本文以西安某園區(qū)為例，探討了基于海綿城市理念的智慧水務(wù)解決方案，并且評估了智慧水務(wù)的效果。智慧水務(wù)由感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和智能分析層構(gòu)成，其中計算機模型包含水動力模型、內(nèi)澇模型和活性污泥模型。智慧水務(wù)系統(tǒng)可為該園區(qū)水景實現(xiàn)水質(zhì)和水量的正常供應(yīng)，以及景區(qū)內(nèi)內(nèi)澇預(yù)警和調(diào)劑功能，提高了決策支持系統(tǒng)和智慧水務(wù)沙盤。

1項目背景

園區(qū)位于西安周邊，總面積14.09km2，基本呈矩形，見圖1。

根據(jù)規(guī)劃，園區(qū)污水處理廠出水須達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，即100%須進(jìn)行深度處理，此標(biāo)準(zhǔn)幾乎等同于再生水水質(zhì)指標(biāo)。故再生水處理率為100%，其可利用規(guī)模為2萬m3/d。再生水的回用有3個去處：農(nóng)田灌溉、城市綠化用水和河道景觀補水，規(guī)劃園區(qū)景觀水體補水水源為再生水，不低于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，由于再生水執(zhí)行的是一級A標(biāo)準(zhǔn)，其中的各項污染物指標(biāo)仍然高于地表水劣Ⅴ類水，需要對補水量和補水點進(jìn)行評估。

另外一方面，由于氣候變化導(dǎo)致極端氣候增加，要使得發(fā)生城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)（50年一遇24h）以內(nèi)的暴雨時，城市不發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害，規(guī)劃整個園區(qū)設(shè)置1座雨水排澇泵站，規(guī)模9.0m3/s。由于景觀水系中規(guī)劃了游船等設(shè)施，要求防澇標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，水系水面變化幅度盡可能小。

擬通過智慧水務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）對園區(qū)的海綿城市的規(guī)劃進(jìn)行評估，實現(xiàn)園區(qū)水務(wù)管理智慧化。

（2）利用數(shù)學(xué)模型的方法研究再生水污染物質(zhì)在景觀水系中的濃度分布，為補水量和補水點管理提供支撐依據(jù)。

（3）通過降雨徑流模型，管流模型，河道模型和二維地面漫流模型，模擬在不同降雨工況條件下，內(nèi)澇可能產(chǎn)生的風(fēng)險，對雨水防澇泵站進(jìn)行管理，確保景觀水系水位穩(wěn)定，以利旅游開發(fā)。

（4）對于建設(shè)好的設(shè)施和設(shè)備進(jìn)行合適的調(diào)度運營，搭建基于海綿城市設(shè)施的傳感器，通訊網(wǎng)絡(luò)，水文模型的智慧水務(wù)系統(tǒng)，本研究對此智慧水務(wù)系統(tǒng)的效果做了初步展望。

2園區(qū)智慧水務(wù)方案

結(jié)合園區(qū)海綿城市監(jiān)督與考核需求，園區(qū)智慧水務(wù)規(guī)劃建設(shè)相關(guān)信息化系統(tǒng)，信息化系統(tǒng)將按照總體規(guī)劃、分步實施、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、信息公開、資源共享的原則逐步發(fā)展成為一個綜合的智慧水務(wù)管理平臺。系統(tǒng)將以更加精細(xì)和動態(tài)的控制方式管理供排水系統(tǒng)的整個生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，以流程標(biāo)準(zhǔn)化、管理精細(xì)化和決策智能化為建設(shè)目標(biāo)，實現(xiàn)對供排水設(shè)施的全面、動態(tài)化管理，實時監(jiān)控排水管網(wǎng)的關(guān)鍵點、自動預(yù)警等。充分利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云技術(shù)，進(jìn)行服務(wù)效能整合與升級、加強資源整合與共享，實現(xiàn)節(jié)能減排，提高資產(chǎn)運維管理效率，進(jìn)而提高水務(wù)行業(yè)的信息化管理水平。智慧水務(wù)監(jiān)控中心及相應(yīng)沙盤規(guī)劃設(shè)置在規(guī)劃展覽館內(nèi)。

