文｜中規(guī)院(北京)規(guī)劃設計公司 祝成

1 引言

自2018年 12月中央經濟工作會議上首次提出了“新型基礎設施建設”（簡稱“新基建”）以來，我國政府高度重視，《2020年國務院政府工作報告中》明確將加強新型基礎設施建設，以激發(fā)新消費需求、助力產業(yè)升級。

“新基建”是一個相對概念。傳統(tǒng)的基礎設施建設，主要指的是鐵路、公路、機場、港口、水利設施等建設項目，它們在我國經濟發(fā)展過程中發(fā)揮了重要的基礎作用。在當代社會發(fā)展條件下，傳統(tǒng)基礎設施建設已經無法滿足要求。因此，新基建的概念應運而生。

“新基建” 則主要指以 5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網為代表的新型基礎設施，涉及七大領域：5G、特高壓、城際高速鐵路和城際軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網等，其本質上是信息數(shù)字化的基礎設施，數(shù)據信息相關服務，如大數(shù)據中心、云計算中心以及信息和網絡的安全保障等，也必將成為我國 “新基建” 的核心所在。

“新基建”是智慧經濟時代貫徹新發(fā)展理念，吸收新科技革命成果，實現(xiàn)國家生態(tài)化、數(shù)字化、智能化、高速化、新舊動能轉換與經濟結構對稱態(tài)，建立現(xiàn)代化經濟體系的國家基本建設與基礎設施建設，包括綠色環(huán)保防災公共衛(wèi)生服務效能體系建設、5G—互聯(lián)網—云計算—區(qū)塊鏈—物聯(lián)網基礎設施建設、人工智能大數(shù)據中心基礎設施建設、以大健康產業(yè)為中心的產業(yè)網基礎設施建設、新型城鎮(zhèn)化基礎設施建設、高新技術產業(yè)孵化升級基礎設施建設等，具有創(chuàng)新性、整體性、綜合性、系統(tǒng)性、基礎性、動態(tài)性的特征。

圖1 新型基礎設施建設七大領域

“新基建”是立足于用科技手段對傳統(tǒng)市政基礎設施建設進行智能化提升改造的重要手段。城市給水排水工程是市政基礎設施建設的重要組成部分，其建設水平是城市現(xiàn)代化的標志之一。城市給水排水工程規(guī)劃設計作為其建設和管理的依據，采用“新基建”的科技手段進行智能化編制，形成更加科學、合理的規(guī)劃設計方案。

2 城市給水排水工程規(guī)劃設計難點

在各個層次的城市給水排水工程規(guī)劃設計中均有一些指標需要確定，如各類規(guī)劃用水指標、匯水分區(qū)、給排水設施的用地及規(guī)模、管道管徑、埋深等。指標制定的是否準確、合理，直接影響給水排水系統(tǒng)的建設規(guī)模和實施的可行性，這也是城市給水排水工程的難點。

2.1 城市用水量預測

通常根據規(guī)劃設計的層次不同、基礎數(shù)據的不同，會采用不同方法來對用水量進行預測，如人均綜合指標法、單位用地指標法、線性回歸法、年遞增率法、城市發(fā)展增量法、分類求和法等。由于城市處于不斷發(fā)展中，是一個漸進的過程，這使得城市用水量預測存在一定的不確定性以及難度。需水量預測偏小，不能滿足城市發(fā)展和人民生活需求，預測太大，會造成供水系統(tǒng)設計不合理和巨大的投資浪費。

2.2 排水管網建設與改造

排水管網以重力流為主，規(guī)劃設計需結合場地豎向、地下管網等現(xiàn)狀資料開展，如設計、竣工圖紙、管網普查結果等，但受限于施工、管理水平，現(xiàn)狀資料的有效性和準確性難以得到保證，尤其老舊排水管網往往存在雨污合流、管線老化、錯接混接、排水能力不足等問題。而老城區(qū)多受限于人口密集、建筑密度大等因素，導致改造工程實施難度增加。

