案例：基于海绵城市理念的智慧水务应用研究

2.2.3数据层—涉水综合数据管理

数据层完成对感知层来源数据、管网基础数据、综合业务数据及其他平台涉及数据的汇集、共建共享与更新维护，为上层业务集成与应用提供完整的数据分析依据。在智能应用层中对涉水业务的管理、运营工作中各类事务特征和变化规律进行抽象描述和规律研究，用系统功能满足业务管理对智慧的需求，同时承载智慧水务系统的各类资源、目录与存储发布信息，为各相关用户提供城市管理公共资源。

涉水综合数据管理将基础空间数据、管网数据与业务数据进行统一汇总，既可以对现有各业务支撑系统专题数据进行整合，又可无缝获取智能应用产生的各类决策支持信息，从而实现整个水务数据的流转、汇集、共建共享与动态更新。同时，还可通过智慧水务运营管理平台对城市综合管理及其他市政领域（如燃气、照明等）进行在线数据发布服务、市政基础设施数据的交换与共享，以此满足智慧城市远期发展的需要。

涉水综合数据管理将充分考虑园区水务运营服务模式和服务内容的实际需求，在不改变原有数据库和信息系统的情况下，有效解决多源、异构和海量数据的交换和共享。通过WebService技术和基于JSON、XML格式的数据服务规范接口，遵循OGC的WMS网络地图服务与WFS网络要素服务标准，解决了异构数据库之间的互通互访，能够提供排水数据服务、功能服务、业务位置服务、服务管理以及多场景可扩展的SOAP和REST的访问接口系统框架，为智慧水务应用的构建提供了理想的数据和功能环境。

2.2.4业务层—业务处理系统

智慧水务业务处理系统包括GIS（GeographisInformationSystem）系统、数据采集监控系统、模拟方案管理系统和智能分析层。

2.2.4.1GIS系统

水务GIS系统的建设是智慧水务的基础。该GIS系统的建设是基于对对污水管线、雨水管线、中水管线以及相关资料的信息化基础之上。根据该GIS系统，可以实现管线资料高效率的保存、修改、增添、删除和转移等基本管理工作，还可以实现与其他GIS系统，如道路GIS系统、煤气GIS系统、电信GIS系统和城市规划GIS系统等的完美整合，提高整个城市管理和建设的效率，促进城市资源的优化配置。水务GIS系统可以为高级水务模型的开发和建设提供源源不断的数据，是智慧水务建设的下层物质基础。目前西咸智慧水务的建设需要依靠比较完善的水务GIS系统，但是水务系统的基础设施与其他城市基础设施息息相关，如在管网中增添某一泵站，可能促进整个供水系统的能量优化，但是泵站的建设可能受制于当地电力系统资源的供给或土地资源的供应等。在智慧城市建设的大背景下，完成各行业GIS的构建以及这些GIS系统之间数据共享和决策统一，将任重道远。西咸智慧水务项目建设需要GIS系统与其他业务系统及智能应用系统进行高度的集成和融合，最大程度实现信息流通与共享，并在此基础上进行深度的数据分析和挖掘，支撑起更高层次的智慧应用。

2.2.4.2数据采集监控系统

对于智慧水务系统来说，仅仅是视频信息远远不能满足需求，必须建立一套完整的排水数据采集与监控系统，将感知层中的水位、流量、雨量、水泵运行参数等信息进行收集与管理，为智慧分析与应用提供数据支撑。

2.2.4.3模拟方案管理系统

模拟方案管理系统是面向专业技术人员的数学模型后台管理工具。因为专业的数学模型软件界面比较复杂，参数信息繁多，对于业务人员来说操作难度较大，因此该系统通过简化的系统界面将复杂的模型作业过程进行了简化，在直观的方案管理体系中对模型方案进行编制与修改，是进行模型搭建与编制、模型系统化应用和水务管理模拟与分析的基础。该系统不仅可以导入用户自己编制的各类方案，并且可以从在线系统中抓取快照，构建各种类型应用的离线模型方案，不管是模型专家还是普通技术人员都可以在此系统上借助管网模型进行各种方案编制与专业分析，通过智能应用层面的各类子系统功能可以全面了解现状管网的运行状况，评价管网改造、更新设计方案的合理性，评估调度方案的可行性等，为管网系统运行的安全性与经济性提供支撑保证。