2.1智慧水務(wù)特點

作為有效提升園區(qū)水務(wù)管理和服務(wù)水平的創(chuàng)新技術(shù)，園區(qū)智慧水務(wù)方案具有以下區(qū)別與傳統(tǒng)的水務(wù)管理模式的特點：

（1）支持更全面的感知。通過運用各種感知技術(shù)，全面感知園區(qū)的各個方面水務(wù)和海綿的相關(guān)信息，通過遍布于園區(qū)所有涉水區(qū)域，尤其是海綿設(shè)施、污水處理廠、泵站、管網(wǎng)、下立交、河道等關(guān)鍵區(qū)域的傳感器與智能設(shè)備將組成物聯(lián)網(wǎng)，實時對水資源流動全過程進(jìn)行測量、監(jiān)控與分析，做到變被動為主動、全面感知。

（2）支持更廣泛的互聯(lián)互通。運用網(wǎng)絡(luò)、通信、交互、集成、移動等技術(shù)，信息孤島和業(yè)務(wù)隔閡將被打通，實現(xiàn)涉水信息之間的無縫連接，從供水到排水，從排水到污水處理，從污水處理到中水，從中水到河水，從河水到雨水，從雨水到水資源，整個的水體循環(huán)都能夠在智慧水務(wù)里面進(jìn)行互聯(lián)互通，有利于園區(qū)水務(wù)運營管理者掌握水務(wù)運營管理全貌，也有利于當(dāng)?shù)鼐用癖憬萁邮招畔ⅲ罱K達(dá)到水務(wù)管理與服務(wù)的有機、協(xié)同化運作。

（3）支持更深入的智能決策。智能決策不是某個環(huán)節(jié)的智能化，而是深入結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，運用數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)，為水務(wù)運行管理工作提供強大的決策支持，強化水務(wù)運行管理的科學(xué)性和前瞻性。同時，智能決策還意味著系統(tǒng)對某些事態(tài)進(jìn)行預(yù)處理并自主做出決策。

（4）支持更主動的公眾服務(wù)。利用物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，使相關(guān)服務(wù)信息能夠迅速傳遞到每個需要知悉的人員以達(dá)到系統(tǒng)支撐的更主動的公眾服務(wù)。通過智能服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)，使整個服務(wù)過程可視化、可管理、可追溯，實現(xiàn)社會服務(wù)的主動化，從而實現(xiàn)對公眾服務(wù)能力提升的有力保障。

2.2園區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成

智慧水務(wù)信息系統(tǒng)采用多層結(jié)構(gòu)與具體應(yīng)用支撐相結(jié)合的設(shè)計方式，分別是感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和智能分析層。

2.2.1感知層

感知層作為信息采集、交換服務(wù)的基礎(chǔ)，通過覆蓋園區(qū)的監(jiān)測設(shè)備、移動終端、傳感器成為為智慧大腦提供外部信息的感官觸角，在智慧水務(wù)建設(shè)中具有基礎(chǔ)性地位。本項目感知層—涉水監(jiān)測體系中，測量儀器有多個模塊，見表1。

2.2.2傳輸層—通信網(wǎng)絡(luò)

傳輸層通過互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息資源的高效共享和交換，針對互聯(lián)網(wǎng)、移動無線專網(wǎng)等不同范圍網(wǎng)絡(luò)平臺提供相應(yīng)的隔離措施與安全保障。智慧水務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)主要是利用通信公司建立的移動無線專網(wǎng)，結(jié)合園區(qū)的行業(yè)局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸和共享。