3 “新基建”在城市給水排水工程規(guī)劃設計中的應用

3.1 大數(shù)據分析技術在基礎資料收集整理中的應用

編制科學合理、可操作的城市給水排水工程規(guī)劃需要詳實的基礎資料支撐，包括：用地規(guī)劃、人口預測、各專項工程規(guī)劃等城市總體規(guī)劃的資料；流域面積、分水線、等高線、坡度、坡向、建筑、道路、道路交叉點高程、高地和低地的高程、控制點高程等管網定位資料；用水量標準、衛(wèi)生設備情況、工業(yè)給水量和工業(yè)污水量以及水質情況、現(xiàn)有給水排水系統(tǒng)的情況等資料；水資源概貌、水體分布、河流流量、流向、水位、潮汐、地下水位、水源的水質、水體環(huán)境現(xiàn)狀及綜合利用規(guī)劃、降雨量等氣象水文、地質資料等。

這些資料的獲取一般是通過政府相關部門座談、現(xiàn)有規(guī)劃設計資料的收集匯總、實地測量等方式，獲取基礎資料后，通過人工整理、深入分析、去偽存真，確定可利用的信息。但這些大多都是面上的資料，還需要大量點上的資料進行問題針對性支撐驗證，才能使規(guī)劃更切合實際。

在某市供水工程規(guī)劃中，用水量預測采用了單位人口綜合用水量指標法和各類用水量計算兩種方法，預測遠期總用水量為20.25 萬噸/日。為了驗證預測值的合理性，結合該城市的規(guī)劃目標，通過同類型城市的大數(shù)據挖掘類比分析和節(jié)水技術的應用，對城市工業(yè)用水指標進行了修正，工業(yè)用水量由5.05 萬噸/日修正為3.8 萬噸/日；利用大數(shù)據分析因務工而導致的人口流出和流入以及旅游人口對用水量的影響，按照自行租住和住集體宿舍等情況進行用水量的分類統(tǒng)計，對生活用水指標進行修正，生活用水量由12.25 萬噸修正為11.25萬噸/日。綜合各類修正方案，預測遠期總用水量修正為18.03 萬噸/日，給水規(guī)模有所降低，避免了資源浪費，為城市可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

表1 工業(yè)用水量預測表

表2 生活用水量預測表

3.2 數(shù)字孿生技術在模型中的應用

在現(xiàn)行有效的規(guī)劃標準指導下指標的確定，大多會采用建模測算，如用水需求模型、供水水力模型、水質預警模型、降雨內澇模擬等，輔助用水量、排水量、給排水設施的數(shù)量等指標的量化和預測，模型的適用性和準確性與數(shù)據資料的完整性有關，而且數(shù)據量越多，模型的測算越準確，統(tǒng)計分析工作也越繁重。

利用“新基建”中的人工智能、數(shù)字孿生技術和計算機技術，研發(fā)具有專業(yè)知識和經驗的專家系統(tǒng)，采用點、面結合的方式，開展機器學習 (ML) 和深度學習 (DL)，對城市給水排水工程規(guī)劃中的指標值進行仿真模擬、邏輯推演、預測和判斷，客觀評價城市給水排水工程的合理性、可操作性及可持續(xù)性。

南方某城市中心城區(qū)，現(xiàn)狀有4 條主要道路現(xiàn)狀為雨污合流制排水，管道建設標準較低，行泄通道淤積堵塞，加之高強度降雨和城市的快速發(fā)展，致使部分地區(qū)內澇頻發(fā)，對城市交通、群眾生活、財產安全和經濟發(fā)展影響極大。中心城區(qū)每年的6～8月為多雨季節(jié)，根據現(xiàn)場調研及歷史資料，中心城區(qū)現(xiàn)狀易澇點主要分布在合流制區(qū)域。

在中心城市區(qū)總面積10.6 平方公里控制性地段詳細排水工程規(guī)劃中，系統(tǒng)的梳理和分析了基礎資料，包括路網、管網、水系、地面高程、遙感影像、現(xiàn)狀和規(guī)劃用地、監(jiān)測站點等，應用數(shù)據孿生技術，構建了規(guī)劃區(qū)范圍的排水系統(tǒng)模型，包括雨水和污水管網拓撲網絡構建、模型數(shù)據處理、集水區(qū)劃分、下墊面參數(shù)提取、產流和匯流模型構建、降雨模型構建、污水量分配等。基于區(qū)域內的11 個降雨監(jiān)測站點的30年的降雨數(shù)據，利用模糊識別方法，推求降雨雨型及分布特征，與《城市排水工程設計—暴雨強度公式編制技術指南》中的方法得到的分布結果進行相關分析，確定適用于該區(qū)的設計暴雨雨型，擬合出不同降雨歷時、不同設計重現(xiàn)期情況下的暴雨強度公式，為后續(xù)雨水工程政府決策和規(guī)劃設計，提供參考依據。

