CIM技術(shù)在城市水環(huán)境治理中的應(yīng)用研究*

黃 超，徐林箏，陳澤銳，林龍輝，揭 敏

(中國(guó)建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100161)

0 引言

城市高速發(fā)展，更新擴(kuò)容速度快，老舊城區(qū)交疊，老舊雨污排水系統(tǒng)不完善，雨污錯(cuò)接、管網(wǎng)破損等情況造成的影響日益凸顯，城市污水排入河中，直流街道，造成水污染以及環(huán)境污染嚴(yán)重。在雨天，城市排水系統(tǒng)無(wú)法滿足城市排水需求，街道積水嚴(yán)重、雨污溢流，給出行造成困擾，嚴(yán)重影響城市形象。目前水污染治理主要采用源頭截污與排口治理的方法，傳統(tǒng)方法缺乏針對(duì)性，無(wú)法量化，不能滿足城市不同情況下的排放及治理要求。排水系統(tǒng)為隱蔽工程，早期管道資料不全甚至缺失導(dǎo)致后期整改維護(hù)困難，加重了城市水體污染以及后期治理難度。CIM(city information modeling)，通過(guò)城市信息數(shù)據(jù)還原真實(shí)城市模型，更加便捷直觀傳遞城市信息，了解城市現(xiàn)狀。通過(guò)與BIM模型、三維斜測(cè)模型、GIS三維天地圖、城市地表徑流模型等技術(shù)連接，形成更加具體全面的信息平臺(tái)，根據(jù)各項(xiàng)信息模擬展示各種突發(fā)狀況以及分析各種應(yīng)對(duì)方法產(chǎn)生的效果，從而研究適用于各大城區(qū)排水系統(tǒng)改造的較為合理的分流制排水體制改造方案。

1 國(guó)內(nèi)水環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 水污染情況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年，我國(guó)水資源總量為27 700.8億m3。但1990年之前我國(guó)污水處理率為0，自有統(tǒng)計(jì)以來(lái)，我國(guó)排放污水總計(jì)達(dá)13 000多億m3，占我國(guó)水資源總量的近1/2，完全未經(jīng)過(guò)處理直接排放的生產(chǎn)生活污水達(dá)7 000多億m3，達(dá)到我國(guó)水資源總量的近1/4，水污染問(wèn)題嚴(yán)重。

1.2 生活垃圾處理情況

根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2019年我國(guó)生活垃圾清運(yùn)總量達(dá)到24 206.2萬(wàn)t，其中垃圾處理分為無(wú)害化處理及其他，垃圾無(wú)害化處理主要分為3種方式：衛(wèi)生填埋、焚燒處理、其他。我國(guó)城市生活垃圾無(wú)害化處理量為19 673.8萬(wàn)t，其中衛(wèi)生填埋量為11 804.3萬(wàn)t，占比為60%；焚燒量為6 885.8萬(wàn)t，占比為35%；其他無(wú)害化處理量占比為5%。這幾種方式在處理上或多或少都會(huì)對(duì)環(huán)境、水、土壤以及居民造成影響，除了能被統(tǒng)計(jì)的垃圾清運(yùn)之外，還有很多隨處丟棄的垃圾以及隨意排放的污水無(wú)法統(tǒng)計(jì)。

2 水環(huán)境治理方法與信息技術(shù)

2.1 水環(huán)境治理方法

目前水環(huán)境治理方法是前期通過(guò)排口溯源從源頭治理，排查各個(gè)錯(cuò)接點(diǎn)以及亂排亂放點(diǎn)，改造原有排水管道，將雨污分流，并且新建污水處理站，將各種污水匯總通過(guò)提升泵站匯集排至污水處理站，通過(guò)各項(xiàng)處理達(dá)到排放要求后排至河道中。

2.2 目前治理技術(shù)難點(diǎn)、缺陷

1)局限性 目前的治理技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn)不正常流水口或者污水亂排點(diǎn)，通過(guò)溯源找出源頭從而解決問(wèn)題。這種傳統(tǒng)方法過(guò)于片面單一，具有偶然性、隨機(jī)性，只能解決當(dāng)下發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，不能解決根本問(wèn)題。

