进入“十五五”时期,以系统融合思维驱动城市整体性更新已成为明确方向。这要求城市水系统治理必须超越过去单一、割裂的工程模式,转向统筹水安全、水资源、水环境与水生态的综合管理。在这一深刻变革中,城市水系统综合模型(即整合了水文、水动力、水质等过程的数学模型)的角色,正经历跃迁:从辅助设计的后台工具,转向支撑规划决策、优化运营调度、评估综合效益的“智慧核心”。
然而,模型的深度应用远非购买软件或搭建可视化界面那般简单,其背后存在技术可靠性、数据支撑、管理机制等一系列深层矛盾。只有正视并系统破解这些矛盾,才能让模型真正赋能“蓝—绿—灰”融合的复杂实践,将系统融合理念从战略构想转化为切实成效。
模型模拟能力的局限性与城市水系统复杂性的矛盾 当前,许多城市虽已建立模型,但决策者对其输出结果往往持谨慎甚至怀疑态度。这种“信任缺失”的根源,首先在于模型自身的简化本质与真实世界极端复杂性之间的固有差距。城市水系统是一个由自然循环与人工设施深度耦合、不断动态演变的复杂系统。而数学模型必然是对物理系统的概化,这种概化带来了多重挑战。
首先,是尺度转换带来的失真问题。在微观尺度上,下凹式绿地或雨水花园的效能,取决于土壤孔隙、植物根系、微生物活动等精细过程。但在模拟整个流域或城市片区时,这些细节通常被浓缩为少数经验参数。这种处理如何影响对系统长期、宏观行为(如地下水补给总量、面源污染的年负荷等)预测的准确性,仍是学术与工程界面临的难题。
其次,是对新型治理设施及其交互过程模拟的不足。随着海绵城市建设的推进,绿色基础设施与灰色管网系统形成交织网络。然而,现有模型对绿色设施动态过程的刻画仍较为粗糙。例如,生物滞留设施的干燥过程、其填料层渗透性能随运行时间的衰减、连续强降雨下的饱和失效机制等,往往难以精确表达。更重要的是,绿色设施与灰色管网之间并非独立工作,而是存在动态的水量、水质反馈。模型在模拟这种复杂交互,尤其是评估其在长期运行和极端气候下的协同效应与失效风险时,能力仍显局限。
模型持续运行所依赖的动态数据基础薄弱 模型的准确性与生命力,高度依赖持续、高质量、多维度的数据输入。但支撑模型可靠运行与迭代更新的“数据生态”远未形成。问题不仅在于数据“有没有”,更在于数据“能不能用”“好不好用”“及不及时”。
数据的静态化与城市动态发展的脱节。城市是一个有机生命体,其肌理持续变化:一片土地可能从透水地面变为硬化广场,一段管网可能被改造迁建,一个调蓄池可能投入使用。如果模型的底层数据(如地形、下垫面属性、管网拓扑结构)不能随物理世界同步更新,模型很快就会失真,预测价值急剧下降。目前,缺乏强制性机制将城市物理空间变更信息自动、规范地同步到模型的数字世界中。
反映系统内部过程的关键数据缺失。我们或许拥有管网图纸,但难以知晓管道内部的沉积程度与结构性缺陷;建设了大量绿色设施,但长期监测其水文水质效能的数据寥寥无几;了解土地利用类型,但对水力参数(下渗率、洼蓄量)的空间分布主要依赖经验估计。这些缺失使模型校准如同“盲人摸象”,内部参数可能严重偏离实际,导致模型“看起来完美,用起来存疑”。
多源数据融合与应用存在高技术壁垒。遥感影像、物联网传感器实时数据、移动监测数据、公众上报信息等,构成了“大数据”来源。但这些数据格式、精度、时空尺度各异,清洗、对齐、提取有效信息需要强大的数据处理与AI(人工智能)分析能力。如何构建自动消化多源异构数据、反哺模型进行自我校准优化的技术体系,是走向“智慧”必须搭建的桥梁。
模型作为管理工具与现行体制机制的不适配 最深层的矛盾或许不在于技术本身,而在于管理逻辑。模型本质上应被视为需要持续投资、专业运营和广泛共享的城市关键数字基础设施。但当前普遍的项目制、部门化思维,却将其视为一次性的、归属某个部门的软件交付物或科研成果。这种认知错位导致了严重的机制障碍。