3.3 BIM+GIS 技術在給水排水工程設計中的應用

城市給水排水工程規(guī)劃設計以城市總體規(guī)劃為依據，與電力、電信、道路、燃氣、供熱等其他市政工程規(guī)劃相協(xié)調，并符合相關規(guī)范的要求。在復雜的規(guī)劃設計中，利用BIM 技術和地理信息系統(tǒng)（GIS）建立三維城市信息模型，輔助完成管線的整體布局和具體定位，是一個非常有效的途徑。

北方某市區(qū)面積12.4 平方公里區(qū)域內，6 條主干管道均為合流制，存在污水直排、管道排水能力不足、管網老化嚴重漏損等問題，導致城區(qū)多處內澇積水，水體的溢流污染，在城區(qū)控制詳細規(guī)劃中，針對排水管網現(xiàn)狀進行系統(tǒng)的研究，提出了切實可行的改造方案，并利用GIS 把城市功能分區(qū)及用地強度、市政管線及主干廊道（包括信息電（光）纜、電力電纜、給水管、熱力管道、燃氣、污水干管、雨水干管、再生水等）、道路建設情況、地下空間利用情況等進行疊加；發(fā)揮BIM 技術可視化多維數(shù)據庫的優(yōu)勢，把地下管線與地上建筑、市政設施及環(huán)境要素統(tǒng)籌協(xié)調，合成了一個地上地下全覆蓋的組團級城市信息模型，形成了一個全面、宏觀的可視化集合，通過這個集合上承載的數(shù)據信息，對設計區(qū)域進行模擬和實時交互，更精準的確定各類管線在城市道路下的位置，對各種管線交叉時的敷設提出具體參數(shù)要求。

雖然BIM 在水務行業(yè)應用起步時間不長，與新一代信息技術的融合應用還有一定的問題待解決，但通過對BIM 技術應用的初探，模擬設計效果，通過對比分析，對優(yōu)化設計方案起到一定的幫助，能夠實現(xiàn)管網合理的布局和資源的高效利用，前瞻性的解決管道碰撞、混錯接、空間布置不合理等問題，利于供排水系統(tǒng)建設過程中與其它基礎設施建設協(xié)調，也便于規(guī)劃管理。

圖2 城市降雨內澇模擬

4 結語

發(fā)力于科技端的“新基建”是智慧經濟時代的一種新方向。無論是人工智能還是大數(shù)據、物聯(lián)網，都體現(xiàn)出加速推進產業(yè)高端化發(fā)展的大趨勢，將對我國經濟發(fā)展、社會進步等方面產生重大影響。目前，作為新的重要經濟增長點的大數(shù)據服務、人工智能已受到廣泛關注，疫情防控期間，“新基建”的作用突顯，服務機器人在醫(yī)療、配送、巡檢等方面大顯身手。

對標“新基建”，助力“新城建”，城市給水排水工程規(guī)劃設計也將受益于“新基建”的發(fā)展，大數(shù)據的融合與共享將加速解決信息孤島現(xiàn)象，使規(guī)劃編制的基礎資料的廣度和深度增加在此基礎上編制的規(guī)劃更客觀，針對性和可行性更強；數(shù)字孿生技術具有精準映射、虛實融合模擬仿真等核心能力，在追蹤回溯軌跡、時間控管及空間定位、分析推演治理決策、仿真演練預案以及高效配置要素資源等方面發(fā)揮著重要的作用；BIM+GIS 技術集成，將項目的數(shù)據流在整個規(guī)劃、設計、施工、運維等全生命周期中準確、完整地流轉和應用，使得編制的城市給水排水工程規(guī)劃將更科學、全面和合理。

圖3 BIM 在城市給水排水工程規(guī)劃設計中的應用示意圖