基于“一张图”的海绵城市建设智慧管理系统设计——西安小寨案例

高思岩，刘 扬,2,*，张学东，张 新

(1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 102616； 2.北京建筑大学，北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；3.中国科学院遥感与地球研究所，北京 102616)

随着现代化城市的发展，我国正面临着各种各样的水环境问题，如水资源短缺、水质污染、城市内涝等，这在一定程度上对人们的生活产生了很大的影响。海绵城市的建设在调节城市水环境方面的贡献非常大，不仅减轻了市政地下排水管道和泵站的使用压力，还可以综合利用自然条件和人为手段完善城市生态系统功能，降低城市洪涝灾害的发生率[1]。

本文以西安小寨为研究区，基于“一张图”的设计理念，对海绵城市智慧管理系统进行规划，开发了小寨海绵城市智慧管理系统。该系统不仅实现了监测数据、城市管网等资料的高效修改、增添、删除等基本管理工作，还与相关的地理信息系统相结合，促进了城市资源的优化配置，提高了海绵城市管理和建设的工作效率，旨在解决以小寨区域为例的海绵城市建设过程中的问题，实现海绵城市管理系统的全面化、自动化、智能化应用，为西安市小寨区域海绵城市建设提供技术指导与参考[2]。

1 西安小寨现状分析

一直以来，海绵城市的建设都是人们关注的焦点，西安是资源性缺水城市，水资源时空分布不均，水资源总量仅为23.47亿m3。小寨处于西安市的次核心商业圈，对经济建设和人文环境的发展具有重大意义[3]。随着水资源供需矛盾的突出，区域排水防涝的基础设施建设不足，加之建设绿地面积较少，在雨水拦截和雨水蓄储方面的能力受到限制，天然宝贵的雨水资源大量流失，在这样的“建成区”进行海绵城市建设，具有一定的挑战，有必要建立可监测、可评估、可控制的联动管理系统。

2 海绵城市建设问题分析

目前，我国的一些大型城市主要以地下水作为城市供水的水源，同时也形成了多种规模较大且完善的供排水系统，但由于大量使用地下水，不可避免地出现了一些值得人们重视的水环境问题，主要表现在水安全、水生态、水环境、水资源等方面。

(1)地面渗水功能降低：由于长期大量开采地下水，地下水水位降低，补给量减少，水生态受到严重的破坏[4]。

(2)垃圾杂物影响排水：在遇到强暴雨天气时，雨水向低洼处流动，夹杂着塑料袋、废纸等城市垃圾，在排水过程中普遍存在雨污混流的现象，水环境质量较差。

(3)城市供水资源矛盾：在城市水资源缺乏的情况下，存在水资源利用率重复、使用率较低和浪费的现象。

因此，以西安小寨为例，设计海绵城市智慧管理系统，合理调节、分配水资源，从而缓解城市水资源危机，实现海绵城市建设的可视化、自动化效果，支撑海绵城市建设综合管理，为西安小寨乃至国内海绵城市的设计与管理提供参考与借鉴。

3 海绵城市智慧管理系统设计与实现

3.1 总体设计

网络技术的进一步发展，尤其是广域网的发展，在一定程度上促进了Browser/Server(B/S)结构GIS平台的发展。综合考虑GIS作为海绵城市管理控制、决策系统平台的要求，采用比较成熟的 B/S架构(图1)，即由下到上的数据服务层、业务逻辑层以及表现层来构建系统，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用[1]。

图1 智慧管理系统总体架构图Fig.1 Diagram of Overall Architecture of Smart Management System

其中，表现层是最外层，与用户最靠近。利用JavaScript和HTML语言对系统界面进行编程设计，将系统获取的数据和联动收集的数据展现出来，为用户提供一种交互式操作的页面，完成用户和后台的交互及最终查询结果的输出功能。业务逻辑层处于数据访问层与表现层的中间，利用服务器完成客户端的应用逻辑功能，在数据交换中起到承上启下的作用。数据访问层为海绵城市智慧管理系统提供底层的数据库服务支持，实现对数据库表的添加(insert)、删除(delete)、更新(update)、查询(select)等操作。