2)信息不全，施工難度大 由于目前現(xiàn)有的排水系統(tǒng)大多為老舊系統(tǒng)，早期系統(tǒng)資料不齊全或者殘缺丟失，導(dǎo)致后期進(jìn)行整改時(shí)無(wú)法查詢資料了解完整結(jié)構(gòu)，需要消耗更多時(shí)間進(jìn)行排查，增加施工難度。

3)涉及部門多，協(xié)調(diào)配合難度大 水污染治理主要為管道工程，由于管道工程為隱蔽工程，整個(gè)施工過(guò)程牽扯部門繁多，需要與多方進(jìn)行協(xié)調(diào)，加大了施工難度。

4)無(wú)法滿足特殊情況 雨季時(shí)雨量過(guò)大，排水系統(tǒng)達(dá)不到排水要求，導(dǎo)致積水嚴(yán)重，由于早期技術(shù)不成熟以及現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法預(yù)估各種情況下的排放要求，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法針對(duì)變化情況正常運(yùn)行，雨污溢流造成污染。

2.3 BIM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

建筑信息模型(building information modeling，BIM)，是指以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型基礎(chǔ)，進(jìn)行建模，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。我國(guó)在建筑中應(yīng)用BIM技術(shù)可分為兩個(gè)階段：第1階段為2002—2014年，主要是以學(xué)習(xí)BIM技術(shù)為主，對(duì)BIM技術(shù)的了解處于初級(jí)階段；第2階段為2014年至今，許多研究?jī)?nèi)容都表達(dá)了BIM技術(shù)對(duì)建筑信息化的重要性。目前，BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，項(xiàng)目招投標(biāo)中規(guī)定，項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工階段采用BIM技術(shù)形成前期規(guī)劃，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行建模，依托BIM平臺(tái)的各項(xiàng)功能，進(jìn)行碰撞檢測(cè)，模擬各種可能行，在設(shè)計(jì)階段得出最適合的設(shè)計(jì)方案，依靠BIM技術(shù)可以模擬各種狀況，提前預(yù)知各種可能性，從而降低風(fēng)險(xiǎn)、提高效率，將效益最大化、方案最全化。

2.4 三維斜測(cè)模型理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)技術(shù)被廣泛用于遙感測(cè)繪領(lǐng)域，也逐漸應(yīng)用于建筑、交通、防災(zāi)救援等領(lǐng)域。隨著地形與制圖技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字模型引起人們的關(guān)注，攝影遙感等可視化技術(shù)得到重視。斜測(cè)攝影技術(shù)是近幾年測(cè)繪領(lǐng)域迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，它顛覆了以往常規(guī)的正射影像只能從垂直視角拍攝的局限，通過(guò)在1個(gè)飛行平臺(tái)上搭載2～5個(gè)傳感器，同時(shí)從多個(gè)角度采集影像，形成直觀模型，讓用戶從多個(gè)角度觀察，更加了解實(shí)際情況，彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家運(yùn)用較早，處于成熟階段，近年來(lái)無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)在我國(guó)也得到越來(lái)越多的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)斜測(cè)攝影技術(shù)也越來(lái)越完善。

2.5 GIS三維天地圖理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

GIS技術(shù)是利用專業(yè)軟件和計(jì)算機(jī)硬件，獲取空間地理信息、編輯并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，供隨時(shí)調(diào)取查詢，支持計(jì)算和管理所存儲(chǔ)信息，還可通過(guò)制圖處理顯示信息，并可分析和應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)為地質(zhì)水文工作提供支持。當(dāng)前技術(shù)水平下GIS得以多維度發(fā)展，且進(jìn)展迅速。GIS技術(shù)被應(yīng)用于城市規(guī)劃、土木工程、地理測(cè)繪、國(guó)土資源管理等。