2.2.3數(shù)據(jù)層—涉水綜合數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)層完成對感知層來源數(shù)據(jù)、管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及其他平臺涉及數(shù)據(jù)的匯集、共建共享與更新維護(hù)，為上層業(yè)務(wù)集成與應(yīng)用提供完整的數(shù)據(jù)分析依據(jù)。在智能應(yīng)用層中對涉水業(yè)務(wù)的管理、運營工作中各類事務(wù)特征和變化規(guī)律進(jìn)行抽象描述和規(guī)律研究，用系統(tǒng)功能滿足業(yè)務(wù)管理對智慧的需求，同時承載智慧水務(wù)系統(tǒng)的各類資源、目錄與存儲發(fā)布信息，為各相關(guān)用戶提供城市管理公共資源。

涉水綜合數(shù)據(jù)管理將基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一匯總，既可以對現(xiàn)有各業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)專題數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，又可無縫獲取智能應(yīng)用產(chǎn)生的各類決策支持信息，從而實現(xiàn)整個水務(wù)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)、匯集、共建共享與動態(tài)更新。同時，還可通過智慧水務(wù)運營管理平臺對城市綜合管理及其他市政領(lǐng)域（如燃?xì)狻⒄彰鞯龋┻M(jìn)行在線數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)、市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的交換與共享，以此滿足智慧城市遠(yuǎn)期發(fā)展的需要。

涉水綜合數(shù)據(jù)管理將充分考慮園區(qū)水務(wù)運營服務(wù)模式和服務(wù)內(nèi)容的實際需求，在不改變原有數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)的情況下，有效解決多源、異構(gòu)和海量數(shù)據(jù)的交換和共享。通過WebService技術(shù)和基于JSON、XML格式的數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范接口，遵循OGC的WMS網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)與WFS網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，解決了異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的互通互訪，能夠提供排水?dāng)?shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)、業(yè)務(wù)位置服務(wù)、服務(wù)管理以及多場景可擴(kuò)展的SOAP和REST的訪問接口系統(tǒng)框架，為智慧水務(wù)應(yīng)用的構(gòu)建提供了理想的數(shù)據(jù)和功能環(huán)境。

2.2.4業(yè)務(wù)層—業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)

智慧水務(wù)業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)包括GIS（GeographisInformationSystem）系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、模擬方案管理系統(tǒng)和智能分析層。

2.2.4.1GIS系統(tǒng)

水務(wù)GIS系統(tǒng)的建設(shè)是智慧水務(wù)的基礎(chǔ)。該GIS系統(tǒng)的建設(shè)是基于對對污水管線、雨水管線、中水管線以及相關(guān)資料的信息化基礎(chǔ)之上。根據(jù)該GIS系統(tǒng)，可以實現(xiàn)管線資料高效率的保存、修改、增添、刪除和轉(zhuǎn)移等基本管理工作，還可以實現(xiàn)與其他GIS系統(tǒng)，如道路GIS系統(tǒng)、煤氣GIS系統(tǒng)、電信GIS系統(tǒng)和城市規(guī)劃GIS系統(tǒng)等的完美整合，提高整個城市管理和建設(shè)的效率，促進(jìn)城市資源的優(yōu)化配置。水務(wù)GIS系統(tǒng)可以為高級水務(wù)模型的開發(fā)和建設(shè)提供源源不斷的數(shù)據(jù)，是智慧水務(wù)建設(shè)的下層物質(zhì)基礎(chǔ)。目前西咸智慧水務(wù)的建設(shè)需要依靠比較完善的水務(wù)GIS系統(tǒng)，但是水務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施與其他城市基礎(chǔ)設(shè)施息息相關(guān)，如在管網(wǎng)中增添某一泵站，可能促進(jìn)整個供水系統(tǒng)的能量優(yōu)化，但是泵站的建設(shè)可能受制于當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)資源的供給或土地資源的供應(yīng)等。在智慧城市建設(shè)的大背景下，完成各行業(yè)GIS的構(gòu)建以及這些GIS系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享和決策統(tǒng)一，將任重道遠(yuǎn)。西咸智慧水務(wù)項目建設(shè)需要GIS系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)及智能應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行高度的集成和融合，最大程度實現(xiàn)信息流通與共享，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度的數(shù)據(jù)分析和挖掘，支撐起更高層次的智慧應(yīng)用。

