数字化技术在防洪排涝项目中的应用实践与治理成效——以金昌市为例

         针对金昌市金川区老城区排水管网老化、雨污混接、系统性不足及内涝风险突出等问题，本文以数字化技术为核心，构建“现状探测-模型构建-模拟优化-智慧管控”一体化防洪排涝技术体系。项目综合运用管线机器人、无人机倾斜摄影、BIM建模、水动力模拟及多模型耦合等手段，完成全域地形与地下管网精准摸排，建立数字孪生模型，并通过30年一遇暴雨情景模拟量化风险、优化管线设计，有效解决溢流与内涝隐患。

一、 项目总体设计与目标定位

（一）项目背景与核心问题

近年来，甘肃省金昌市金川区城市化进程持续加快，城市建成区范围不断拓展，原有市政排水设施建设标准偏低、运维能力不足等问题日益凸显。受历史建设条件限制，老城区排水管网多为分段实施、分期建设，整体系统性较弱，加之长期运维资金投入不足，管网老化、破损、淤积堵塞、接口脱落等现象普遍存在，雨污混接、分流改造不彻底问题在老旧小区与新建小区均有发生，严重影响排水系统安全高效运行。

在全球气候变化背景下，局地强降雨、极端暴雨事件频发，现有设施难以满足城市防洪排涝安全要求，局部路段易出现积水内涝，对居民出行、公共安全及城市正常运转构成直接威胁，亟须通过系统化、数字化、智能化手段补齐排水基础设施短板、提升保障能力。

本项目统筹实施金昌市金川区城市排水防涝工程与金昌市金川区排水防涝能力提升工程，主要建设内容包括新建与改造雨水管道、雨水利用管道，同步修复改造范围内破损道路、人行道、交通标线及附属设施，项目总投资4.6亿元。工程实施后将全面完善区域排水管网体系，提升排水系统韧性，为城市基础设施运行与高质量发展提供坚实支撑。

结合现场排查与设计复盘，项目面临的核心问题可归纳为以下四点：一是设施老化失修，管网运行年限较长，破损、淤积、堵塞严重，长期缺乏系统性清掏与养护，服务能力大幅下降。二是系统衔接不畅，管道分段建设、局部改造，未形成完整通畅的排水体系，上下游、干支流标高与水力条件不匹配。三是雨污混接突出，老旧片区合流管接入市政系统，新建区域错接混接现象严重，雨污混接降低雨水排放效率且影响污水收集效果。四是设计支撑不足，传统勘察设计依赖图纸与经验，管网现状摸排不清、三维关系不明，易导致方案不合理、管网布设管位冲突，施工条件不足。

（二）总体设计目标

围绕“安全、高效、智慧、长效”的建设理念，项目以数字化技术为核心支撑，确立四大总体目标：

一是精准摸排，摸清底数。运用管线机器人、无人机、RTK等数字化装备，全面查清地下管网空间位置、结构缺陷、运行状态，建立高精度、全覆盖的现状设施数据库，实现地下排水管线“看得见、测得准、说得清”。

二是科学建模，数字孪生。构建包含三维实景地形模型、现状与新建管网BIM模型、片区水动力模型在内的多专业耦合模型，形成可模拟、可分析、可验证的数字孪生排水系统。

三是模拟优化，精准设计。基于多情景暴雨模拟，量化评估积水风险、管道超载、检查井溢流等关键指标，针对性优化管径、坡度、平面布局及系统衔接，从源头消除内涝隐患。

四是智慧管控，长效运行。整合多源数据与模型成果，形成“城市内涝一张图、防洪排涝一个模型”，为日常运维、汛期调度、应急处置提供可视化、智能化决策支持，推动城市排水从“被动应对”向“主动预判、精准管控”转型。

（三）总体技术路线

为保障总体目标落地，项目采用全流程一体化数字化技术路线，按照“现状数字化探测→多源模型构建→水动力模拟评估→方案优化验证→成果应用与长效管理”五阶段推进。

现状数字化探测：以无人机倾斜摄影完成全域实景建模，以管线机器人（CCTV）完成地下管道内窥检测，结合RTK高精度定位，获取地形、管网、构筑物、道路等全要素现状数据。

