CIM技术在城市水环境治理中的应用研究*

黄 超，徐林筝，陈泽锐，林龙辉，揭 敏

(中国建筑一局(集团)有限公司，北京 100161)

0 引言

城市高速发展，更新扩容速度快，老旧城区交叠，老旧雨污排水系统不完善，雨污错接、管网破损等情况造成的影响日益凸显，城市污水排入河中，直流街道，造成水污染以及环境污染严重。在雨天，城市排水系统无法满足城市排水需求，街道积水严重、雨污溢流，给出行造成困扰，严重影响城市形象。目前水污染治理主要采用源头截污与排口治理的方法，传统方法缺乏针对性，无法量化，不能满足城市不同情况下的排放及治理要求。排水系统为隐蔽工程，早期管道资料不全甚至缺失导致后期整改维护困难，加重了城市水体污染以及后期治理难度。CIM(city information modeling)，通过城市信息数据还原真实城市模型，更加便捷直观传递城市信息，了解城市现状。通过与BIM模型、三维斜测模型、GIS三维天地图、城市地表径流模型等技术连接，形成更加具体全面的信息平台，根据各项信息模拟展示各种突发状况以及分析各种应对方法产生的效果，从而研究适用于各大城区排水系统改造的较为合理的分流制排水体制改造方案。

1 国内水环境现状

1.1 水污染情况

据统计，截至2020年，我国水资源总量为27 700.8亿m3。但1990年之前我国污水处理率为0，自有统计以来，我国排放污水总计达13 000多亿m3，占我国水资源总量的近1/2，完全未经过处理直接排放的生产生活污水达7 000多亿m3，达到我国水资源总量的近1/4，水污染问题严重。

1.2 生活垃圾处理情况

根据最新统计数据，截至2019年我国生活垃圾清运总量达到24 206.2万t，其中垃圾处理分为无害化处理及其他，垃圾无害化处理主要分为3种方式：卫生填埋、焚烧处理、其他。我国城市生活垃圾无害化处理量为19 673.8万t，其中卫生填埋量为11 804.3万t，占比为60%；焚烧量为6 885.8万t，占比为35%；其他无害化处理量占比为5%。这几种方式在处理上或多或少都会对环境、水、土壤以及居民造成影响，除了能被统计的垃圾清运之外，还有很多随处丢弃的垃圾以及随意排放的污水无法统计。

2 水环境治理方法与信息技术

2.1 水环境治理方法

目前水环境治理方法是前期通过排口溯源从源头治理，排查各个错接点以及乱排乱放点，改造原有排水管道，将雨污分流，并且新建污水处理站，将各种污水汇总通过提升泵站汇集排至污水处理站，通过各项处理达到排放要求后排至河道中。

2.2 目前治理技术难点、缺陷

1)局限性 目前的治理技术是现场排查发现不正常流水口或者污水乱排点，通过溯源找出源头从而解决问题。这种传统方法过于片面单一，具有偶然性、随机性，只能解决当下发现的问题，不能解决根本问题。

2)信息不全，施工难度大 由于目前现有的排水系统大多为老旧系统，早期系统资料不齐全或者残缺丢失，导致后期进行整改时无法查询资料了解完整结构，需要消耗更多时间进行排查，增加施工难度。

3)涉及部门多，协调配合难度大 水污染治理主要为管道工程，由于管道工程为隐蔽工程，整个施工过程牵扯部门繁多，需要与多方进行协调，加大了施工难度。

4)无法满足特殊情况 雨季时雨量过大，排水系统达不到排水要求，导致积水严重，由于早期技术不成熟以及现有技术无法预估各种情况下的排放要求，导致系统无法针对变化情况正常运行，雨污溢流造成污染。

2.3 BIM技术发展现状

建筑信息模型(building information modeling，BIM)，是指以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型基础，进行建模，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。我国在建筑中应用BIM技术可分为两个阶段：第1阶段为2002—2014年，主要是以学习BIM技术为主，对BIM技术的了解处于初级阶段；第2阶段为2014年至今，许多研究内容都表达了BIM技术对建筑信息化的重要性。目前，BIM技术在建筑行业中应用越来越广泛，项目招投标中规定，项目设计与施工阶段采用BIM技术形成前期规划，按照设计要求进行建模，依托BIM平台的各项功能，进行碰撞检测，模拟各种可能行，在设计阶段得出最适合的设计方案，依靠BIM技术可以模拟各种状况，提前预知各种可能性，从而降低风险、提高效率，将效益最大化、方案最全化。