2.2.4.2數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)

對于智慧水務(wù)系統(tǒng)來說，僅僅是視頻信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，必須建立一套完整的排水?dāng)?shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，將感知層中的水位、流量、雨量、水泵運行參數(shù)等信息進(jìn)行收集與管理，為智慧分析與應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2.4.3模擬方案管理系統(tǒng)

模擬方案管理系統(tǒng)是面向?qū)I(yè)技術(shù)人員的數(shù)學(xué)模型后臺管理工具。因為專業(yè)的數(shù)學(xué)模型軟件界面比較復(fù)雜，參數(shù)信息繁多，對于業(yè)務(wù)人員來說操作難度較大，因此該系統(tǒng)通過簡化的系統(tǒng)界面將復(fù)雜的模型作業(yè)過程進(jìn)行了簡化，在直觀的方案管理體系中對模型方案進(jìn)行編制與修改，是進(jìn)行模型搭建與編制、模型系統(tǒng)化應(yīng)用和水務(wù)管理模擬與分析的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)不僅可以導(dǎo)入用戶自己編制的各類方案，并且可以從在線系統(tǒng)中抓取快照，構(gòu)建各種類型應(yīng)用的離線模型方案，不管是模型專家還是普通技術(shù)人員都可以在此系統(tǒng)上借助管網(wǎng)模型進(jìn)行各種方案編制與專業(yè)分析，通過智能應(yīng)用層面的各類子系統(tǒng)功能可以全面了解現(xiàn)狀管網(wǎng)的運行狀況，評價管網(wǎng)改造、更新設(shè)計方案的合理性，評估調(diào)度方案的可行性等，為管網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全性與經(jīng)濟(jì)性提供支撐保證。

2.2.5智能分析層

智能分析層作為智慧排水系統(tǒng)中的核心計算“大腦”，為系統(tǒng)提供了基于各類數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)信息以邊界條件、約束條件及運行目標(biāo)等綜合因素的“思考”能力，為數(shù)據(jù)的深度挖掘進(jìn)而產(chǎn)生有價值的信息提供了核心計算能力，并能充分結(jié)合業(yè)務(wù)專家經(jīng)驗及其他人工智慧信息為排水系統(tǒng)的調(diào)度管理及運營決策提供更智能的優(yōu)化措施建議，通過其他智能應(yīng)用子系統(tǒng)將“思考”成果推送到智慧水務(wù)系統(tǒng)的各個方面。

智能分析層包括了數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用、水力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型建設(shè)、沙河智能補水控制系統(tǒng)、西咸初期雨水及海綿城市監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)以及污水處理廠全流程優(yōu)化運行控制五大方面的內(nèi)容，通過系統(tǒng)集成策略將與智能應(yīng)用的各個方面有效結(jié)合起來，形成各個方向的智能應(yīng)用的有力技術(shù)支撐。

2.3智慧水務(wù)系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)

智慧水務(wù)系統(tǒng)最終達(dá)到的目標(biāo)如下：

（1）實現(xiàn)污水處理廠全廠優(yōu)化運行，保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時，最大程度地減少能耗；

（2）旱季污水處理廠的中水能夠補充沙河的景觀用水，并且保證景觀用水的水質(zhì)，同時，減少自來水補水和灃河水量的補給；

（3）智慧水務(wù)系統(tǒng)會根據(jù)灃河的水質(zhì)和水位情況進(jìn)行優(yōu)化的補水補給；

（4）雨季海綿城市措施發(fā)揮作用，削減面源污染并且削減入河洪峰，并根據(jù)監(jiān)測大數(shù)據(jù)對海綿設(shè)施及進(jìn)行定期的維護(hù)和管理，保證海綿設(shè)施的正常工況運行；

