基于“一張圖”的海綿城市建設(shè)智慧管理系統(tǒng)設(shè)計
——西安小寨案例

高思巖，劉 揚,2,*，張學(xué)東，張 新

(1.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616； 2.北京建筑大學(xué)，北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3.中國科學(xué)院遙感與地球研究所，北京 102616)

隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展，我國正面臨著各種各樣的水環(huán)境問題，如水資源短缺、水質(zhì)污染、城市內(nèi)澇等，這在一定程度上對人們的生活產(chǎn)生了很大的影響。海綿城市的建設(shè)在調(diào)節(jié)城市水環(huán)境方面的貢獻(xiàn)非常大，不僅減輕了市政地下排水管道和泵站的使用壓力，還可以綜合利用自然條件和人為手段完善城市生態(tài)系統(tǒng)功能，降低城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生率[1]。

本文以西安小寨為研究區(qū)，基于“一張圖”的設(shè)計理念，對海綿城市智慧管理系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，開發(fā)了小寨海綿城市智慧管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)、城市管網(wǎng)等資料的高效修改、增添、刪除等基本管理工作，還與相關(guān)的地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，促進(jìn)了城市資源的優(yōu)化配置，提高了海綿城市管理和建設(shè)的工作效率，旨在解決以小寨區(qū)域為例的海綿城市建設(shè)過程中的問題，實現(xiàn)海綿城市管理系統(tǒng)的全面化、自動化、智能化應(yīng)用，為西安市小寨區(qū)域海綿城市建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)與參考[2]。

1 西安小寨現(xiàn)狀分析

一直以來，海綿城市的建設(shè)都是人們關(guān)注的焦點，西安是資源性缺水城市，水資源時空分布不均，水資源總量僅為23.47億m3。小寨處于西安市的次核心商業(yè)圈，對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人文環(huán)境的發(fā)展具有重大意義[3]。隨著水資源供需矛盾的突出，區(qū)域排水防澇的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足，加之建設(shè)綠地面積較少，在雨水?dāng)r截和雨水蓄儲方面的能力受到限制，天然寶貴的雨水資源大量流失，在這樣的“建成區(qū)”進(jìn)行海綿城市建設(shè)，具有一定的挑戰(zhàn)，有必要建立可監(jiān)測、可評估、可控制的聯(lián)動管理系統(tǒng)。

2 海綿城市建設(shè)問題分析

目前，我國的一些大型城市主要以地下水作為城市供水的水源，同時也形成了多種規(guī)模較大且完善的供排水系統(tǒng)，但由于大量使用地下水，不可避免地出現(xiàn)了一些值得人們重視的水環(huán)境問題，主要表現(xiàn)在水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水資源等方面。

(1)地面滲水功能降低：由于長期大量開采地下水，地下水水位降低，補(bǔ)給量減少，水生態(tài)受到嚴(yán)重的破壞[4]。

(2)垃圾雜物影響排水：在遇到強(qiáng)暴雨天氣時，雨水向低洼處流動，夾雜著塑料袋、廢紙等城市垃圾，在排水過程中普遍存在雨污混流的現(xiàn)象，水環(huán)境質(zhì)量較差。

(3)城市供水資源矛盾：在城市水資源缺乏的情況下，存在水資源利用率重復(fù)、使用率較低和浪費的現(xiàn)象。

因此，以西安小寨為例，設(shè)計海綿城市智慧管理系統(tǒng)，合理調(diào)節(jié)、分配水資源，從而緩解城市水資源危機(jī)，實現(xiàn)海綿城市建設(shè)的可視化、自動化效果，支撐海綿城市建設(shè)綜合管理，為西安小寨乃至國內(nèi)海綿城市的設(shè)計與管理提供參考與借鑒。

3 海綿城市智慧管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是廣域網(wǎng)的發(fā)展，在一定程度上促進(jìn)了Browser/Server(B/S)結(jié)構(gòu)GIS平臺的發(fā)展。綜合考慮GIS作為海綿城市管理控制、決策系統(tǒng)平臺的要求，采用比較成熟的 B/S架構(gòu)(圖1)，即由下到上的數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層以及表現(xiàn)層來構(gòu)建系統(tǒng)，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用[1]。