多源模型构建：建立现状管网BIM模型、新建管网BIM模型、高精度地表高程模型，并在此基础上搭建片区水动力模型，实现地上地下一体化、地形管网一体化建模。

水动力模拟评估：设定30年一遇等典型暴雨情景，开展雨洪模拟、汇流分析、管网过载分析、积水深度与溢流风险分析，定量识别高风险路段与关键瓶颈节点。

方案优化验证：依据模拟结果对管径、坡度、路由、接口等进行迭代优化，通过多方案比选与模拟验证，确定技术可行、经济合理、安全可靠的最终设计方案。

成果应用与长效管理：输出标准化BIM成果、水力分析报告、内涝风险图、改造前后对比动画等数字化成果，接入城市管理平台，支撑工程建设、竣工验收、运维巡检、应急调度与后续更新改造，形成“建设-运维-更新”闭环管理。

二、 核心数字化技术实施方法

（一）现状管网BIM模型创建

现状管网BIM模型的创建流程涵盖了从数据收集到模型验证的六个关键步骤。

图1　管线机器人探查

1.现状管网数据收集，管道机器人（CCTV）进入DN300以上管道，录制高清视频并记录管壁缺陷，勘探现状管网测绘管道高程、长度、收集检查井高程，如图1。结合RTK定位技术，将检查井坐标与无人机实景模型匹配，误差控制在±5cm内。

2.数据分类，通过设计软件导出管线表格，将管道数据与检查井数据分类，赋予每一列数据特征名称以便程序定位，使用软件识别表格形式数据。管道属性表包括管径、材质、坡度、长度等；检查井属性表涵盖井深、坐标、连接管道编号等；数据清洗剔除重复、缺失或矛盾数据，确保建模准确性。

3.数据导入，本步骤确定数据源坐标单位，建模支持的管网数据类型都有各自的特点，通过建模器选择数据源种类，选择数据源坐标单位才能精确的表达管网地理空间位置。使用SewerGEMS软件导入数据，自动生成管网拓扑结构；验证管道连续性，确保支管与主管标高衔接无误。

4.数据识别，表格数据关键字段定义，数据表的每一列数据都有其关键字段。表格数据属性赋予，软件识别数据表时，以每一列数据的第一行字段为定位字段。

5.管网BIM模型创建，管道一维模型，通过数据表创建管网三维模型，如图2，从而表达管道与检查井之间的三维拓扑关系。管网数据标注，检查井编号的唯一性，保证相应检查井地理空间位置的唯一性。导管名称的唯一性，确保导管与检查井之间拓扑关系的正确性。

6.管网模型验证，管网拓扑关系验证，验证支管道与主管道之间流动的连续性。检查井与导管之间标高的衔接验证，确保导管终端必有井。出水口的位置验证，区域管网的出水口位置在区域边缘；检查“孤岛”管道（未连接至主网的管段）；水力验证，通过历史降雨数据反演，校准模型排水能力。

图2 　现状管线建模

通过上述一系列精准的数字化建模与验证流程，现状管网BIM模型为城市基础设施的精细化管理提供了强有力的技术支持。完成金川区现状管网BIM建模，识别出12处标高冲突与8处结构性缺陷。

（二）新建管网BIM模型创建

本项目针对金昌市金川区新建管网进行BIM模型创建。具体流程如下：

1.确定新建管网范围，本项目在金川区新建路下管网6km，涉及10条道路，确定管线的设计范围以及新建管线的接口。

2.管线、管井BIM设计，通过金昌市降雨资料，确定管线尺寸，在合适的地点布放管井。

3.管线模型输出，将创建的管线模型转换为文本数据格式，通过三维模型直接输出二维模型成果，如图3所示。

图3　新建管线二维模型

新建管网模型直接运用了建模软件进行建模，在保证设计合理性的基础上，提高了设计效率，将不同专业通过建模软件协同设计，节省设计时间，节约设计成本。

（三）实景建模创建

项目城区地形图老旧，随着城市不断建设更新，不少地方现状与既有地形图出入较大。针对这种情况，采用倾斜摄影技术对项目区域约80平方公里范围进行航拍并建立实景三维模型，然后利用BIM软件进行处理，生成三维地表高程模型，用于防洪排涝分析。

倾斜摄影主要分内业和外业两部分，外业工作主要包括：区域分块，项目区域范围较大，需要多架次航拍，对区域进行合理分块。像控点布设，保证精度，每隔300m左右布置一个像控点；航线规划，航线高度150m，航拍照片分辨率小于每像素2.5cm。无人机航拍，历时15天，对项目区域进行无人机航拍。

