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互联网+海绵城市!智慧化海绵城市的探讨与展望

作者:李运杰     2016-09-14 17:31     关键词:海绵城市规划,智慧化海绵城市,展望 人气

    1 海绵城市的智慧化理念

    海绵城市的智慧化就是在海绵城市中融入智慧城市的理念,通过物联网、云计算、大数据等信息技术,把各种各样的集中或分布式的能源、绿色设施和海绵城市建设设施协同起来,从而使海绵城市的建设与管理更加高效和智慧。

   海绵城市的智慧化遵循这样一个总体思路:首先,通过传感器等物联网智能传感系统,对涉及到的各种信息进行监测和收集;然后,通过互联网、3G/4G 等网络传输方式,将这些数据信息传输到服务器;其次,利用云计算等手段对数据信息进行处理、分析,利用各种模型对数据进行模拟,对涉及的问题给出优化的解决方案;同时,通过对方案的准确指挥和迅速执行,解决出现的各种问题;最后,通过全面合理的绩效评价,对结果进行反馈和修正。

    五个部分形成一个完整的信息回路(见图1),但在具体的智慧化海绵城市应用中,可根据实际情况,有效地选取信息的收集、处理、分析、决策等步骤。海绵城市智慧化的优势是使原来非常难于获取的监测数据和难于决策的控制参数,变得容易实现,并使海绵城市更好、更高效地发挥其在排水防涝、雨水资源利用和生态环境保护等方面的作用。

图1 海绵城市智慧化思路流程


    2 海绵城市规划建设阶段的智慧化

    海绵城市的规划建设中,一些试点城市出现了诸如年径流总量、径流污染等控制目标规划过大或建设方案生搬硬套一些发达地区的做法和模式、缺少城市或区域尺度内各类设施的系统性规划设计、专项规划中缺少各种低影响开发设施之间和设施与管网系统之间的有效衔接、实施方案中僵化分割控制指标与项目建设方案等问题。

    这些问题的出现与对城市自身实际情况了解不清、没有因地制宜和科学地进行规划建设有很大关系。而现代信息技术在信息的监测、收集、整合、分析、模拟、优化等方面有着传统技术不可比拟的优势。因此,为了因地制宜确定建设目标和具体指标,科学编制和严格实施相关规划,需要将智慧化理念应用到海绵城市的规划建设之中,发挥智慧的优势。智慧化理念可应用在规划建设阶段的多个方面:对规划所需信息进行监测、收集、分析,从而提供数据支撑;对规划建设方案进行模型模拟,优化设施组合、规模和平面布局;对各方案的效果进行直观显示,选取优化方案等。下面以城市的排水防涝综合规划为例,说明在城市规划建设阶段如何利用现代信息技术实现智慧化。城市的排水防涝综合规划涉及的条件复杂,是海绵城市规划建设中的一个难点问题。对该规划实现智慧化的思路如下:

    (1)应用传感器、3S和LIDAR等信息技术,对城市易涝点雨量、下垫面条件、土地利用情况、管网分布、淹没情况等相关信息进行监测收集,并对这些信息进行栅格化、精细化整合和分析;

    (2)利用获得的信息对城市排水防涝能力和内涝状况进行评估,结合海绵城市总体规划要求,确定径流总量控制目标和综合控制指标;

    (3)利用模型模拟的方法,对径流总量控制目标和综合控制指标(单位面积控制容积)进行分解,合理选择蓄水池、渗透塘、雨水湿地等低影响开发设施及其规模;

    (4)给出初步的低影响开发设施规划方案,利用SWMM模型对方案进行模拟,按照先渗、滞、蓄、净、用,最后排放的原则,优化设施组合和平面布局,确定最终优化的低影响开发设施规划方案;

    (5)利用SWMM、MIKE等模型模拟和云计算技术,对优化的低影响开发设施的雨水消纳能力和管网的排水能力进行分析,并结合排水防涝的总体目标,确定低影响开发雨水系统与雨水管渠系统以及超标雨水排放系统的连接方式,实现三者的有效衔接,并给出排水防涝综合规划方案;

    (6)对满足控制目标的多种方案进行分析,还可利用三维展示等多媒体仿真技术,对各方案的效果进行直观显示,取社会效益、环境效益和景观效果较优且成本较低的方案作为优选方案。具体步骤见图2。