圖1 智慧管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Diagram of Overall Architecture of Smart Management System

其中，表現(xiàn)層是最外層，與用戶最靠近。利用JavaScript和HTML語言對系統(tǒng)界面進(jìn)行編程設(shè)計，將系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)和聯(lián)動收集的數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來，為用戶提供一種交互式操作的頁面，完成用戶和后臺的交互及最終查詢結(jié)果的輸出功能。業(yè)務(wù)邏輯層處于數(shù)據(jù)訪問層與表現(xiàn)層的中間，利用服務(wù)器完成客戶端的應(yīng)用邏輯功能，在數(shù)據(jù)交換中起到承上啟下的作用。數(shù)據(jù)訪問層為海綿城市智慧管理系統(tǒng)提供底層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)支持，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫表的添加(insert)、刪除(delete)、更新(update)、查詢(select)等操作。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫涉及多類型、多區(qū)域、多時間段的空間數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計不僅影響到這些數(shù)據(jù)能否有組織、有序地進(jìn)行存儲、管理和檢索，還會影響到系統(tǒng)功能運行的實現(xiàn)效果。通過SQL Server搭建數(shù)據(jù)庫平臺，根據(jù)系統(tǒng)的需求分析及建設(shè)目標(biāo)，將數(shù)據(jù)庫分為監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、考核評估數(shù)據(jù)庫、預(yù)警預(yù)報數(shù)據(jù)庫和應(yīng)急處理數(shù)據(jù)庫。其中，監(jiān)測數(shù)據(jù)表是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的主要來源，對系統(tǒng)在線監(jiān)測點采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲[5]，考核評估數(shù)據(jù)庫時刻計算并記錄考核指標(biāo)信息，為預(yù)警預(yù)報數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支持，而預(yù)警預(yù)報數(shù)據(jù)庫和應(yīng)急處理數(shù)據(jù)庫主要存儲異常情況的基本信息。

3.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

構(gòu)建小寨海綿城市智慧管理系統(tǒng)，將海綿城市運營管理過程中各個階段的數(shù)據(jù)存儲起來，并對其進(jìn)行功能分析。系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉?、監(jiān)測的數(shù)據(jù)及時做出預(yù)警提示和應(yīng)急處理方案，全面提升城市綠化環(huán)保的系統(tǒng)運行效率[6]。圖2為系統(tǒng)的詳細(xì)功能模塊設(shè)計劃分圖。

圖2 系統(tǒng)詳細(xì)功能模塊劃分圖Fig.2 Diagram of Detailed Function Module Partition of the System

3.3.1 實時監(jiān)測模塊的設(shè)計

為實現(xiàn)小寨區(qū)域雨情數(shù)據(jù)同步監(jiān)控，分為水質(zhì)監(jiān)測和管網(wǎng)監(jiān)測，流程如圖3、圖4所示。通過物聯(lián)網(wǎng)，借助GPRS、相關(guān)監(jiān)測儀器等，采集雨量、流量、液位、水質(zhì)等多項指標(biāo)。其中，水質(zhì)指標(biāo)包括化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)濃度、總磷(TP)濃度和年雨水徑流污染物(SS)濃度。信號處理單元將原始數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為可分析處理的數(shù)字信號，并通過數(shù)據(jù)傳輸單元到中繼節(jié)點。最后，系統(tǒng)通信單元將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理等，為系統(tǒng)考核評估提供數(shù)據(jù)支撐，并對水污染等情況進(jìn)行預(yù)警預(yù)報[7]。借助系統(tǒng)可視化情況，能夠?qū)⒏黝惐O(jiān)測信息互聯(lián)互通，促進(jìn)智慧管理系統(tǒng)各個功能、各個設(shè)施之間的有效協(xié)同[8]。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure Diagram of Pipe Network Monitoring System

圖4 管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure Diagram of Pipe Network Monitoring System

