案例：基于海绵城市理念的智慧水务应用研究

3.2内涝模型

园区内涝模型包含一维管网模型、二维地表漫流模型、以及将一、二维因素综合考虑的耦合模型。通过计算机模拟获得雨水径流的流态、水位变化、积水范围和淹没时间等信息，采用单一指标或者多个指标叠加，可以综合评估城市内涝灾害的危险性；结合城市区域重要性和敏感性，也可以对城市进行内涝风险等级进行划分。

模型中应用的降雨边界条件主要包括短历时设计降雨和长历时设计降雨。设计暴雨选用模式雨型，短历时降雨历时为2h，研究区域雨峰系数取定为0.4，降雨重现期分别为1年、2年、3年、5年、10年、20年、50年，降雨时间步长为5min。长历时降雨采用50年一遇24h、100年一遇24h和300年一遇24h设计降雨过程。根据提供的降雨规律分析得知长历时24h降雨的设计暴雨时程，并根据不同重现期的总降雨量进行分配得到不同重现期下的长历时设计降雨。

此模型既可在降雨条件下对园区内的地面积水情况做出准确的模拟，也可以模拟管网中的水动力参数情况，包括流量和水位。其中管网的水动力模块计算的是非恒定流，计算建立于一维自由水面流的圣维南方程组，即连续性方程（质量守恒）和动量方程（动量守恒—牛顿第二定律）。该方程采用Abbott六点隐式格式有限差分数值求解，此计算方法可以自动调整时间步长，并为分支或环型管网提供有效而准确的解法。该计算方法适用于排水管道的有压流和自由水面的垂向均匀流，大部分的水流现象如倒灌和溢流等都可以精确的模拟。

管网水动力模型的参数设置，决定了模型模拟的准确性。在一维管网水动力模型中，主要涉及的参数有：平均坡面流速、模拟时间步长、管道曼宁数、检查井局部水头损失。这些参数包括模拟时间步长、平均坡面流速、管道曼宁数、检查井局部水头损失、和检查井直径等。该项目中，模拟时间根据系统稳定性，自动调节模拟步长，取值范围为5~30s，每一个集水区的平均流速，决定了该段管道的汇流时间，平均坡面流速设为0.3m/s。对于管径≤DN800的钢筋混凝土管管道，曼宁数设为75；管径≥DN1000为高密度聚乙烯管，曼宁数设为100，忽略检查井局部水头损失，为确保管道的排水能力，设检查井直径为与相连接管道的最大直径一致。耦合模型参数有耦合方式、最大入流量和耦合位置等，其中耦合方式采用二维地表与管网模型的水力交互方式，地表的最大入流量表示积水进入和流出检查井的最大入流量，设为0.2m3/s，耦合位置指检查井所在的地形网格。

图3是在降雨条件下园区某区域的内涝积水分布，包括重要积水点的水位过程和流量过程，以及重要管道的水位纵断面，表2是基于内涝模型，不同级别降雨重现期下内涝风险区域的面积统计。

3.3活性污泥模型

污水处理厂的模拟采用商业活性污泥模拟软件进行，该软件是一个操作灵活、界面开放、功能强大的污水处理厂模拟软件，可以构建和模拟几乎所有的污水处理工艺及构造。基于该软件建立污水处理厂生化处理工艺模型，可以有效评估污水处理厂运行过程中存在的问题，提出优化运行的解决方案。此外，可以作为基层操作者和技术人员有效管理和控制污水处理厂的决策支持工具。可以选择污水厂的任意一组工艺进行建模、模拟与测试。

图4是在不同的污水处理厂的工艺参数条件组合下，通过软件模拟得出的在满足污水出水达标前提下，能耗最节省的方案。该软件在应用过程中，包括4大模块：①构造污水处理工艺，包括反应器的组合、流程连接和二沉池模型；②接着定义模型初始条件，包括确定模型类型、确定构筑物的体积与流量以及模型参数的赋值；③进行稳态模拟，确定仿真初步条件，包括输入稳态入流水质选定计算步长、对各池模型参数进行参数赋值和模拟计算得到稳态模拟结果；④动态仿真模拟，在该模块中，包括输入污水厂动态进水水质、模拟计算得到动态模拟结果和输出图形或数值结果。其中模拟结果需要与实际出水水质进行比较，如不一致（满足一定精度要求）则进行参数灵敏度分析、过渡分析和模型调整与校正，当模拟结果与实际结果一致时，输入动态模拟结果。通过该软件生成多种解决方案进而得出最优方案。

