基于GIS技术的昆明市地下排水管线评价与辅助决策

目前，城市排水规划面临的一个主要问题是严重缺乏基础资料支持，因此导致城市地下排水管线的建设与改造缺乏科学依据，导致规划建设中的人为裁量权加重，特别是经验占主导地位的设计导致工作不全面，使建设与改造工作存在局限性和片面性。另外，由于缺乏计算机特别是地理信息系统（GIS）技术支持，使城市中脱离地下排水管线实际容量的建设施工的任意性加强，导致破坏环境容量的不合理的城市建设工程频繁出现，因此城市内涝等事故频繁发生。为滇池治理和城市科学规划建设，2010年昆明市规划局和科技局联合开展了“基于gis技术的昆明市地下排水管线评价研究”项目，该研究利用已有地下排水管线及城市基础地理信息数据成果，对目前掌握的昆明市区域地下管线信息资源数据开展深入分析研究，研究过程中引进国外先进技术，利用GIS技术和方法及涉水专业理论知识，建设地下排水管线工作数学系列模型，通过计算机模拟分析，对昆明市部分片区现存地下排水管线的运行状态、承载能力及灾害预报等方面作出评价，最终建立昆明市主城区有代表性的片区排水模型，以及与此相配套的地下排水管线管理、评估与分析平台，并通过互联网技术等先进手段，将这些成果面向社会提供服务。同时，进一步收集并管理相关涉水数据，为昆明市城市雨污分流改造、城市防洪应急及涉水规划管理方面做出科学合理、客观的决策支持。

1 基于GIS技术的城市地下排水管线评价

城市地下排水管线评价研究建设包括以下内容：

1.1数据建设

本研究数据包括：采集处理研究片区地下排水管线及其附属物数据（包括地下排水管线及其附属物的管径、标高、摩阻系数、泵站数量及运行数量、运行参数等，水泵流量扬程曲线及其启闭控制参数等，包括城市河道的基础数据采集与管理及明河与暗河的基本属性数据）；涉水GIS数据（数字地形图、数字影像地图、高精度城市DEM、LIDAR数据）以及气象、人口、人口排水及水量变化曲线数据，供水、水文、集水区、地表渗透数据：使用关系型数据库进行建库管理，为城市的水资源环境数据采集、管理、分析及应用奠定良好的基础；建设排水管理的多要素、多图层、规则化电子地图，为项目的分析和处理及后续的开发应用提供规范化背景数据。

1.2数字化模拟

建立研究片区排水管线模拟系统，即建立具有代表性的雨、污水系统的数学模型，利用模型测试该片区排水系统对不同条件的反应。包括以下内容：

1.2.1通过模型建设，模拟城市排水工作环境

本研究使用HR WALLINGFORD公司的InfoWorks CS排水模型软件以及所包括的模型构建技术，通过模型建设读取GIS数据库，并集成城市排水信息资源专题数据库，及软件自身的规划应用管理功能，通过图形分析等手段提供一个可以细致、精确模拟雨污水收集系统的工作环境。利用时间序列模拟引擎，针对城市污水系统和其相关的排水系统的关键要素可以作出快速、精确、稳定的模拟，预测城市排水系统的工作状态，或单点降水及降雨后对环境造成的影响，通过对GIS数据的使用，完整模拟回水影响、逆流、明渠、主干渠、复杂管道连接等城市排水结构复杂的辅助控制架构。

1.2.2通过GIS技术展示计算机模型计算结果

交互式数据浏览功能，包括平面图、纵剖面图、电子数据表格和随时间变化的图形数据。同时使用全新的交互三维显示技术改善了窖井的虚拟表现。实现了从任意图形和地理视图上展示底层数据。通过GIS技术输出表格和图表式的结果报告、城市洪水淹没分析等。

1.3研究评价内容

通过建立地下排水管网模型，分析评价管网运行现状，对地下排水管网系统改造提出合理化建议并形成体系，以指导该片区排水管线的规划、建设与管理。包括以下内容：

1.3.1依据城市排水系统的现状，评价、改造和新建城市化排水系统

建设的排水模型可应用于城市排水系统的现状评估、规划改造和新建城市化排水系统的设计与规划等各方面。相比于以推理法等理论和工程经验为基础设计排水系统，排水模型具有不受条件限制，数值分析速度和效率高，耗时少，通用性强等优势，能高效改善城市排水和污染控制的设计、建设与管理。

1.3.2城市洪涝灾害的预测评价及解决方案的决策支持

1.3.2.1结合城市地形因素（河道及地下排水管线、城市地表数字高程模型（DTM））

对该片区的暴雨分布情况展开研究并建立相应模型，为防洪规划提供合理化决策依据。通过建立的排水模型可对任意的降雨条件、任意的水工构筑物运行状态和边界条件进行仿真模拟，为用户提供管渠流量、水位、流速、充满度以及泵的启闭等重要信息。

1.3.2.2合流污水截流系统设计及分析：对于较为复杂的合流制排水系统，排水模型不仅可以同分流制污水系统一样对旱天流量进行评估，更重要的是能够对雨天排水系统的运行进行准确的描述。