2.6 城市地表徑流模型理論概述

針對(duì)暴雨頻發(fā)引起的城市內(nèi)澇災(zāi)害和雨污污染，為了進(jìn)行控制，需要了解雨水徑流系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算得出城市地表徑流模型，并得出雨水不同量的流向以及會(huì)發(fā)生的狀況等。1978年，美國(guó)環(huán)保局(EPA)提出了SWMM 模型(storm water management model)，可以計(jì)算城市產(chǎn)匯流過(guò)程，主要包括時(shí)變降雨量、地表水蒸發(fā)洼地截留、地表徑流非線性水庫(kù)演算等。MOUSE(model for urban sewers)是丹麥水力學(xué)研究所(DHI)1983年開(kāi)發(fā)的用于模擬城市徑流、管道水流的城市暴雨徑流模型，可模擬泥砂和溶解態(tài)、顆粒態(tài)污染物的運(yùn)動(dòng)以及管道中水質(zhì)變化過(guò)程和微生物降解過(guò)程。DHI還針對(duì)城市降雨模擬開(kāi)發(fā)了MIKEURBAN，能快速準(zhǔn)確模擬雨水污水泥砂沉積與輸移，分析水質(zhì)及泥砂堆積問(wèn)題，預(yù)測(cè)暴雨條件下發(fā)生城市內(nèi)澇的位置與嚴(yán)重程度。相較于國(guó)外，我國(guó)的城市地表徑流模型起步較晚，但通過(guò)吸取國(guó)外優(yōu)秀案例經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)的模型有城市雨水管道計(jì)算模型(SSCM)、 城市雨水徑流模型(CSYJM)等。

3 CIM技術(shù)在水環(huán)境治理中的應(yīng)用研究

3.1 CIM技術(shù)

CIM技術(shù)用以實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維管理全鏈條的信息管理，解決新型智慧城市建設(shè)中數(shù)據(jù)孤島的困境，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)城市治理方式的革新。CIM發(fā)展方向是打造數(shù)字城市領(lǐng)域最為核心的建筑物聯(lián)時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)，各行業(yè)、各部門信息共享，集成各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)多維度可視分析，更加有效管理城市，達(dá)到精細(xì)化管理。CIM的應(yīng)用能夠促進(jìn)城市發(fā)展，更加完善城市運(yùn)營(yíng)體系。

3.2 CIM城市管理平臺(tái)與其他信息技術(shù)的關(guān)系

3.2.1BIM與CIM城市管理平臺(tái)

BIM一般用于建筑當(dāng)中，相較于CIM的宏觀表現(xiàn)，BIM更多的是展現(xiàn)細(xì)節(jié)部分，仿佛是一個(gè)個(gè)細(xì)胞組成了城市，并且能夠展現(xiàn)城市建筑信息以及隱蔽工程，可以更加便捷地了解城市各管線運(yùn)行情況，為后期運(yùn)行維護(hù)提供保障。應(yīng)用BIM能夠在水污染治理中通過(guò)管線碰撞了解管線安排的最優(yōu)布置方案，及時(shí)處理各種情況。

3.2.2三維斜測(cè)模型、GIS與CIM城市管理平臺(tái)

通過(guò)三維斜測(cè)輔助GIS地理信息系統(tǒng)，將城市的二維展現(xiàn)變成了三維立體。三維斜測(cè)配合GIS技術(shù)，從多方位、多角度展現(xiàn)城市面貌，組成了城市信息系統(tǒng)的皮膚構(gòu)造。將三維斜測(cè)以及GIS應(yīng)用到水環(huán)境治理中，可以清楚展示河道情況以及污染排放情況。污染源通過(guò)三維斜測(cè)以及GIS在CIM城市管理平臺(tái)中清楚展現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題點(diǎn)及時(shí)報(bào)警并顯示位置，從而能夠快速解決問(wèn)題。利用三維斜測(cè)可以清楚展示城市河道、排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，通過(guò)GIS的信息采集、整合分析以及配合算法處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水文的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且結(jié)合對(duì)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及降雨數(shù)據(jù)的處理建立模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害的有效預(yù)防。通過(guò)三維斜測(cè)輔助GIS建立模型，開(kāi)展空間數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的收集、編輯，為城市管網(wǎng)系統(tǒng)提供依據(jù)。