2.2.5智能分析层

智能分析层作为智慧排水系统中的核心计算“大脑”，为系统提供了基于各类数据、业务信息以边界条件、约束条件及运行目标等综合因素的“思考”能力，为数据的深度挖掘进而产生有价值的信息提供了核心计算能力，并能充分结合业务专家经验及其他人工智慧信息为排水系统的调度管理及运营决策提供更智能的优化措施建议，通过其他智能应用子系统将“思考”成果推送到智慧水务系统的各个方面。

智能分析层包括了数据挖掘应用、水力水质数学模型建设、沙河智能补水控制系统、西咸初期雨水及海绵城市监控调度系统以及污水处理厂全流程优化运行控制五大方面的内容，通过系统集成策略将与智能应用的各个方面有效结合起来，形成各个方向的智能应用的有力技术支撑。

2.3智慧水务系统发展目标

智慧水务系统最终达到的目标如下：

（1）实现污水处理厂全厂优化运行，保证水质达标的同时，最大程度地减少能耗；

（2）旱季污水处理厂的中水能够补充沙河的景观用水，并且保证景观用水的水质，同时，减少自来水补水和沣河水量的补给；

（3）智慧水务系统会根据沣河的水质和水位情况进行优化的补水补给；

（4）雨季海绵城市措施发挥作用，削减面源污染并且削减入河洪峰，并根据监测大数据对海绵设施及进行定期的维护和管理，保证海绵设施的正常工况运行；

（5）雨季对公众提供低洼积水点内涝预警。

3计算机模型技术在智慧水务系统中的作用

智慧水务中的智能分析层是智慧水务的核心，而其中的主要用于核心计算的工具是水文模型，在园区的智慧水务系统里面，主要使用的水文模型有：用于景观水系水动力水质模拟的二维模型，用于城市内涝风险评估和预警的内涝模型以及污水处理厂的微生物活性污泥模型。

3.1水动力模型

本项目中，水动力模型使用某国际知名厂家开发的二维水流模拟软件搭建了二维水动力模型。对水质环境的影响主要考虑工程后沙河内换水速率和周期的计算。利用水质模块模拟示踪剂扩散过程和粒子追踪过程。根据标定示踪剂的试验方法，来表征模型研究中河道内的换水速率、换水周期以及可能的缓冲区、死水区的计算分析，建立总氮、总磷的扩散、衰减模型，模拟换水期间浓度分布以及稳定后的浓度分布。数值计算方法采用基于非结构网格的有限体积法，其具有计算速度快及复杂地形拟合较好等优点。并保证物质通量守恒。模型求解采用非结构网格中心网格有限体积法求解，其优点为计算速度较快，非结构网格可以拟合复杂地形。在进行数学模型计算时，依据工程区水下地形图确定水深，并将水深换算至当地平均海平面。计算网格由三角形单元构成，这样能较好的拟合岸线。依据研究的需要，采用不同的空间分辨率和网格尺度。为节约计算容量，节省时间，对网格进行嵌套，单元格边长约为10~15m。所建数学模型网格节点数为2908个，单元总数为6209个。水动力模型边界条件分为两类：（1）上边界条件：入流边界条件，为补水流量；（2）蒸发/渗透边界条件：西安地区属于半干旱地区，蒸发旺盛。同时由于沙壤土质的性质，河道渗透严重。根据当地经验，取水的蒸发与渗漏速率为24.04mm/d。该模型主要参数有糙率、涡粘系数和时间步长。糙率与河流水深、床面形态、植被条件等因素有关，本模型采用曼宁糙率系数为0.025。涡粘系数采用Smagorinsky公式估算，相应Smagorinsky系数取值为0.25m2/s。根据模型网格大小、水深条件动态调整模型计算时间步长，使CFL数小于0.8，满足模型稳定的要求，计算时步长在0.01～30s。

该模型模拟的成果如图2所示。图2a是在某补水方案条件下，景观水体中的水流流速的流场分布，从流场分布图可以了解到哪些区域换水是比较快的，哪些区域是缓冲区和死水区，基于这些信息可以采取相应的措施。图2b～2d是在某补水方案条件下，沙河的换水周期，在第0、15和30天，示踪剂在沙河中的浓度分布，可以很好地对换水周期进行指示。用来指导补水的水量和补水点的调整，以达到换水周期的要求。