文章导读
2020年7月 第四期
学者简介
研究方向及意义
目前研究进展
未来研究关注重点
近期代表性文献
学者简介
郑炎杰，美国关岛大学土木工程系创始人之一，美国注册执业工程技师(P.E)
研究方向及意义
中国南部地处于亚热带与热带气候区，也是易受台风暴雨肆虐的地区，这些地区人口稠密且多位于下游地势平坦之处。每一次的水患，人民都付出了惨痛的代价，直接地影响到人民的生命财产，也重创了经济的发展。因此，地区的排水设施与排水计划与中国人民的生命财产安全都有非常密切的关系。面对经济高速发展以及快速成长的城市，需要一个对自然灾害的健康检查，我们在工程上称之为水安全，水资源水循环以及水再利用的整体评估报告。建立一个地区的排水模型是分析区域排水的基础，而一个完整的都市区域排水模型，需要整合当地的资料，包含了非常多的科学，包括气象学、水文学、水利学、地质学、城市都市计划以及社会学等。在数学模型中可模拟不同降雨强度的都市排水状态，并且分析出具有潜在危险的地区，进而提供适当的解决方案。城市排水建模涵盖的主题多种多样，包括排水和减缓影响、水质、城市地区降雨、城市水文和水力过程、城市排水建模中的数学工具(Such as Kinematic wave and Dynamic wave)、技术和分析、建模互动和综合系统、运输和下水道过程(包括微污染物和病原体)、水管理和气候变化。针对近年来全球海绵城市及低冲击开发的议题，水力模型提供了整合性的环境，包含了可编辑输入资料的作业区，其可执行水文、水力及水质的模拟，并以不同格式检视执行结果。
海绵城市策略已经在中国实行数年，海绵城市在中国目前面临2个严重的挑战：
❶ 海绵城市的碎片化。过去海绵城市的处理都是解决当地的问题，并未考虑到整体的水文以及水利的关系，也未考虑到水源上游与及下游之间的关系，导致海绵城市示范点的水资源处理做得很好，但是遇到上游以及下游的问题后，并没有在区域作出整体的发挥。
❷ 城市密集区的雨污分流系统。中国近年来经济发展非常迅速，所以也导致了城镇化的速度快速增加。目前城市的污水设备已不能处理急剧增加的人口，并且城市的污水管网也跟城市的雨水管网和并使用，每逢河水暴涨以及雨水进入污水系统，会导致污水处理厂的处理超量，城市雨污系统的处理需要考虑到上游中游以及下游的关系。
在计算机发展以前，由于大量信息和可供选择的治理方案的多种多样，采用人工方法优化城市雨水径流治理方案面临着非常大的困难。美国在上个世纪六十年代开始应用大型计算机开发计算机仿真优化技术，开发推理型的规划方法，在1971年开发出流域规划模型，后来又陆续发展了更加复杂的模型，如非线性模型、三维模型等。这些模型促进了水环境管理和规划的进步。近年来，发展的新方法则将重点放在实测数据上，利用实测数据校准模型参数，使模型预测结果与实测数据一致。
我们通常将其称为决策支持系统，主要包括仿真模型和优化算法、数据库、地理信息系统、主要设施的实时控制系统等。目前，美国环保局等机构发展起来的雨水径流预测和管理模型Storm Water Management Model (SWMM)已成为美国城市雨水径流污染控制规划和管理的常用工具，对城市雨水管理系统的优化和管理调度起着非常重要的核心作用。美国环保局在合流污染控制对策中要求治理规划应经过计算机模型分析。SWMM在世界范围内广泛应用于城市地区的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其他排水系统的规划、分析设计。
Figure1 乐清市虹桥东干河流域水质-SWMM model
SWMM模型是一个综合性的程序，可以模拟城市降雨径流的完整过程，包括地表径流和排水管道水流、排水管网输送，管路中的蓄水池、径流处理设施及受纳水体的污染物含量，依据雨量过程线和系统特性来模拟暴雨径流的水质过程。目前经过不断的完善和升级，已发展到了更高版本，它是一个动态降雨-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水、径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行水量传输。该模型可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。由于强大的模拟功能，SWMM被广泛用于城市排水系统的水文-水动力学模拟，通过分析模拟得出的管网运行状态，为合理规划管网、优化规划方案提供决策支持。
目前研究进展
在过去的十年中，在水资源管理应用中，将AI技术用于水文和水力模型的应用已大大增加。在模型早期，利用定量数据将AI方法主要用于预测。借助SCADA和具有物联网（IOT）的传感器应用程序，越来越多地使用AI技术将定性和主观信息整合到实时监控中。通过快速计算模型结果和决策支持系统（人工智能过程），排水系统可以控制水文设备（如泵，阀门或闸门）来调节或控制排水系统的流量以及城市排水能力，以对复杂的建筑物综合水文系统进行建模。
区块链水平台（BWP）上的AI应用程序分为三个部分。首先，传感器将能够收集水文数据，例如雨量计，流量，管道压力和水质。其次，许多工程建模软件已用于预测流程和方案分析。其中许多软件是免费的，并且是由政府开发的。工程师将能够运行24/7模型以从研究区域收集数据。随着结果的不断更新，他们将能够获得实时监控。最后，通过建模系统，操作程序，排水分析和决策支持系统（DSS）的结果，控制设备（如泵，阀门和闸门）将具有无线控制的能力。人工智能程序将使城市雨水排水系统优化其运行并产生最有效的城市排水效果。通过这种方法，AI将通过物联网（IOT）将传感器数据链接到具有模型分析的模型中。使用AI雨水管理的总体好处包括提高能源效率，降低洪水风险以及降低成本。自2018年春季以来，该系统已在美国关岛和中国南方运行。