3.2.3城市地表徑流模型與CIM城市管理平臺(tái)

河流是城市的血脈，地表徑流是城市的血管，貫穿著城市流動(dòng)，關(guān)系著城市的平穩(wěn)運(yùn)行。水環(huán)境污染很大一部分原因除了人工污染之外，還有自然原因，由于暴雨或者極端天氣，城市排水系統(tǒng)無(wú)法滿足要求，造成雨污混流，水滿溢流，從而造成水體污染。城市地表徑流模型通過(guò)對(duì)城市地表徑流以及降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算模擬城市徑流、管道水流的城市暴雨徑流模型，結(jié)合CIM中其他信息模型分析出暴雨條件下發(fā)生城市內(nèi)澇的位置與嚴(yán)重程度，針對(duì)具體情況制定合理方案。

4 結(jié)合CIM的智慧水環(huán)境治理運(yùn)行管理模式研究

4.1 水環(huán)境治理智慧化運(yùn)行管理模式的目標(biāo)

1)為信息交流、協(xié)同治理提供支撐平臺(tái) 將CIM引入水環(huán)境治理中，可以大大縮短溝通交流時(shí)間，各部分業(yè)務(wù)信息以及現(xiàn)場(chǎng)情況在CIM平臺(tái)上一目了然，實(shí)現(xiàn)了各部門業(yè)務(wù)信息共享交流以及協(xié)同作業(yè)，將水污染治理工作變得更加便捷。

2)實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境治理全方面掌控 傳統(tǒng)方法是發(fā)現(xiàn)一處整改一處，存在許多未發(fā)現(xiàn)、未整改的源頭，靠人工巡查耗時(shí)耗力效率低且不經(jīng)濟(jì)，無(wú)法做到時(shí)時(shí)監(jiān)督。采用CIM技術(shù)，結(jié)合其中的三維斜測(cè)以及GIS地理信息系統(tǒng)及BIM技術(shù)可以對(duì)每個(gè)排口、每條河流時(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異樣可以及時(shí)知道突發(fā)點(diǎn)的位置，綜合分析制定出適合的方案，通過(guò)對(duì)信息資源的共享、整合、分析和各項(xiàng)業(yè)務(wù)之間的合作聯(lián)系，突破時(shí)間空間限制，將管理伸展到城市的每個(gè)角落，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境乃至整個(gè)城市的全方位掌控。

3)治理效率最大化，治理成效最大化 通過(guò)將CIM技術(shù)運(yùn)用到水環(huán)境治理中，利用信息共享清楚地展現(xiàn)整個(gè)城市狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)控城市運(yùn)轉(zhuǎn)情況，面對(duì)水污染能及時(shí)找出原因，結(jié)合不同模型分析得出最佳治理方案，面對(duì)暴雨極端天氣能夠分析出城市降水量以及排水量，從而制定最佳管線布置方案，解決積水、排水不暢等問(wèn)題，將治理效率最大化，治理成效最大化。

4.2 CIM支撐智慧水環(huán)境治理目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

1)技術(shù)支持 利用BIM、三維斜測(cè)、GIS技術(shù)配合地表徑流模型模擬整個(gè)城市運(yùn)轉(zhuǎn)情況，針對(duì)城市擴(kuò)容以及管線建造等都可以利用該技術(shù)進(jìn)行建模，找出最優(yōu)方案設(shè)計(jì)。隨著國(guó)內(nèi)CIM技術(shù)應(yīng)用越發(fā)成熟，更加保障了水環(huán)境治理智能化的實(shí)施應(yīng)用。