内业工作主要包含以下内容：照片处理，受天气状况、拍摄时间段等影响，航拍照片存在饱和度、亮度等差异，需要进行匀色、去雾等处理。利用国产瞰景Smart3D空三计算，软件根据航片位置信息、相机参数及地面控制点，解算准确坐标。利用Smart3D建模，生成三维实景模型，三维实景模型具有足够精度的位置信息及高程信息，如图4所示。

图4　生成三维实景模型

（四）水动力模型创建

水动力模型是一种用于模拟和研究水体运动、水流特性以及相关物理过程的数学模型。它通常基于流体力学的基本原理，如质量守恒定律、动量守恒定律等，通过建立方程组来描述水流的速度、压力、密度等物理量的变化。这些模型可以帮助人们理解和预测水体的流动行为，例如河流的洪水演进、湖泊的环流、海洋的潮汐等。

水动力模型可以分为不同的类型，如二维模型和三维模型，取决于所考虑的空间维度。二维模型通常用于模拟平面上的水流，三维模型则可以更精确地描述三维空间中的水流。降雨在地表形成径流，随着地形的变化从而从地形高点流向地形低点，本项目运用了SewerGEM软件模拟金昌市30年一遇暴雨情况，通过水动力模型耦合地形模型以及设计的管线，分析城市在暴雨下的防洪排涝能力。具体步骤如下：

1.地形模型处理，将实景模型处理生成地形模型，依据创建的管网模型管井标高，调整地形模型的相应高程点，确保地形模型上的管口标高与设计管口标高一致。

2.计算栅格创建，将地形模型区块化，定义雨水计算区域范围，每一块栅格在计算雨水汇集时单独计算，有效保证汇水区模拟的真实性。

3.汇水区划分，赋予将栅格区域内降水的汇水属性，将汇水排出口定义为管井，定义汇水区径流系数及不透水率等参数。

4.检查井属性定义，将部分管井定义为汇水井，本项目未设计雨水箅子，汇水区汇水时，只能将雨水汇集到检查井。

5.暴雨数据添加，添加降雨数据模拟降雨，基于芝加哥暴雨方程，模拟30年一遇降雨，如图5所示。

图5　暴雨数据添加

6.水文求解器，定义降雨时间与信息统计时长，通过二维求解器，计算在暴雨数据添加的情况下，检查井汇水情况以及管线排水能力。

7.水动力模型计算结果，本次建模管线统计约34Km，管径为DN400~DN2000，汇水总面积2073公顷，汇水区最大高程为1526.08m，最小高程为1446.11m。采用水动力模型对现状排水管网进行30年一遇降雨重现期下管网水力模型模拟及性能评估，典型降雨选用降雨历时3h的短历时降雨。模拟范围内总降雨694199立方米，下垫面渗流损失135862立方米，系统洼地容积556985立方米，管网排出1424立方米，局部路段出现溢流情况，溢流区域1146公顷。

（五）多模合并 

将水文求解器计算出来的结果生成动画格式，导入到LumRT软件中，结合管网模型以及实景模型，可以直观观察到降雨、汇水、退水的过程。通过数据分析可以检查出片区积水的点位、积水点位退水时间等信息。

三、数字化成果应用

本次防洪排涝数字化成果将显著提升城市排水系统的稳定性与防洪能力，为城市可持续发展提供有力保障。本项目数字化成果包括，一是融合了BIM模型与水动力模型，设计管网在不同降雨情况下的排水能力模拟，优化了管径，提升了城区管网排水能力。二是针对模拟过程中的城市内涝点进行工程改造，并进一步进行积水点降雨模拟，解决了项目地区降雨产生的内涝问题，成果应用可总结为以下八个方面。

1.完成全区管网性能评估，确定溢流情况。采用水动力模型对现状排水管网进行30年一遇降雨重现期下管网水力模型模拟及性能评估，典型降雨选用降雨历时3h的短历时降雨。模拟范围内总降雨694199立方米，下垫面渗流损失135862立方米，系统洼地容积556985立方米，管网排出1424立方米，局部路段出现溢流情况，溢流区域1146公顷。

2.下垫面积水深度分析。在降雨0.5小时时，下垫面出现积水情况，积水深度最大位置为场地东北角，场地最大积水深度510mm。

3.下垫面汇水过程分析。降雨过程中，地面径流整体从西南流向东北方向，最大流速为1.95米/秒。

4.溢流风险分析。通过溢流风险分析，南昌路和长海路溢流风险最高，溢流风险达到2.3平方米/秒。

5.管道超载评估。降雨历时1.5~3.0小时，延安路雨水管道超载运行，最大流量为682.69升/秒，最大流量出现在降雨第97分钟，最大流速为2.7米/秒，建议调整延安路雨水管道坡度。