3.2 数据库设计

系统的数据库涉及多类型、多区域、多时间段的空间数据，因此，数据库的设计不仅影响到这些数据能否有组织、有序地进行存储、管理和检索，还会影响到系统功能运行的实现效果。通过SQL Server搭建数据库平台，根据系统的需求分析及建设目标，将数据库分为监测数据库、考核评估数据库、预警预报数据库和应急处理数据库。其中，监测数据表是系统数据的主要来源，对系统在线监测点采集的数据进行存储[5]，考核评估数据库时刻计算并记录考核指标信息，为预警预报数据库提供数据支持，而预警预报数据库和应急处理数据库主要存储异常情况的基本信息。

3.3 系统功能模块设计

构建小寨海绵城市智慧管理系统，将海绵城市运营管理过程中各个阶段的数据存储起来，并对其进行功能分析。系统能够对采集、监测的数据及时做出预警提示和应急处理方案，全面提升城市绿化环保的系统运行效率[6]。图2为系统的详细功能模块设计划分图。

图2 系统详细功能模块划分图Fig.2 Diagram of Detailed Function Module Partition of the System

3.3.1 实时监测模块的设计

为实现小寨区域雨情数据同步监控，分为水质监测和管网监测，流程如图3、图4所示。通过物联网，借助GPRS、相关监测仪器等，采集雨量、流量、液位、水质等多项指标。其中，水质指标包括化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)浓度、总磷(TP)浓度和年雨水径流污染物(SS)浓度。信号处理单元将原始数据信息转换为可分析处理的数字信号，并通过数据传输单元到中继节点。最后，系统通信单元将数据传输到数据管理中心进行数据分析、处理等，为系统考核评估提供数据支撑，并对水污染等情况进行预警预报[7]。借助系统可视化情况，能够将各类监测信息互联互通，促进智慧管理系统各个功能、各个设施之间的有效协同[8]。

图3 水质监测系统结构图Fig.3 Structure Diagram of Pipe Network Monitoring System

图4 管网监测系统结构图Fig.4 Structure Diagram of Pipe Network Monitoring System

3.3.2 考核评估模块的设计

考核评估功能为海绵城市的发展提供了强有力的技术支撑，其考核指标包括：水环境质量、年径流总量控制率、热岛效应、年雨水径流污染物削减率和雨水资源收集利用率[9]。基于监测模块获取的各类监测数据，根据考核评估功能建立数学模型，定量化评估海绵城市各项指标的建设效果，构建完善的海绵城市考核评估体系[10]。

(1)水环境质量考核

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的3项主要水质指标，采用单因子评价法对研究区域的水质监测数据进行水环境质量(COD、NH3-N、TP)评价和分析，单因子指数的计算如式(1)所示。

Pi=Ci/Si

(1)

其中：Pi——标准指数；

Ci——评价因子i的实测统计代表值，mg/L；

Si——评价因子i的评价限值，mg/L。

(2)内涝灾害防治考核

考虑到小寨内涝灾害防治重现期设计标准为50年，且24 h降雨不给城市带来灾害，将1 h内道路积水深度作为考核指标进行评估。

(3)年径流总量控制率考核

通过自然和人工强化的方法，对研究区域雨水进行控制，将区域内全年累计得到控制的雨量占全年总降雨量的比例称为年径流总量控制率[11]。数学计算模型如式(2)。

ω=[1-(α-β)/γ]×100%

(2)

其中：ω——年径流总量控制率；

α——全年排出雨水总量，mL；

β——客水总量，即外来雨水量，mL；

γ——全年总降雨量，mL。

(4)热岛效应分析

城市热岛效应是指城市环境造成城市市区气温明显高于外围郊区同期气温的现象，调取温度监测模块的数据检验城市热岛强度，通过对比海绵城市建设区气温与周边区域气温的平均值差值来衡量。

(5)年雨水径流污染物削减率考核

结合海绵体效果监测站及水中悬浮物浓度监测站等的实测年雨水径流污染物浓度数据，统计分析年雨水径流污染物削减率，建立污水侵入检测模型，识别非降雨时段管网中污水的侵入情况。

