数字排水技术的发展与内核技术介绍_赵冬泉

JISHU技术篇2008.8W＆WEInformation数字排水数字排水技术的发展与内核技术介绍赵冬泉1,2王浩正1佟庆远1盛政1陈吉宁2(1北京清华城市规划设计研究院,北京100084;2清华大学环境科学与工程系,北京100084)摘要城市排水管网担负着收集输送污水,及时排除雨水的功能,是一个复杂多维、规模庞大的网络体系。目前我国排水管网存在管理混乱,资料分散,调控滞后等突出问题。数字排水(DigitalWater)技术是第四代管网管理技术,可以实时采集管网在线数据,进行动态分析和模拟,为排水管网的规划管理、运行养护提供可靠依据,提高城市日常雨、污水的收集排放效率以及应对一些突发状况,从而保障城市公共服务的质量和城市安全。DigitalWater技术平台的内核技术包括多源数据集成,拓扑空间分析,三维分析,模拟结果动态表达等,这些内核技术共同作用,才能使Digitalwater技术应用于十个管网管理工作的具体领域。关键词数字排水(DigitalWater)管网雨水污水拓扑空间分析动态模拟三维分析1排水管网功能及我国排水管网的问题城市排水管网是城市水污染防治和城市排渍防涝的骨干工程,担负着收集城市生活和工业生产等污水、及时排除城区雨水和流经市区的雨水的任务,是保证城市正常运转的重要生命线。伴随着我国城市化的进程,城市排水管网系统的建设速度快、规模大、更新快,排水管网管理的难度越来越大,长期以来排水系统管理中存在的问题日益显现,主要包括以下几方面:①管理法规和相关技术标准不完善,缺乏完善可靠的排水管网数字化管理技术规范,各个城市排水管网数字化管理水平和技术标准差异较大;②大部分城市排水管网数据资料管理方式分散不系统,数据存储方式多样,部分城市“重建设轻管理”,造成排水管网数据不完整、不准确,对排水管网资产状况掌握不全面;③分散不系统的管理模式和低效的查询分析方法难以体现复杂排水管网的网络特征和上下游关系,使得分析决策水平还停留在主观判断和简单推理的层次;④排水管网的水力分析、调度分析、布局优化分析和应急事故分析缺乏科学依据,流域级别的综合管理模式无法实现,在应对防汛抢险等危机事件过程中现有管理调度手段苍白无力;⑤缺乏全面完整、科学有效的管道养护筛选数据库,难以制定高效的管道养护计划,排水管网及排水设施的管理养护随意性大,养护效果也难以评估;⑥缺乏有效的管网状态评估和运行监测手段,不能及时掌握管网排水负荷和运行状况的变化,基于实时在线数据的全管网系统分析和动态模拟分析鲜有应用案例。2数字排水(digtalwater)技术的发展其实,对于城市排水管网数字化管理和专业化分析的研究和应用一直在持续进行。在国外,20世纪60年代初期排水模型研究者就已经在城市排水系统模拟方面进行了研究和开发,并出现了大量的统计模型、机理模型及管理和规划模型。最早在水领域应用的是Linslcy和Crawford开发的斯坦福流域模型(StanfordWatershedModel,SWM),这是一个应用于水资源领域的计算机连续模拟模型程序。而真正标志着城市排水计算机建模开端的是1969～1971年由美国环保署(UnitedStatesEnvironmen-talProtectionAgency,简称USEPA)资助开发的暴雨管理模型(StormWaterManagementModel,简称SWMM)。在国内,20世纪70年代同济大学的杨钦就将计算机技术引入到给水管网的计算中,使大规模的管网计算和优化成为可能,但遗憾的是并没有建立类似国外SWMM、STORM等可以全面模拟城市排水系统的大型计算模型。另外一方面,对于大量复杂空间数据的管理、查询和分析技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。从20世纪60年代初加拿大的RogerF.Tomlinson和美国DuaneF.Marble在不同方面、从不同角度提出了地理信息系统·26·技术篇JISHU给水排水动态2008.8数字排水(GIS)概念以来,其含义与应用正在不断扩大,目前GIS已成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市规划等类别中的一百多个领域。国内排水管网管理模式的发展可分为四个阶段。(1)传统管理模式:主要靠图纸和管理者的记忆和经验进行管理;(2)简单的计算机管理模式:以AutoCAD、Excel等文件格式对管网系统进行简单的信息化存储;(3)基于GIS的管理模式:将管网数据以空间和属性数据一体化方式存储,实现基本的地图显示和查询功能;(4)基于监测和模拟的综合管理模式:是目前排水系统管理研究和实施的热点,该模式综合GIS和专业模型的优势,利用GIS提供数据管理和空间分析能力,利用管网水动力学模型提供专业计算和分析功能,为排水管网运营控制提供科学的参考意见;该模式更可以实时采集管网在线监测数据,进行动态