2.4 三维斜测模型理论与技术发展现状

无人机技术被广泛用于遥感测绘领域，也逐渐应用于建筑、交通、防灾救援等领域。随着地形与制图技术的发展，三维数字模型引起人们的关注，摄影遥感等可视化技术得到重视。斜测摄影技术是近几年测绘领域迅速发展起来的一项技术，它颠覆了以往常规的正射影像只能从垂直视角拍摄的局限，通过在1个飞行平台上搭载2～5个传感器，同时从多个角度采集影像，形成直观模型，让用户从多个角度观察，更加了解实际情况，弥补了基于正射影像应用的不足。无人机航测技术在发达国家运用较早，处于成熟阶段，近年来无人机摄影技术在我国也得到越来越多的应用，无人机斜测摄影技术也越来越完善。

2.5 GIS三维天地图理论与技术发展现状

GIS技术是利用专业软件和计算机硬件，获取空间地理信息、编辑并存储数据，供随时调取查询，支持计算和管理所存储信息，还可通过制图处理显示信息，并可分析和应用相关数据为地质水文工作提供支持。当前技术水平下GIS得以多维度发展，且进展迅速。GIS技术被应用于城市规划、土木工程、地理测绘、国土资源管理等。

2.6 城市地表径流模型理论概述

针对暴雨频发引起的城市内涝灾害和雨污污染，为了进行控制，需要了解雨水径流系统，通过计算得出城市地表径流模型，并得出雨水不同量的流向以及会发生的状况等。1978年，美国环保局(EPA)提出了SWMM 模型(storm water management model)，可以计算城市产汇流过程，主要包括时变降雨量、地表水蒸发洼地截留、地表径流非线性水库演算等。MOUSE(model for urban sewers)是丹麦水力学研究所(DHI)1983年开发的用于模拟城市径流、管道水流的城市暴雨径流模型，可模拟泥砂和溶解态、颗粒态污染物的运动以及管道中水质变化过程和微生物降解过程。DHI还针对城市降雨模拟开发了MIKEURBAN，能快速准确模拟雨水污水泥砂沉积与输移，分析水质及泥砂堆积问题，预测暴雨条件下发生城市内涝的位置与严重程度。相较于国外，我国的城市地表径流模型起步较晚，但通过吸取国外优秀案例经验，自主研发的模型有城市雨水管道计算模型(SSCM)、 城市雨水径流模型(CSYJM)等。

3 CIM技术在水环境治理中的应用研究

3.1 CIM技术

CIM技术用以实现城市规划、建设、运维管理全链条的信息管理，解决新型智慧城市建设中数据孤岛的困境，以数据驱动城市治理方式的革新。CIM发展方向是打造数字城市领域最为核心的建筑物联时空大数据平台，各行业、各部门信息共享，集成各业务数据，通过多维度可视分析，更加有效管理城市，达到精细化管理。CIM的应用能够促进城市发展，更加完善城市运营体系。

3.2 CIM城市管理平台与其他信息技术的关系

3.2.1BIM与CIM城市管理平台

BIM一般用于建筑当中，相较于CIM的宏观表现，BIM更多的是展现细节部分，仿佛是一个个细胞组成了城市，并且能够展现城市建筑信息以及隐蔽工程，可以更加便捷地了解城市各管线运行情况，为后期运行维护提供保障。应用BIM能够在水污染治理中通过管线碰撞了解管线安排的最优布置方案，及时处理各种情况。

3.2.2三维斜测模型、GIS与CIM城市管理平台

通过三维斜测辅助GIS地理信息系统，将城市的二维展现变成了三维立体。三维斜测配合GIS技术，从多方位、多角度展现城市面貌，组成了城市信息系统的皮肤构造。将三维斜测以及GIS应用到水环境治理中，可以清楚展示河道情况以及污染排放情况。污染源通过三维斜测以及GIS在CIM城市管理平台中清楚展现，发现问题点及时报警并显示位置，从而能够快速解决问题。利用三维斜测可以清楚展示城市河道、排水系统的现状，通过GIS的信息采集、整合分析以及配合算法处理，可以实现对水文的实时监测，并且结合对水位的实时监控以及降雨数据的处理建立模型，实现对灾害的有效预防。通过三维斜测辅助GIS建立模型，开展空间数据处理，实现对数据信息的收集、编辑，为城市管网系统提供依据。

3.2.3城市地表径流模型与CIM城市管理平台

河流是城市的血脉，地表径流是城市的血管，贯穿着城市流动，关系着城市的平稳运行。水环境污染很大一部分原因除了人工污染之外，还有自然原因，由于暴雨或者极端天气，城市排水系统无法满足要求，造成雨污混流，水满溢流，从而造成水体污染。城市地表径流模型通过对城市地表径流以及降雨数据进行分析，计算模拟城市径流、管道水流的城市暴雨径流模型，结合CIM中其他信息模型分析出暴雨条件下发生城市内涝的位置与严重程度，针对具体情况制定合理方案。