4智慧水务效果展示

智慧水务建成后主要展示部分为决策支持系统和智慧水务沙盘系统两大内容。

4.1决策支持系统

决策支持系统是园区的智慧水务的核心，决策支持系统将部署在运营中心，并且可以通过网络，智能终端设备进行访问。决策支持系统主要包含景观水体智能补水控制系统、初期雨水及海绵城市监控系统和污水处理厂全流程优化运行控制系统。

4.1.1景观水体智能补水控制系统

以沙河为主的景观水体，作为园区内主要的景观河道和调蓄雨洪的重要设施，它的水量和水质直接关系到它能够实现的功能，因此，需要对于沙河的不同河段的水位和水质进行实时的监测和信息传输，并且把这些信息作为输入量和触发，在需要进行补水的时候采取必要的措施，使沙河的水位和水质能够维持在功能性的需求水平。这个需要建立一个智能补水控制系统，如水位低于阈值时，自动触发再生水补水或者自来水补水，如水质有恶化趋势时，加大补水量以减少停留时间等。

4.1.2初期雨水及海绵城市监控系统

园区内的初期雨水会对景观水体造成污染，海绵城市的基础设施建设完成之后，包括初期雨水的截留设施，如何运营好这些设施，对于海绵城市的成效至关重要，初期雨水及海绵城市监控系统将对这些主要设施的运行情况进行监控，并且对可操控的设施进行有效的调度，使海绵城市中的基础设施建设的效益最大化。

4.1.3污水处理厂全流程优化运行控制系统

为了达到污水处理厂优化运营的目的，污水处理厂全流程优化控制系统在保证出水水质的前提条件下，污水处理稳定，设备运行工况正常，且将污水处理厂的能耗保持在一个较低的水平，在应急情况下，能够对不同的处置方案的效果进行评估，供运行管理者进行甄选决策。

4.2智慧水务沙盘系统

园区智慧水务沙盘系统是按等比例对园区进行缩放，能够直观的展示区域内的地形地貌，并且对规划和已建成的雨水、污水、再生水系统进行动态的展示，使参观者能够对于智慧水务的理念和实际运营有深刻的理解，也可以作为教育基地对高校和中小学生进行定期开放。整体智慧水务沙盘系统由实体城市沙盘、水系统沙盘和投影沙盘3部分构成。

4.2.1实体城市沙盘

实体城市沙盘见图5，拟按1∶1000比例进行建立，包含多种城市要素，如：楼房、公路、铁路、桥梁、隧道、河道、农田、污水处理厂、泵站等。整个城市沙盘需进行特殊处理和防护，能够满足防水要求，占地约为15m2。

4.2.2水系统沙盘

实体城市沙盘只是对城市的一个静态缩影，要体现智慧水务在城市中的应用，需要进行动态水系统循环的展示，此展示使用实际的降水模拟雨水系统，使用水泵水力循环系统模拟污水处理厂的再生水回用。降水采用高精度喷淋系统进行控制，可以模拟如50年一遇，100年一遇时降雨时地面积水情况，和相应的控制措施。沙河中的水位上升和下降对于相应泵站的控制等。

4.2.3投影沙盘（决策支持系统示意）

使用三维动画投影沙盘可以让参观者看到在物理实体沙盘中不能看到的水系统循环的信息，如污水处理厂的优化处理过程、地下雨水管网、污水管网和再生水管网的优化运营过程，并且对其进行讲解，可视现场具体情况考虑是否将投影沙盘和水系统沙盘进行联动控制。

5结论及建议

从智慧地球，到智慧城市，再到智慧水务，智慧水务的发展是水务信息系统发展的必然趋势，园区智慧水务系统方案，作为园区水务信息系统的顶层设计的，力图利用自上而下的手段来发现问题、解决问题，既有基于对技术发展趋势的判断，也需要要洞悉各个子系统之间的相关性，更要有操作层面上的指导性。本文探讨了西安某园区海绵城市建成后的智慧水务系统规划方案，为后续的海绵城市设施智慧水务系统实施夯实了基础。

但在本项目水文模型使用的过程中，由于园区均为新建区，缺乏“未来”实测数据的积累，很多的参数使用了同类区域的参考值，在海绵城市建成后，需要根据实际监测的数据对模型的参数进行率定和调整，以使模型能更准确的反应实际状况，这部分工作由于技术发展尚需水务技术人员人工介入。此外，智慧水务的发展尚处于初级阶段，在智慧水务运营的过程中，当有一定量的监测数据积累和模型的运行经验以后，再逐步将各个主体的水务模型进行整合，使得不同体系的水务模型能够进行系统的衔接，实现真正的一体化智慧水务。