（5）雨季對公眾提供低洼積水點內(nèi)澇預(yù)警。

3計算機模型技術(shù)在智慧水務(wù)系統(tǒng)中的作用

智慧水務(wù)中的智能分析層是智慧水務(wù)的核心，而其中的主要用于核心計算的工具是水文模型，在園區(qū)的智慧水務(wù)系統(tǒng)里面，主要使用的水文模型有：用于景觀水系水動力水質(zhì)模擬的二維模型，用于城市內(nèi)澇風(fēng)險評估和預(yù)警的內(nèi)澇模型以及污水處理廠的微生物活性污泥模型。

3.1水動力模型

本項目中，水動力模型使用某國際知名廠家開發(fā)的二維水流模擬軟件搭建了二維水動力模型。對水質(zhì)環(huán)境的影響主要考慮工程后沙河內(nèi)換水速率和周期的計算。利用水質(zhì)模塊模擬示蹤劑擴(kuò)散過程和粒子追蹤過程。根據(jù)標(biāo)定示蹤劑的試驗方法，來表征模型研究中河道內(nèi)的換水速率、換水周期以及可能的緩沖區(qū)、死水區(qū)的計算分析，建立總氮、總磷的擴(kuò)散、衰減模型，模擬換水期間濃度分布以及穩(wěn)定后的濃度分布。數(shù)值計算方法采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法，其具有計算速度快及復(fù)雜地形擬合較好等優(yōu)點。并保證物質(zhì)通量守恒。模型求解采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解，其優(yōu)點為計算速度較快，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以擬合復(fù)雜地形。在進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計算時，依據(jù)工程區(qū)水下地形圖確定水深，并將水深換算至當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫妗Ｓ嬎憔W(wǎng)格由三角形單元構(gòu)成，這樣能較好的擬合岸線。依據(jù)研究的需要，采用不同的空間分辨率和網(wǎng)格尺度。為節(jié)約計算容量，節(jié)省時間，對網(wǎng)格進(jìn)行嵌套，單元格邊長約為10~15m。所建數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為2908個，單元總數(shù)為6209個。水動力模型邊界條件分為兩類：（1）上邊界條件：入流邊界條件，為補水流量；（2）蒸發(fā)/滲透邊界條件：西安地區(qū)屬于半干旱地區(qū)，蒸發(fā)旺盛。同時由于沙壤土質(zhì)的性質(zhì)，河道滲透嚴(yán)重。根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，取水的蒸發(fā)與滲漏速率為24.04mm/d。該模型主要參數(shù)有糙率、渦粘系數(shù)和時間步長。糙率與河流水深、床面形態(tài)、植被條件等因素有關(guān)，本模型采用曼寧糙率系數(shù)為0.025。渦粘系數(shù)采用Smagorinsky公式估算，相應(yīng)Smagorinsky系數(shù)取值為0.25m2/s。根據(jù)模型網(wǎng)格大小、水深條件動態(tài)調(diào)整模型計算時間步長，使CFL數(shù)小于0.8，滿足模型穩(wěn)定的要求，計算時步長在0.01～30s。

該模型模擬的成果如圖2所示。圖2a是在某補水方案條件下，景觀水體中的水流流速的流場分布，從流場分布圖可以了解到哪些區(qū)域換水是比較快的，哪些區(qū)域是緩沖區(qū)和死水區(qū)，基于這些信息可以采取相應(yīng)的措施。圖2b～2d是在某補水方案條件下，沙河的換水周期，在第0、15和30天，示蹤劑在沙河中的濃度分布，可以很好地對換水周期進(jìn)行指示。用來指導(dǎo)補水的水量和補水點的調(diào)整，以達(dá)到換水周期的要求。

3.2內(nèi)澇模型

園區(qū)內(nèi)澇模型包含一維管網(wǎng)模型、二維地表漫流模型、以及將一、二維因素綜合考慮的耦合模型。通過計算機模擬獲得雨水徑流的流態(tài)、水位變化、積水范圍和淹沒時間等信息，采用單一指標(biāo)或者多個指標(biāo)疊加，可以綜合評估城市內(nèi)澇災(zāi)害的危險性；結(jié)合城市區(qū)域重要性和敏感性，也可以對城市進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險等級進(jìn)行劃分。