1.3.2.3可持续城市排水系统（SUDs）的研究：项目对雨水系统的优化管理及可持续发展进行研究。调蓄池、草坪、绿化、透水性铺设等雨水优化设施已经逐步得到应用。

1.3.3合流系统污水排放污染情况的预测及改善方案的评价（CSO）

合流制系统普遍存在的合流污水溢流（CSO）问题是排水系统所面临的一个普遍问题。借助本项目建设的排水模型及GIS技术，不仅可以模拟一次降雨之后排水系统超出截流能力之后出现的溢流，而且利用长系列模拟功能，还可对当地平均年降雨情况下全年暴雨导致的溢流量进行预测。

1.3.4城市降雨径流控制及调蓄设计及评价

排水系统通常较为复杂，本研究借助水力模型的研究，准确地模拟城市排水实际情况，包括重力流系统，水泵强排系统，圩区排放系统，系统的雨污混接、入流与入渗情况，以及泥沙淤积、河道潮位等状况，确定出最为合适的解决方案。

1.3.5通过排水体系容量模型对城市新建建筑的评价研究

为新增城市地下排水管线的设计提供客观指导依据，评估新建城市建筑体是否对周围城市地下管线造成影响，并明确造成多大的影响，以保证城市新建排水管线满足“雨污分流”及环境容量要求。

1.3.6通过建立地下排水管网非正常运行及事故状态的分析处理模型，针对应急事件，及时准确提供解决方案并作出客观评价。

1.4软件及平台建设

通过引进成熟、稳定的软件技术，开发实现上述功能的系统平台，应用在城市规划、建设、水务等领域。通过数据交互技术，将三维模拟仿真技术，镶嵌到系统平台中，建设基于互联网的共享平台，使上述研究成果通过计算机技术实现跨平台技术的应用推广，在政府层次、职能部门层次及公众层次内推广应用。

2 关键技术

本研究解决了城市数字化排水管理中的一些关键问题，特别是建立复杂条件下的城市排水新模型。其中解决的关键技术包括：

2.1在一维建模中充分利用昆明现有的全覆盖探测数据（市政管网与庭院管线数据相结合），利用小区管网普查数据协助排水管网集水区的划分和一维水力模型的建立。

2.2基于GIS下垫面数据，利用模型工具自动提取模拟片区城市地表下垫面面积（例如草地、房屋、路灯，不同的下垫面具备不同的水文特征，其模拟的准确程度直接影响水力模拟结果），更加精确地模拟城市水文汇水过程。

2.3引入了2D模型对城市地下排水管线运行状态进行科学合理的分析与模拟，使暴雨洪水条件下城市地下排水模拟结果更加真实可靠。结合高程测绘数据，通过建立二维地面漫流模型，能够清晰地模拟洪水淹没的范围，水深以及淹没的路径等。

3 应用实例

本研究选择昆明市主城区西南的兰花沟地区作为研究对象，研究面积约10公里，历史上曾经经历过多次城市洪涝灾害，本研究的目的在于深入分析研究该片区的城市地下管线现状情况，为该区地下管线规划建设提出科学合理的建议。

3.1城市排水模型建设

地下排水管线数据是建设城市排水模型不可或缺的资料，是建设城市地下排水管线评价体系的关键，昆明市地下排水管线数据可挖掘信息包括管线的平面位置、管底标高、埋深、管径、材质、排水流向等关键信息，这些信息在城市地下排水模型建设中发挥了重要的作用，详见表1。

3.2城市排水过程模拟的依据

地下排水管线数据是城市排水过程模拟的依据，城市排水模型模拟地下排水管线工作过程需要管线数据支撑，同时，地下管线数据中的地形、影像等背景数据能够很好地反映模型模拟的城市排水过程空间演进及地形分布等特征，使城市排水过程模拟能够具有较强的目标性。

3.3城市排水模型校核与率定的依据

排水模型需要验证，即需要校核与率定，地下排水管线数据是排水模型校核与率定的基础，城市排水模型在跨区域推广时，需要不同区域的地下排水管线数据进行率定，即校核模型的参数，由此获得整个城市通用的地下管线排水模型，支持对城市地下排水管线的评价工作。

3.4基于GIS技术的昆明市地下排水管线评价

基于GIS技术的昆明市地下排水管线评价以模型建设为基础，主要应用在城市排水管线承载力评价、城市洪灾分析评价、以及城市雨污分流的适合性评价等三方面，这也是目前城市排水管线信息化研究的热点问题。

3.4.1地下排水管线承载力评价：

城市地下排水管线承载力评价通过排水模型计算，客观真实地模拟城市地下排水管线的承载能力，并评价这种能力。

3.4.2城市防洪薄弱环节评价：

城市排水模型建设的另外一个重要功能是通过排水模型模拟极端降水环境下的城市洪灾演进情况，模拟城市排水的薄弱点甚至找到某些可能溢水的检查井，以此合理地评价城市可能发生洪灾的地点。对该地区的地下排水管线进行有针对性的规划与改造。

3.4.3雨污分流适合性评价：

通过城市排水管线承载力分析，并综合考虑城市极端天气因素、人口膨胀规模、污水产出量估算、居民区规划等多因素分析，同时考虑到经济投资等因素，能够对城市的特定区域进行地下排水管线雨污分流的适合性分析，即对各种雨污分流改造的方案进行科学合理的评价，包括经济评价、环境评价等，使城市排水管线雨污分流工作做到经济、环境两者兼顾。