3.3.2 考核評估模塊的設(shè)計

考核評估功能為海綿城市的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，其考核指標(biāo)包括：水環(huán)境質(zhì)量、年徑流總量控制率、熱島效應(yīng)、年雨水徑流污染物削減率和雨水資源收集利用率[9]。基于監(jiān)測模塊獲取的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)考核評估功能建立數(shù)學(xué)模型，定量化評估海綿城市各項指標(biāo)的建設(shè)效果，構(gòu)建完善的海綿城市考核評估體系[10]。

(1)水環(huán)境質(zhì)量考核

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的3項主要水質(zhì)指標(biāo)，采用單因子評價法對研究區(qū)域的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量(COD、NH3-N、TP)評價和分析，單因子指數(shù)的計算如式(1)所示。

Pi=Ci/Si

(1)

其中：Pi——標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；

Ci——評價因子i的實測統(tǒng)計代表值，mg/L；

Si——評價因子i的評價限值，mg/L。

(2)內(nèi)澇災(zāi)害防治考核

考慮到小寨內(nèi)澇災(zāi)害防治重現(xiàn)期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50年，且24 h降雨不給城市帶來災(zāi)害，將1 h內(nèi)道路積水深度作為考核指標(biāo)進(jìn)行評估。

(3)年徑流總量控制率考核

通過自然和人工強(qiáng)化的方法，對研究區(qū)域雨水進(jìn)行控制，將區(qū)域內(nèi)全年累計得到控制的雨量占全年總降雨量的比例稱為年徑流總量控制率[11]。數(shù)學(xué)計算模型如式(2)。

ω=[1-(α-β)/γ]×100%

(2)

其中：ω——年徑流總量控制率；

α——全年排出雨水總量，mL；

β——客水總量，即外來雨水量，mL；

γ——全年總降雨量，mL。

(4)熱島效應(yīng)分析

城市熱島效應(yīng)是指城市環(huán)境造成城市市區(qū)氣溫明顯高于外圍郊區(qū)同期氣溫的現(xiàn)象，調(diào)取溫度監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)檢驗城市熱島強(qiáng)度，通過對比海綿城市建設(shè)區(qū)氣溫與周邊區(qū)域氣溫的平均值差值來衡量。

(5)年雨水徑流污染物削減率考核

結(jié)合海綿體效果監(jiān)測站及水中懸浮物濃度監(jiān)測站等的實測年雨水徑流污染物濃度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析年雨水徑流污染物削減率，建立污水侵入檢測模型，識別非降雨時段管網(wǎng)中污水的侵入情況。

(6)雨水資源收集利用率考核

根據(jù)《海綿城市建設(shè)績效評價與考核指標(biāo)(試行)》[12]，將雨水資源化利用率定義為研究區(qū)域內(nèi)調(diào)蓄池、調(diào)蓄庫等蓄水設(shè)施的年取用水量之和，其與海綿城市項目建設(shè)區(qū)域內(nèi)年均降雨量的比值即雨水資源收集利用率。

3.3.3 預(yù)警預(yù)報模塊的設(shè)計

綜合系統(tǒng)實時監(jiān)測模塊收集的數(shù)據(jù)和考核評估模塊對各項指標(biāo)的評價，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的先進(jìn)理念，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計算、地理信息系統(tǒng)等高新技術(shù)，設(shè)計海綿城市智慧管理預(yù)警預(yù)報功能[13]。設(shè)置自動處理以及響應(yīng)流程，實現(xiàn)海綿城市遇到突發(fā)狀況的提前預(yù)警預(yù)報、隱患排查、優(yōu)先處理。若出現(xiàn)緊急情況，需進(jìn)一步向國家相關(guān)部門匯報，做出預(yù)警提示，保障海綿城市管理系統(tǒng)的安全運行[14]。

3.3.4 智慧應(yīng)急模塊的設(shè)計

基于現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)，融合社會各類信息資源，通過數(shù)字智能化手段，建立立體的、全方位一體化的綜合決策和應(yīng)急指揮系統(tǒng)，迅速處理海綿城市發(fā)展過程中的各類突發(fā)事件，實現(xiàn)海綿城市智慧應(yīng)急。

3.3.5 信息管理模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，海綿城市的數(shù)據(jù)量較大，種類較多。因此，對數(shù)據(jù)的存儲和管理也存在一定的難度，系統(tǒng)的信息管理模塊主要是對系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行刪除、添加、修改、查詢等操作[15]，能夠?qū)⒑Ａ勘O(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