模型中應(yīng)用的降雨邊界條件主要包括短歷時設(shè)計降雨和長歷時設(shè)計降雨。設(shè)計暴雨選用模式雨型，短歷時降雨歷時為2h，研究區(qū)域雨峰系數(shù)取定為0.4，降雨重現(xiàn)期分別為1年、2年、3年、5年、10年、20年、50年，降雨時間步長為5min。長歷時降雨采用50年一遇24h、100年一遇24h和300年一遇24h設(shè)計降雨過程。根據(jù)提供的降雨規(guī)律分析得知長歷時24h降雨的設(shè)計暴雨時程，并根據(jù)不同重現(xiàn)期的總降雨量進(jìn)行分配得到不同重現(xiàn)期下的長歷時設(shè)計降雨。

此模型既可在降雨條件下對園區(qū)內(nèi)的地面積水情況做出準(zhǔn)確的模擬，也可以模擬管網(wǎng)中的水動力參數(shù)情況，包括流量和水位。其中管網(wǎng)的水動力模塊計算的是非恒定流，計算建立于一維自由水面流的圣維南方程組，即連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）和動量方程（動量守恒—牛頓第二定律）。該方程采用Abbott六點隱式格式有限差分?jǐn)?shù)值求解，此計算方法可以自動調(diào)整時間步長，并為分支或環(huán)型管網(wǎng)提供有效而準(zhǔn)確的解法。該計算方法適用于排水管道的有壓流和自由水面的垂向均勻流，大部分的水流現(xiàn)象如倒灌和溢流等都可以精確的模擬。

管網(wǎng)水動力模型的參數(shù)設(shè)置，決定了模型模擬的準(zhǔn)確性。在一維管網(wǎng)水動力模型中，主要涉及的參數(shù)有：平均坡面流速、模擬時間步長、管道曼寧數(shù)、檢查井局部水頭損失。這些參數(shù)包括模擬時間步長、平均坡面流速、管道曼寧數(shù)、檢查井局部水頭損失、和檢查井直徑等。該項目中，模擬時間根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性，自動調(diào)節(jié)模擬步長，取值范圍為5~30s，每一個集水區(qū)的平均流速，決定了該段管道的匯流時間，平均坡面流速設(shè)為0.3m/s。對于管徑≤DN800的鋼筋混凝土管管道，曼寧數(shù)設(shè)為75；管徑≥DN1000為高密度聚乙烯管，曼寧數(shù)設(shè)為100，忽略檢查井局部水頭損失，為確保管道的排水能力，設(shè)檢查井直徑為與相連接管道的最大直徑一致。耦合模型參數(shù)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維地表與管網(wǎng)模型的水力交互方式，地表的最大入流量表示積水進(jìn)入和流出檢查井的最大入流量，設(shè)為0.2m3/s，耦合位置指檢查井所在的地形網(wǎng)格。

圖3是在降雨條件下園區(qū)某區(qū)域的內(nèi)澇積水分布，包括重要積水點的水位過程和流量過程，以及重要管道的水位縱斷面，表2是基于內(nèi)澇模型，不同級別降雨重現(xiàn)期下內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)域的面積統(tǒng)計。

3.3活性污泥模型

污水處理廠的模擬采用商業(yè)活性污泥模擬軟件進(jìn)行，該軟件是一個操作靈活、界面開放、功能強大的污水處理廠模擬軟件，可以構(gòu)建和模擬幾乎所有的污水處理工藝及構(gòu)造。基于該軟件建立污水處理廠生化處理工藝模型，可以有效評估污水處理廠運行過程中存在的問題，提出優(yōu)化運行的解決方案。此外，可以作為基層操作者和技術(shù)人員有效管理和控制污水處理廠的決策支持工具。可以選擇污水廠的任意一組工藝進(jìn)行建模、模擬與測試。