未来研究关注重点
☞地方政府以及水务集团各个水力或工程的设计院，城市规划院以及土地开发商等。目前国内饱受气候变迁的影响以及环境意识的抬头。对于城市的水安全、水环境以及水资源上都希望能够有效跟整合的应用。但是由于国内在雨水环境的发展起步较晚，需要大量的使用国外的经验跟技术来提升国内的产业发展。
☞以模型做规划设计并且结合人工智能以及自动化的排水设施绝对是未来的趋势。这个系统可以结合城市大脑，城市大脑是杭州市迈入国际一流城市之间的一个突破点。
☞模型指的是数学以及数据模型，主要在这里代表的是都市水文水利以及环境监测的模型。可以透过地理资讯的整合以及城镇管网工程设计的资料所形成。都市水文水利模型的做法在工程学上是比较专精的一个学问，结合了数学、物理、流体、力学、化学、环境工程等的资讯。
☞监测系统是装在河道还有排水管网当中，监测系统可以很直观地展现都市排水的情形，并且大大地降低了环境影响评估以及管理的费用。
☞国内的都市排水系统在过去传统的做法比较偏重于硬体开发，忽视了软体以及监控设备之间的运用跟整合。由于中国是最早实行通讯5G的国家，这一套的都市智能排水，可以使高速开发当中的城市在不伤筋动骨的情况之下，大幅的提升水安全，水环境以及水资源的有效利用。
近期代表性文献
“The HydrologicalHazard Risk Analysis of Climate Change Impact on Watershed” By Cheng, J. Y.C.,USBR and Taiwan Water Agency 2011 Annual Conference, October2011.
“Field Test onConversion of Natural Watershed into Kinematic Wave Rectangular Plane” By Cheng,J. Y.C., Journal of Hydrologic Engineering, Vol. September2011.
“The PredictedHydrograph Comparison between SWMM5 and CUHP” by Cheng, J. Y.C. and Bortolini,M., Colorado Association of Floodplain Managers Annual Conference, September2010.
“Master Plan Level LowImpact Development Application,” by Cheng, J. Y.C., Colorado Association ofFloodplain Managers (CASFM) Annual Conference, September 2010.
“Low Impact DevelopmentConcept and Application on High Impervious Area” Technical Summit of AMEC, May2010.
“Modification ofKinematic Wave for Low Impact Development” By Cheng, J. Y.C., the ColoradoAssociation of Floodplain Managers (CASFM) Annual Conference, September 2009.
“Hydrology modeling ofLevel Spreader Systems and its application on Low Impact Development (LID)” ByCheng, J.Y.C., the Association of State Floodplain Managers (ASFPM) NationalConference, June 2009.
“Retrofit Storm WaterRetention Volume for Low Impact Development,” by Guo, J.C.Y. and Cheng, J.Y.C., Journal of Irrigation and Drainage Engineering, Vol. 134, No. 6, Dec 1,2008.
“Neo-UD sewer and Storm CADHydraulic Grade Line calculation conversion,” by Cheng, J.Y.C., the ColoradoAssociation of Floodplain Managers (CASFM) Annual Conference, September 2008.
“Sustainable Surface-Subsurface Stormwater Retention System,” byGuo, J.C.Y., Hsu S.C., and Cheng. J.Y.C., Vol 14, No. 2, Journal of ChinaInstitute of Water Resources and Hydropower Research, June.2006.