6.检查井溢流评估。降雨历时在1.42小时，延安路检查井出现溢流工况，以692#井为例，溢流最大时间发生在降雨第79分钟，最大溢流量为134升/秒，建议调整延安路雨水管道坡度，避免发生雨水溢流。

7.管线方案调整对此。30年一遇降雨强度下，延安路雨水出现溢流情况，通过方案调整，将dn600管径增大至dn800，虽管道在压力工况下运行，但未出现溢流情况。

8.片区水淹模型。可视化证明在规范规定暴雨强度下，本次设计现状管线更新方案及新建管线方案，可有效防止洪涝灾害，城市积水可在规范规定退水时间内退去。

四、技术应用总结及未来改进方向

项目应用数字化技术提升金昌市金川区的排水防涝能力，解决了城市排水系统存在的老化、容量不足、堵塞等问题。通过BIM建模、无人机航拍、管线机器人等数字化技术手段进行详细的基础设施数据收集与分析，模拟排水系统的表现，并优化设计方案。通过这一系列数字化设计与模型融合，金川区的排水防涝能力得到显著提升，能更有效地应对暴雨和洪涝灾害，提高城市基础设施的稳定性和防洪能力，为市民提供更安全、更便捷的生活环境。

结合本次数字化技术在金昌市金川区防洪排涝工程中的实际应用成效与运行反馈，围绕数据精度、模型能力、智慧调度、长效运维四大核心环节，提出以下针对性改进建议，进一步提升城市防洪排涝系统的数字化、智能化水平。

（一）建立常态化数据更新机制，保障数字底座鲜活准确

本项目通过一次性探测与建模形成了高精度现状数据库，但随着城市建设、管网改造、道路翻新及设施老化，地下管网与地表地形会持续发生变化。未来应以本次成果为基础，建立年度巡检+动态更新制度，定期采用管线机器人开展重点路段管道内窥检测，利用无人机开展季度/年度倾斜摄影，及时更新BIM模型与实景模型，确保数字模型与物理设施始终保持一致，为长期设计与运维提供可靠数据支撑。

（二）提升水动力模型精度，实现从“模拟评估”到“预报预警”

当前水动力模型主要用于工程设计阶段的暴雨情景模拟与方案比选，后续可结合实际降雨、积水、流量监测数据，对模型参数进行持续率定与验证，提高模拟精度；接入气象、雨量、液位实时监测数据，实现在线滚动模拟、提前预警预判，将模型从“事后分析工具”升级为“事前预警、事中调度”的智能决策核心，提升极端天气应对的主动性。

（三）构建一体化智慧调度平台，打通监测—模拟—调度全链条

目前多模型耦合成果以可视化展示与方案验证为主，尚未形成完整调度能力。建议整合监测设备、BIM模型、水动力模型、应急资源数据，搭建防洪排涝智慧管控平台，实现内涝风险实时监控、积水点位自动告警、排水泵站联动控制、应急路线智能推荐，形成“监测-研判-调度-处置-复盘”全流程闭环，提升城市雨洪智慧化管理水平。

（四）拓展数字化应用场景，完善全链条管控体系

在本次管网改造与模拟优化基础上，进一步将数字化技术向源头管控、末端调蓄、运维养护延伸，结合海绵城市建设，对透水铺装、下沉绿地、调蓄池等设施进行数字化建模与效果评估；建立管网养护数字化台账，实现缺陷自动识别、养护任务智能派单、工程质量全过程留痕，构建“源头减排-管网输送-末端调蓄-智慧运维”的全链条数字化管控体系，全面提升城市防洪排涝韧性。

（五）完善标准与共享机制，推动数字化成果长效应用

针对城市防洪排涝数字化建模、数据格式、成果交付、更新维护等环节，建立企业级/地方级技术标准，统一数据接口与模型规范；推动排水、城管、应急、住建等部门数据共享，打破信息孤岛，让数字化成果在规划、设计、建设、运维、应急全周期复用，实现一次建设、长期受益、多方共用。

摘自《中国建设信息化》2026年6月下　中国市政工程西北设计研究院有限公司