圖4是在不同的污水處理廠的工藝參數(shù)條件組合下，通過軟件模擬得出的在滿足污水出水達(dá)標(biāo)前提下，能耗最節(jié)省的方案。該軟件在應(yīng)用過程中，包括4大模塊：①構(gòu)造污水處理工藝，包括反應(yīng)器的組合、流程連接和二沉池模型；②接著定義模型初始條件，包括確定模型類型、確定構(gòu)筑物的體積與流量以及模型參數(shù)的賦值；③進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，確定仿真初步條件，包括輸入穩(wěn)態(tài)入流水質(zhì)選定計算步長、對各池模型參數(shù)進(jìn)行參數(shù)賦值和模擬計算得到穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果；④動態(tài)仿真模擬，在該模塊中，包括輸入污水廠動態(tài)進(jìn)水水質(zhì)、模擬計算得到動態(tài)模擬結(jié)果和輸出圖形或數(shù)值結(jié)果。其中模擬結(jié)果需要與實際出水水質(zhì)進(jìn)行比較，如不一致（滿足一定精度要求）則進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析、過渡分析和模型調(diào)整與校正，當(dāng)模擬結(jié)果與實際結(jié)果一致時，輸入動態(tài)模擬結(jié)果。通過該軟件生成多種解決方案進(jìn)而得出最優(yōu)方案。

4智慧水務(wù)效果展示

智慧水務(wù)建成后主要展示部分為決策支持系統(tǒng)和智慧水務(wù)沙盤系統(tǒng)兩大內(nèi)容。

4.1決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)是園區(qū)的智慧水務(wù)的核心，決策支持系統(tǒng)將部署在運營中心，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)，智能終端設(shè)備進(jìn)行訪問。決策支持系統(tǒng)主要包含景觀水體智能補水控制系統(tǒng)、初期雨水及海綿城市監(jiān)控系統(tǒng)和污水處理廠全流程優(yōu)化運行控制系統(tǒng)。

4.1.1景觀水體智能補水控制系統(tǒng)

以沙河為主的景觀水體，作為園區(qū)內(nèi)主要的景觀河道和調(diào)蓄雨洪的重要設(shè)施，它的水量和水質(zhì)直接關(guān)系到它能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，因此，需要對于沙河的不同河段的水位和水質(zhì)進(jìn)行實時的監(jiān)測和信息傳輸，并且把這些信息作為輸入量和觸發(fā)，在需要進(jìn)行補水的時候采取必要的措施，使沙河的水位和水質(zhì)能夠維持在功能性的需求水平。這個需要建立一個智能補水控制系統(tǒng)，如水位低于閾值時，自動觸發(fā)再生水補水或者自來水補水，如水質(zhì)有惡化趨勢時，加大補水量以減少停留時間等。

4.1.2初期雨水及海綿城市監(jiān)控系統(tǒng)

園區(qū)內(nèi)的初期雨水會對景觀水體造成污染，海綿城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完成之后，包括初期雨水的截留設(shè)施，如何運營好這些設(shè)施，對于海綿城市的成效至關(guān)重要，初期雨水及海綿城市監(jiān)控系統(tǒng)將對這些主要設(shè)施的運行情況進(jìn)行監(jiān)控，并且對可操控的設(shè)施進(jìn)行有效的調(diào)度，使海綿城市中的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的效益最大化。

4.1.3污水處理廠全流程優(yōu)化運行控制系統(tǒng)

為了達(dá)到污水處理廠優(yōu)化運營的目的，污水處理廠全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)在保證出水水質(zhì)的前提條件下，污水處理穩(wěn)定，設(shè)備運行工況正常，且將污水處理廠的能耗保持在一個較低的水平，在應(yīng)急情況下，能夠?qū)Σ煌奶幹梅桨傅男ЧM(jìn)行評估，供運行管理者進(jìn)行甄選決策。