2)數(shù)據(jù)資源共享 CIM從多個(gè)角度展示整個(gè)城市的狀況，并且包含多個(gè)系統(tǒng)，各方信息均包含在內(nèi)，利用BIM以及GIS提供城市數(shù)據(jù)信息，結(jié)合各部門數(shù)據(jù)方便進(jìn)行查詢分析，通過(guò)對(duì)各方數(shù)據(jù)的整合形成CIM城市管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)城市業(yè)務(wù)聯(lián)合與統(tǒng)籌集成及核心業(yè)務(wù)的提升，可以更加有效地治理水環(huán)境污染。

3)可視化技術(shù) 水環(huán)境治理更加智慧化，從二維到三維是必然的，要實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境治理的全方位掌控，離不開(kāi)各方面信息的支持，而CIM具備對(duì)所有實(shí)體對(duì)象實(shí)現(xiàn)三維可視化的能力，能夠根據(jù)城市及水環(huán)境現(xiàn)狀實(shí)時(shí)更新和監(jiān)督。

4.3 基于CIM的智慧水環(huán)境治理模型設(shè)計(jì)

CIM城市管理平臺(tái)由CIM技術(shù)、BIM技術(shù)、三維斜測(cè)技術(shù)、GIS技術(shù)及地表徑流模型組合構(gòu)成，以城市信息模型為骨架，BIM技術(shù)為細(xì)胞，三位斜測(cè)輔助GIS地理信息作為皮膚，地表徑流模型為血液共同構(gòu)建完整的智慧型水環(huán)境治理平臺(tái)(見(jiàn)圖1)。

圖1 智慧型水環(huán)境治理流程

利用BIM技術(shù)，將城市各種類型信息收集建立城市模型，配合三維斜測(cè)以及GIS地理信息建立城市三維模型，添加各部門信息，綜合展現(xiàn)出一個(gè)完整的城市以及水環(huán)境系統(tǒng)。城市擴(kuò)容或者水環(huán)境產(chǎn)生變化，無(wú)人機(jī)以及GIS監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)立即在CIM城市管理平臺(tái)中體現(xiàn)，及時(shí)展現(xiàn)出問(wèn)題點(diǎn)，相關(guān)部門能夠在第一時(shí)間知道位置并通過(guò)分析各項(xiàng)信息得出最優(yōu)解決方案，以最快的速度解決問(wèn)題。針對(duì)城市擴(kuò)容或管網(wǎng)改造，綜合分析出適用于各種情況的管線布置方案，并且將數(shù)據(jù)信息自動(dòng)上傳使后期的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)更加便捷。

5 結(jié)語(yǔ)

CIM通過(guò)將城市數(shù)據(jù)顆粒細(xì)化到建筑單體內(nèi)部每個(gè)部件，將傳統(tǒng)數(shù)字城市升級(jí)為可感知、動(dòng)態(tài)在線、虛實(shí)交互的數(shù)字孿生城市。針對(duì)傳統(tǒng)水污染治理方法效率低、耗時(shí)耗力并且有一定的局限性，CIM城市管理平臺(tái)以CIM為基礎(chǔ)，結(jié)合BIM技術(shù)、GIS、三維斜測(cè)以及城市徑流模型等信息模型，通過(guò)三維立體展示城市模型，實(shí)現(xiàn)城市動(dòng)態(tài)一體化，通過(guò)平臺(tái)清楚展示城市管道走向并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體動(dòng)態(tài)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，找出源頭，利用各項(xiàng)信息技術(shù)找出最優(yōu)解決方案，達(dá)到治理目的，為城市治理提供數(shù)字賦能、智慧賦能，全面提升水務(wù)治理效率，使城市管理更加科學(xué)化、精細(xì)化。雖然目前還在研究階段，但是相信在信息化技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，基于CIM的智慧化水環(huán)境污水治理技術(shù)將會(huì)得到完善并形成一套成熟的理念，真正應(yīng)用于水環(huán)境治理當(dāng)中，對(duì)整個(gè)城市的水環(huán)境與水安全進(jìn)行長(zhǎng)效治理與監(jiān)督。