4 结合CIM的智慧水环境治理运行管理模式研究

4.1 水环境治理智慧化运行管理模式的目标

1)为信息交流、协同治理提供支撑平台 将CIM引入水环境治理中，可以大大缩短沟通交流时间，各部分业务信息以及现场情况在CIM平台上一目了然，实现了各部门业务信息共享交流以及协同作业，将水污染治理工作变得更加便捷。

2)实现对水环境治理全方面掌控 传统方法是发现一处整改一处，存在许多未发现、未整改的源头，靠人工巡查耗时耗力效率低且不经济，无法做到时时监督。采用CIM技术，结合其中的三维斜测以及GIS地理信息系统及BIM技术可以对每个排口、每条河流时时监控，出现异样可以及时知道突发点的位置，综合分析制定出适合的方案，通过对信息资源的共享、整合、分析和各项业务之间的合作联系，突破时间空间限制，将管理伸展到城市的每个角落，实现对水环境乃至整个城市的全方位掌控。

3)治理效率最大化，治理成效最大化 通过将CIM技术运用到水环境治理中，利用信息共享清楚地展现整个城市状况，实时监控城市运转情况，面对水污染能及时找出原因，结合不同模型分析得出最佳治理方案，面对暴雨极端天气能够分析出城市降水量以及排水量，从而制定最佳管线布置方案，解决积水、排水不畅等问题，将治理效率最大化，治理成效最大化。

4.2 CIM支撑智慧水环境治理目标实现

1)技术支持 利用BIM、三维斜测、GIS技术配合地表径流模型模拟整个城市运转情况，针对城市扩容以及管线建造等都可以利用该技术进行建模，找出最优方案设计。随着国内CIM技术应用越发成熟，更加保障了水环境治理智能化的实施应用。

2)数据资源共享 CIM从多个角度展示整个城市的状况，并且包含多个系统，各方信息均包含在内，利用BIM以及GIS提供城市数据信息，结合各部门数据方便进行查询分析，通过对各方数据的整合形成CIM城市管理平台，实现城市业务联合与统筹集成及核心业务的提升，可以更加有效地治理水环境污染。

3)可视化技术 水环境治理更加智慧化，从二维到三维是必然的，要实现对水环境治理的全方位掌控，离不开各方面信息的支持，而CIM具备对所有实体对象实现三维可视化的能力，能够根据城市及水环境现状实时更新和监督。

4.3 基于CIM的智慧水环境治理模型设计

CIM城市管理平台由CIM技术、BIM技术、三维斜测技术、GIS技术及地表径流模型组合构成，以城市信息模型为骨架，BIM技术为细胞，三位斜测辅助GIS地理信息作为皮肤，地表径流模型为血液共同构建完整的智慧型水环境治理平台(见图1)。

图1 智慧型水环境治理流程

利用BIM技术，将城市各种类型信息收集建立城市模型，配合三维斜测以及GIS地理信息建立城市三维模型，添加各部门信息，综合展现出一个完整的城市以及水环境系统。城市扩容或者水环境产生变化，无人机以及GIS监控系统会立即在CIM城市管理平台中体现，及时展现出问题点，相关部门能够在第一时间知道位置并通过分析各项信息得出最优解决方案，以最快的速度解决问题。针对城市扩容或管网改造，综合分析出适用于各种情况的管线布置方案，并且将数据信息自动上传使后期的运营及维护更加便捷。

5 结语

CIM通过将城市数据颗粒细化到建筑单体内部每个部件，将传统数字城市升级为可感知、动态在线、虚实交互的数字孪生城市。针对传统水污染治理方法效率低、耗时耗力并且有一定的局限性，CIM城市管理平台以CIM为基础，结合BIM技术、GIS、三维斜测以及城市径流模型等信息模型，通过三维立体展示城市模型，实现城市动态一体化，通过平台清楚展示城市管道走向并实时监测水体动态，一旦出现问题能及时发现，找出源头，利用各项信息技术找出最优解决方案，达到治理目的，为城市治理提供数字赋能、智慧赋能，全面提升水务治理效率，使城市管理更加科学化、精细化。虽然目前还在研究阶段，但是相信在信息化技术发展的推动下，基于CIM的智慧化水环境污水治理技术将会得到完善并形成一套成熟的理念，真正应用于水环境治理当中，对整个城市的水环境与水安全进行长效治理与监督。