4.2智慧水務(wù)沙盤系統(tǒng)

園區(qū)智慧水務(wù)沙盤系統(tǒng)是按等比例對園區(qū)進(jìn)行縮放，能夠直觀的展示區(qū)域內(nèi)的地形地貌，并且對規(guī)劃和已建成的雨水、污水、再生水系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)的展示，使參觀者能夠?qū)τ谥腔鬯畡?wù)的理念和實際運營有深刻的理解，也可以作為教育基地對高校和中小學(xué)生進(jìn)行定期開放。整體智慧水務(wù)沙盤系統(tǒng)由實體城市沙盤、水系統(tǒng)沙盤和投影沙盤3部分構(gòu)成。

4.2.1實體城市沙盤

實體城市沙盤見圖5，擬按1∶1000比例進(jìn)行建立，包含多種城市要素，如：樓房、公路、鐵路、橋梁、隧道、河道、農(nóng)田、污水處理廠、泵站等。整個城市沙盤需進(jìn)行特殊處理和防護(hù)，能夠滿足防水要求，占地約為15m2。

4.2.2水系統(tǒng)沙盤

實體城市沙盤只是對城市的一個靜態(tài)縮影，要體現(xiàn)智慧水務(wù)在城市中的應(yīng)用，需要進(jìn)行動態(tài)水系統(tǒng)循環(huán)的展示，此展示使用實際的降水模擬雨水系統(tǒng)，使用水泵水力循環(huán)系統(tǒng)模擬污水處理廠的再生水回用。降水采用高精度噴淋系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以模擬如50年一遇，100年一遇時降雨時地面積水情況，和相應(yīng)的控制措施。沙河中的水位上升和下降對于相應(yīng)泵站的控制等。

4.2.3投影沙盤（決策支持系統(tǒng)示意）

使用三維動畫投影沙盤可以讓參觀者看到在物理實體沙盤中不能看到的水系統(tǒng)循環(huán)的信息，如污水處理廠的優(yōu)化處理過程、地下雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)和再生水管網(wǎng)的優(yōu)化運營過程，并且對其進(jìn)行講解，可視現(xiàn)場具體情況考慮是否將投影沙盤和水系統(tǒng)沙盤進(jìn)行聯(lián)動控制。

5結(jié)論及建議

從智慧地球，到智慧城市，再到智慧水務(wù)，智慧水務(wù)的發(fā)展是水務(wù)信息系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，園區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)方案，作為園區(qū)水務(wù)信息系統(tǒng)的頂層設(shè)計的，力圖利用自上而下的手段來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，既有基于對技術(shù)發(fā)展趨勢的判斷，也需要要洞悉各個子系統(tǒng)之間的相關(guān)性，更要有操作層面上的指導(dǎo)性。本文探討了西安某園區(qū)海綿城市建成后的智慧水務(wù)系統(tǒng)規(guī)劃方案，為后續(xù)的海綿城市設(shè)施智慧水務(wù)系統(tǒng)實施夯實了基礎(chǔ)。

但在本項目水文模型使用的過程中，由于園區(qū)均為新建區(qū)，缺乏“未來”實測數(shù)據(jù)的積累，很多的參數(shù)使用了同類區(qū)域的參考值，在海綿城市建成后，需要根據(jù)實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)對模型的參數(shù)進(jìn)行率定和調(diào)整，以使模型能更準(zhǔn)確的反應(yīng)實際狀況，這部分工作由于技術(shù)發(fā)展尚需水務(wù)技術(shù)人員人工介入。此外，智慧水務(wù)的發(fā)展尚處于初級階段，在智慧水務(wù)運營的過程中，當(dāng)有一定量的監(jiān)測數(shù)據(jù)積累和模型的運行經(jīng)驗以后，再逐步將各個主體的水務(wù)模型進(jìn)行整合，使得不同體系的水務(wù)模型能夠進(jìn)行系統(tǒng)的銜接，實現(xiàn)真正的一體化智慧水務(wù)。