数据信息，对设计区域进行模拟和实时交互，更精准的确定各类管线在城市道路下的位置，对各种管线交叉时的敷设提出具体参数要求。

虽然BIM 在水务行业应用起步时间不长，与新一代信息技术的融合应用还有一定的问题待解决，但通过对BIM 技术应用的初探，模拟设计效果，通过对比分析，对优化设计方案起到一定的帮助，能够实现管网合理的布局和资源的高效利用，前瞻性的解决管道碰撞、混错接、空间布置不合理等问题，利于供排水系统建设过程中与其它基础设施建设协调，也便于规划管理。

图2 城市降雨内涝模拟

4 结语

发力于科技端的“新基建”是智慧经济时代的一种新方向。无论是人工智能还是大数据、物联网，都体现出加速推进产业高端化发展的大趋势，将对我国经济发展、社会进步等方面产生重大影响。目前，作为新的重要经济增长点的大数据服务、人工智能已受到广泛关注，疫情防控期间，“新基建”的作用突显，服务机器人在医疗、配送、巡检等方面大显身手。

对标“新基建”，助力“新城建”，城市给水排水工程规划设计也将受益于“新基建”的发展，大数据的融合与共享将加速解决信息孤岛现象，使规划编制的基础资料的广度和深度增加在此基础上编制的规划更客观，针对性和可行性更强；数字孪生技术具有精准映射、虚实融合模拟仿真等核心能力，在追踪回溯轨迹、时间控管及空间定位、分析推演治理决策、仿真演练预案以及高效配置要素资源等方面发挥着重要的作用；BIM+GIS 技术集成，将项目的数据流在整个规划、设计、施工、运维等全生命周期中准确、完整地流转和应用，使得编制的城市给水排水工程规划将更科学、全面和合理。

图3 BIM 在城市给水排水工程规划设计中的应用示意图