3.4 系統(tǒng)測試

為了驗證設(shè)計的海綿城市智慧管理系統(tǒng)的有效性和可靠性，對西安小寨系統(tǒng)進(jìn)行了實地測試和功能驗證，測試功能包括考核評估、預(yù)警預(yù)報、智慧應(yīng)急和信息管理。

首先，進(jìn)入系統(tǒng)主界面(圖5)，輸入用戶名及密碼，點擊登錄按鈕，進(jìn)入主界面(圖6)。研究范圍為深色框出部分，可以對地圖進(jìn)行放大縮小操作。

圖5 登錄界面Fig.5 Diagram of Login Interface

圖6 系統(tǒng)主界面Fig.6 Diagram of Main Interface of the System

考核評估界面如圖7所示，輸入當(dāng)前水環(huán)境考核指標(biāo)信息，進(jìn)行評估，結(jié)果如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)考核評估界面Fig.7 Diagram of Assessment Interface of the System

圖8 考核評估結(jié)果Fig.8 Diagram of Assessment Results

預(yù)警預(yù)報界面如圖9所示。結(jié)合雨水積累量、水位深度和雨水流速的預(yù)警規(guī)則，對監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用柱狀圖將這3種預(yù)警指標(biāo)呈現(xiàn)出來。不同級別的指標(biāo)生成不同的預(yù)警預(yù)報日志，并通過互聯(lián)網(wǎng)將信息發(fā)布出去。

圖9 系統(tǒng)預(yù)警預(yù)報界面Fig.9 Diagram of the Early Warning and Forecasting Interface of the System

根據(jù)排澇、交通事件的突發(fā)情況，對海綿城市智慧應(yīng)急功能提供搶險方案，聯(lián)合調(diào)動各部門進(jìn)行搶險處理和維護(hù)措施，實現(xiàn)海綿城市建設(shè)的高效運行。根據(jù)內(nèi)澇風(fēng)險等級進(jìn)行相應(yīng)的智慧應(yīng)急處理，同時生成應(yīng)急搶險預(yù)案(圖10和圖11)。

最后，可以對系統(tǒng)的基本信息進(jìn)行維護(hù)，界面如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)智慧應(yīng)急界面Fig.10 Diagram of Smart Emergency Interface of the System

圖11 信息管理界面Fig.11 Diagram of Information Management Interface

4 結(jié)論

目前，我國海綿城市建設(shè)研究仍處于初步探索階段，本文基于“一張圖”的設(shè)計思想為西安小寨區(qū)海綿城市建設(shè)提供技術(shù)方案，構(gòu)建了以實現(xiàn)恢復(fù)水生態(tài)、改善水環(huán)境、提高水安全為目標(biāo)的海綿城市智慧管理系統(tǒng)。

隨著系統(tǒng)的使用與維護(hù)，大大減少了相關(guān)工作人員的工作強(qiáng)度與工作量，提高了監(jiān)測設(shè)備的運行效率，在一定程度上，降低了強(qiáng)降雨天氣給基礎(chǔ)設(shè)施帶來的損耗。智慧管理系統(tǒng)運行后，可通過電子屏幕實時監(jiān)測各個站點的水流情況與管網(wǎng)的運行情況，減少了人工到現(xiàn)場勘察的時間。除此之外，系統(tǒng)還可以利用監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和外部收集到的數(shù)據(jù)對各項指標(biāo)進(jìn)行考核評估分析，對超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的指標(biāo)提出預(yù)警預(yù)報，根據(jù)不同程度預(yù)警等級及時做出應(yīng)急處理，從而避免了不必要的城市內(nèi)澇問題，同時提高了城市水資源的利用率，基本實現(xiàn)了海綿城市智慧管控的建設(shè)目標(biāo)，為海綿城市的運行提供了保障。

今后，如能更加完善系統(tǒng)功能，使其性能進(jìn)一步提升，可廣泛應(yīng)用于其他海綿城市的管控工作，為與海綿城市相關(guān)的部門提供參考和借鑒。