权责模糊与可持续运维缺失。模型建成后所有权归属不清,由谁负责依据城市动态进行年度数据更新和模型校验尚未明确。日常维护、系统升级以及跨部门分析服务的责任主体亦不明确,加之长期运维资金来源缺乏制度性安排,导致上述关键问题往往处于悬置状态。其直接后果是,大量模型在项目验收后即进入闲置状态,或因维护不足而快速失效,致使前期投入的巨额资金难以转化为持续的管理效益。
模型未嵌入核心决策流程。在诸多关键治理场景中——如国土空间规划的水系统承载力评估、重大建设项目的排水方案审查、极端降雨下的应急调度——模型分析并未成为强制性或制度化的决策环节。其输出通常被视为参考意见而非必要依据。当模型无法深度嵌入城市规划、建设、管理的核心审批流程时,其价值便被边缘化。
跨部门协同共享壁垒。模型价值的最大化,在于为规划、住建、水务、生态环境、应急等多个部门提供共同的决策模拟平台。然而部门间的数据壁垒、业务壁垒,使模型往往局限于发起建设的单一部门内部使用,难以实现跨系统的模拟分析与协同调度,这与“系统融合”治理的内在要求背道而驰。
构建可信、动态、嵌入治理流程的模型应用体系 面对上述三重矛盾,“十五五”时期推动城市水系统模型深度应用的突破口,必须采取系统性、集成化的策略,推动模型从“有”到“用”、从“用”到“信”、从“信”到“驱动变革”的跨越。
在提升模型技术可信度方面,行业应从追求复杂性转向追求可靠性。推广不确定性分析与量化方法,模拟结果须附带误差范围或置信区间,使决策者明晰风险。鼓励发展混合建模,在宏观模型中嵌入关键过程的精细机理。模型须紧跟管理需求,在模拟水量水质之外,耦合生态、热环境、碳排放等模块,直接评估水系统在生物多样性、气候适应性、低碳发展等方面的综合效益,成为多目标协同优化的量化工具。
在构建动态数据基底方面,须建立数据标准与更新机制。所有新建、改建项目竣工时,应同步提交符合模型输入标准的机器可读属性数据。同时,构建一体化监测感知网络,广泛应用低成本传感器、移动监测与AI识别技术(如视频监控识别积水),获取实时系统状态数据,并通过数据同化技术不断注入模型,动态修正其运行状态,使数字模型与物理城市同步更新。
在推动体制机制深度适配方面,须通过政策或立法确立城市水系统模型的法定公共数字资产地位,明确建设、更新、维护、共享的责任主体、协同机制及长期资金保障。推动采购模式从“购买软件项目”转向“购买持续模型服务”,成立或指定专业机构统一长效运营。最关键的是将模型深度嵌入核心行政流程——在控规编制、规划许可、防汛预案等环节,明确规定以模型模拟评估为科学依据,使其成为管理流程中不可绕过的一环。
“十五五”时期,城市水系统模型的深度应用,意义远超技术升级。它本质上是一场治理方式的变革:从依赖局部经验和静态标准,转向基于全系统动态模拟与前瞻推演的精细化、科学化治理。破解技术可靠性、数据动态性、体制机制适配性这三大深层矛盾,是释放模型潜能、赋能城市水系统整体性更新的必然路径。
当模型成为一个可信、动态、且深度嵌入城市治理血脉的“智慧核心”时,它将不再仅仅是反映问题的“镜子”,而是预见风险、优化方案、评估效益、实现“蓝—绿—灰”有机融合的“决策引擎”,为中国城市的可持续与韧性未来提供坚实的科学基石。

包峻松
北京师范大学环境学院在读博士研究生。主要从事城市雨污水排水系统模拟、机理探索以及污染控制等方面研究。深度参与多项城市排水系统水质水量模拟预测、城市内涝风险预测及控制、城市污水处理系统提质增效相关工作。参与多项国家级项目包括国家自然科学基金面上项目以及创新群体项目等。以第一作者身份在Environmental Science&Technology、Environment International等国际优秀期刊上发表4篇TOPSCI论文,另有合著SCI及核心期刊文章多篇。
来源:中国建设报