图2 排水防涝综合规划流程图


    3 海绵城市运行管理阶段的智慧化

    海绵城市建设项目实际效益的发挥,受制于后期的运行管理。无论是小型、分散的低影响开发设施,还是大型的雨水湿地、多功能调蓄水体设施,如果缺少后期管理与维护或者管理不当,不但其作用不能有效发挥,甚至可能出现水质污染、水体破坏、雨水资源浪费等现象。因此,在运行管理阶段,维护和管理的实时、科学和高效至关重要,而智慧城市作为一种新的城市管理理念,其突出的一个优势就是可实现城市方便、快捷、智能、高效的管理。

    智慧化理念在运行管理阶段的应用体现在多个方面:对排水和雨水收集智能控制,实现智慧排水与雨水收集;对管网和一些海绵设施的进水口或溢流口进行监测,判断其是否堵塞或渗漏并实时反应;对水体污染情况监测,实现智慧水污染控制和治理;对雨情和积水情况实时监测,实现防洪排涝预警控制;对用水量进行智能控制,实现雨水的高效利用,比如可通过监测雨情、墒情、植物生长情况等并结合降雨预报信息,判断浇水时间、次数和用水量,进行智能灌溉,从而实现节水和雨水高效利用的目的。又如,管道的堵塞和渗漏是管网系统里常见又难于解决的问题,管道堵塞会导致排水不畅,管道渗漏则会导致污水污染环境。可采用智慧化的理念实现管网的智能监测管理:

    (1)利用遥感等技术探测管网走向和布局,并将探测数据上传至服务器;

    (2)对数据进行处理,利用MIKE、ArcGIS、SWMM、CAD等软件获得现状管网的布局和走向平面图;

    (3)对管网进行分类、分段、编号,并标出管网的分叉、汇集等特殊点;

    (4)在每个编号段的合适位置以及一些特殊点上布设流量传感器,实时监测流量和上传数据;  

    (5)利用云计算等技术对大量数据进行分析、计算,将布设点实时监测的流量,与利用水力模型推算出的该点流量进行比对,并对流量差别较大点进行预警,分析流量变化的原因(如流量变大的可能是因为堵塞,变小的可能是因为渗漏);

    (6)及时对预警点进行排查和维修,疏堵或补漏(见图3)。

图3 管网智能监测管理流程图


    4 海绵城市绩效评价阶段的智慧化

    针对获批的试点城市,加强其创建过程与成果的绩效评价,对于发挥国家级示范的引领带头作用,加快推进海绵城市建设具有十分重大的意义。2015年7月10日,住建部办公厅印发了《海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)》,要求在推进海绵城市建设中参照执行。但在执行过程中,对于涉及到水生态、水环境、水资源、水安全的一些指标具体该如何评价,还存在很多问题,即还没有一套行之有效的绩效评价体系可供建设的示范项目使用。因此,尽快解决指标评价的方法问题,并研究制定行之有效、精准全面的绩效评价体系是十分重要和迫切的。

    海绵城市的绩效评价多是一个监测、统计、计算、比对的过程,完全可以结合智慧化理念,发挥传感器、3S、大数据、云计算在监测、统计、计算等方面的优势,建立包含多种指标的绩效评价模型,如年径流总量控制率、雨水资源利用率、城市面源污染控制率、城市暴雨内涝灾害防治水平等指标。按照《指导意见》要求,海绵城市建设项目年径流总量控制率必须达到70%,这是一个硬性指标。对于年径流总量控制率的评价,可按照以下方式进行:

    首先,查看降雨数据、相关设计图纸、设施规模,进行现场勘测,并利用互联网、大数据对涉及到项目的图片、文本进行提取、统计、分析,了解清楚建设项目的具体情况;然后,根据实际情况,在雨水排放口、关键管网节点等安装计量装置和雨量传感器,连续(不少于一年、监测频率不低于15分钟/次)进行监测;同时,将监测数据实时上传,用大数据对所有的数据信息统一进行整合和统计,并利用云计算对处理后的数据进行计算分析,得到每年的降雨形成的径流总量(即外排雨水量)以及没有外排雨水的降雨场次和降雨量值,这一过程中也可以借助SWMM、MIKE等软件建立模型,用模型模拟的方法来获得某些值;最后,结合该区域每年降雨总量、年径流总量控制要求和设计降雨量,对所得数值进行比对,得到年降雨径流总量控制率,从而做出评价并给出反馈和修正意见(见图4)。

图4 年径流总量控制率评价流程图

    对于城市面源污染控制率,也可采用类似的方法,在管网排放口、水体中布设传感器等设备,监测流量和COD、BOD、TSS等水质指标,从而对城市面源污染控制率做出评价。

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