摘要：本文以西安某园区为例，探讨了基于海绵城市理念的智慧水务解决方案，并且评估了智慧水务的效果。智慧水务由感知层、传输层、数据层、业务层和智能分析层构成，其中计算机模型包含水动力模型、内涝模型和活性污泥模型。智慧水务系统可为该园区水景实现水质和水量的正常供应，以及景区内内涝预警和调剂功能，提高了决策支持系统和智慧水务沙盘...
1、项目背景
园区位于西安周边，总面积14.09 km2，基本呈矩形，见图1。
根据规划，园区污水处理厂出水须达到一级A标准，即100%须进行深度处理，此标准几乎等同于再生水水质指标。故再生水处理率为100%，其可利用规模为2万m3/d。再生水的回用有3个去处：农田灌溉、城市绿化用水和河道景观补水，规划园区景观水体补水水源为再生水，不低于Ⅳ类水标准，由于再生水执行的是一级A标准，其中的各项污染物指标仍然高于地表水劣Ⅴ类水，需要对补水量和补水点进行评估。
另外一方面，由于气候变化导致极端气候增加，要使得发生城市内涝防治标准（50年一遇24 h）以内的暴雨时，城市不发生内涝灾害，规划整个园区设置1座雨水排涝泵站，规模9.0 m3/s。由于景观水系中规划了游船等设施，要求防涝标准内，水系水面变化幅度尽可能小。
拟通过智慧水务系统实现以下目标：
（1）对园区的海绵城市的规划进行评估，实现园区水务管理智慧化。
（2）利用数学模型的方法研究再生水污染物质在景观水系中的浓度分布，为补水量和补水点管理提供支撑依据。
（3）通过降雨径流模型，管流模型，河道模型和二维地面漫流模型，模拟在不同降雨工况条件下，内涝可能产生的风险，对雨水防涝泵站进行管理，确保景观水系水位稳定，以利旅游开发。
（4）对于建设好的设施和设备进行合适的调度运营，搭建基于海绵城市设施的传感器，通讯网络，水文模型的智慧水务系统，本研究对此智慧水务系统的效果做了初步展望。
2、园区智慧水务方案
结合园区海绵城市监督与考核需求，园区智慧水务规划建设相关信息化系统，信息化系统将按照总体规划、分步实施、统一标准、信息公开、资源共享的原则逐步发展成为一个综合的智慧水务管理平台。系统将以更加精细和动态的控制方式管理供排水系统的整个生产、管理和服务流程，以流程标准化、管理精细化和决策智能化为建设目标，实现对供排水设施的全面、动态化管理，实时监控排水管网的关键点、自动预警等。充分利用互联网、物联网技术和云技术，进行服务效能整合与升级、加强资源整合与共享，实现节能减排，提高资产运维管理效率，进而提高水务行业的信息化管理水平。智慧水务监控中心及相应沙盘规划设置在规划展览馆内。
2.1智慧水务特点
作为有效提升园区水务管理和服务水平的创新技术，园区智慧水务方案具有以下区别与传统的水务管理模式的特点：
（1）支持更全面的感知。通过运用各种感知技术，全面感知园区的各个方面水务和海绵的相关信息，通过遍布于园区所有涉水区域，尤其是海绵设施、污水处理厂、泵站、管网、下立交、河道等关键区域的传感器与智能设备将组成物联网，实时对水资源流动全过程进行测量、监控与分析，做到变被动为主动、全面感知。
（2）支持更广泛的互联互通。运用网络、通信、交互、集成、移动等技术，信息孤岛和业务隔阂将被打通，实现涉水信息之间的无缝连接，从供水到排水，从排水到污水处理，从污水处理到中水，从中水到河水，从河水到雨水，从雨水到水资源，整个的水体循环都能够在智慧水务里面进行互联互通，有利于园区水务运营管理者掌握水务运营管理全貌，也有利于当地居民便捷接收信息，最终达到水务管理与服务的有机、协同化运作。
（3）支持更深入的智能决策。智能决策不是某个环节的智能化，而是深入结合大数据技术，运用数据挖掘、知识发现、专家系统等人工智能技术，为水务运行管理工作提供强大的决策支持，强化水务运行管理的科学性和前瞻性。同时，智能决策还意味着系统对某些事态进行预处理并自主做出决策。
（4）支持更主动的公众服务。利用物联网、无线网、移动互联网等先进技术，使相关服务信息能够迅速传递到每个需要知悉的人员以达到系统支撑的更主动的公众服务。通过智能服务系统的建设，使整个服务过程可视化、可管理、可追溯，实现社会服务的主动化，从而实现对公众服务能力提升的有力保障。
2.2园区智慧水务系统构成
智慧水务信息系统采用多层结构与具体应用支撑相结合的设计方式，分别是感知层、传输层、数据层、业务层和智能分析层。
2.2.1感知层
感知层作为信息采集、交换服务的基础，通过覆盖园区的监测设备、移动终端、传感器成为为智慧大脑提供外部信息的感官触角，在智慧水务建设中具有基础性地位。本项目感知层—涉水监测体系中，测量仪器有多个模块，见表1。
2.2.2传输层—通信网络
传输层通过互联网、通信网等基础传输网络实现信息资源的高效共享和交换，针对互联网、移动无线专网等不同范围网络平台提供相应的隔离措施与安全保障。智慧水务通信网络主要是利用通信公司建立的移动无线专网，结合园区的行业局域网进行数据信息的传输和共享。
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Web Service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（Geographis Information System）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10~15 m。所建数学模型网格节点数为2 908个，单元总数为6 209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24.04 mm/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0.25 m2/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 ～ 30 s。
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。
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2 h，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5 min。长历时降雨采用50年一遇24 h、100年一遇24 h 和300年一遇24 h设计降雨过程。根据提供的降雨规律分析得知长历时24 h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5~30 s，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0.3 m/s。对于管径≤DN800的钢筋混凝土管管道，曼宁数设为75；管径≥DN1 000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0.2 m3/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∶1 000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15 m2。
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。