(6)雨水资源收集利用率考核

根据《海绵城市建设绩效评价与考核指标(试行)》[12]，将雨水资源化利用率定义为研究区域内调蓄池、调蓄库等蓄水设施的年取用水量之和，其与海绵城市项目建设区域内年均降雨量的比值即雨水资源收集利用率。

3.3.3 预警预报模块的设计

综合系统实时监测模块收集的数据和考核评估模块对各项指标的评价，结合互联网的先进理念，应用大数据、云计算、地理信息系统等高新技术，设计海绵城市智慧管理预警预报功能[13]。设置自动处理以及响应流程，实现海绵城市遇到突发状况的提前预警预报、隐患排查、优先处理。若出现紧急情况，需进一步向国家相关部门汇报，做出预警提示，保障海绵城市管理系统的安全运行[14]。

3.3.4 智慧应急模块的设计

基于现代化网络和通讯技术，融合社会各类信息资源，通过数字智能化手段，建立立体的、全方位一体化的综合决策和应急指挥系统，迅速处理海绵城市发展过程中的各类突发事件，实现海绵城市智慧应急。

3.3.5 信息管理模块的设计

数据是系统功能实现的基础，海绵城市的数据量较大，种类较多。因此，对数据的存储和管理也存在一定的难度，系统的信息管理模块主要是对系统监测数据进行实时更新，能够对采集到的数据进行删除、添加、修改、查询等操作[15]，能够将海量监测数据进行分类。

3.4 系统测试

为了验证设计的海绵城市智慧管理系统的有效性和可靠性，对西安小寨系统进行了实地测试和功能验证，测试功能包括考核评估、预警预报、智慧应急和信息管理。

首先，进入系统主界面(图5)，输入用户名及密码，点击登录按钮，进入主界面(图6)。研究范围为深色框出部分，可以对地图进行放大缩小操作。

图5 登录界面Fig.5 Diagram of Login Interface

图6 系统主界面Fig.6 Diagram of Main Interface of the System

考核评估界面如图7所示，输入当前水环境考核指标信息，进行评估，结果如图8所示。

图7 系统考核评估界面Fig.7 Diagram of Assessment Interface of the System

图8 考核评估结果Fig.8 Diagram of Assessment Results

预警预报界面如图9所示。结合雨水积累量、水位深度和雨水流速的预警规则，对监测采集到的数据进行处理，用柱状图将这3种预警指标呈现出来。不同级别的指标生成不同的预警预报日志，并通过互联网将信息发布出去。

图9 系统预警预报界面Fig.9 Diagram of the Early Warning and Forecasting Interface of the System

根据排涝、交通事件的突发情况，对海绵城市智慧应急功能提供抢险方案，联合调动各部门进行抢险处理和维护措施，实现海绵城市建设的高效运行。根据内涝风险等级进行相应的智慧应急处理，同时生成应急抢险预案(图10和图11)。

最后，可以对系统的基本信息进行维护，界面如图11所示。

图10 系统智慧应急界面Fig.10 Diagram of Smart Emergency Interface of the System

图11 信息管理界面Fig.11 Diagram of Information Management Interface

4 结论

目前，我国海绵城市建设研究仍处于初步探索阶段，本文基于“一张图”的设计思想为西安小寨区海绵城市建设提供技术方案，构建了以实现恢复水生态、改善水环境、提高水安全为目标的海绵城市智慧管理系统。

随着系统的使用与维护，大大减少了相关工作人员的工作强度与工作量，提高了监测设备的运行效率，在一定程度上，降低了强降雨天气给基础设施带来的损耗。智慧管理系统运行后，可通过电子屏幕实时监测各个站点的水流情况与管网的运行情况，减少了人工到现场勘察的时间。除此之外，系统还可以利用监测到的数据和外部收集到的数据对各项指标进行考核评估分析，对超出标准范围的指标提出预警预报，根据不同程度预警等级及时做出应急处理，从而避免了不必要的城市内涝问题，同时提高了城市水资源的利用率，基本实现了海绵城市智慧管控的建设目标，为海绵城市的运行提供了保障。

今后，如能更加完善系统功能，使其性能进一步提升，可广泛应用于其他海绵城市的管控工作，为与海绵城市相关的部门提供参考和借鉴。