基于InfoWorks ICM的武漢市漢口主城區(qū)排水能力評估

陳翠珍 蔣佳鑫 李敏

（武漢市水務(wù)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430014）

基于InfoWorks ICM的武漢市漢口主城區(qū)排水能力評估

陳翠珍 蔣佳鑫 李敏

（武漢市水務(wù)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430014）

針對武漢市漢口主城區(qū)既有管網(wǎng)現(xiàn)狀建設(shè)年代久遠、部分管線無管理維護等問題，本文采用英國的InfoWorks ICM對武漢市漢口中心區(qū)的既有管網(wǎng)進行現(xiàn)狀評估，找出既有管線問題所在，為后續(xù)的管網(wǎng)改造和管理方案提供依據(jù)。

排水能力評估；管網(wǎng)改造；InfoWorks ICM

1 概述

武漢市漢口主城區(qū)位于長江北岸，涵蓋江岸、江漢、硚口三個行政區(qū)。由于管道隱蔽性、建設(shè)年代久遠、有些存在無人管理維護等一些問題，這些因素造成了既有管網(wǎng)現(xiàn)狀情況十分復(fù)雜。針對上述問題，本文采用英國的InfoworksICM 對漢口中心城區(qū)的既有管網(wǎng)進行現(xiàn)狀評估，找出既有管線問題所在，為后續(xù)的管網(wǎng)改造和管理方案提供依據(jù)。

2 現(xiàn)狀管網(wǎng)模型的構(gòu)建

英國Wallingford公司的InfoWorks ICM綜合排水模型軟件集淺層排水管網(wǎng)、河道于一體，可以構(gòu)建城市暴雨內(nèi)澇一維、二維排水水力模型進行綜合排水模擬。該軟件可以較好的處理地形數(shù)據(jù)并能靈活的對水閘、泵站等構(gòu)筑物在模型中設(shè)置調(diào)度方案，較真實的反應(yīng)城市排水情形。因此，采用該軟件作為區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)模型搭建的平臺。

2.1 模型的建立

收集漢口中心城區(qū)雨水管網(wǎng)、排水港渠、泵站、調(diào)蓄湖泊等承擔(dān)雨水排放功能的排水設(shè)施數(shù)據(jù)后，將這些資料轉(zhuǎn)化成ICM可識別的數(shù)據(jù)格式，并導(dǎo)入到軟件中。然后通過拓撲結(jié)構(gòu)檢查及現(xiàn)場核實，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的連通性。最終生成區(qū)域現(xiàn)狀排水系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 武漢市漢口中心城區(qū)管網(wǎng)模型

2.2 產(chǎn)匯流模型

降落在城市地表的降雨經(jīng)截留、地面填洼、滲透、直接地面徑流，得到進入雨水口的地面徑流。徑流進入雨水管道同基流會合，流過地下管網(wǎng)系統(tǒng)、輔助設(shè)施、溢流口等，最終進入受納水體。InfoWorks ICM采用分布式模型模擬降雨-徑流，基于詳細的子集水區(qū)空間劃分和不同產(chǎn)流特性的表面組成進行徑流計算。

根據(jù)武漢市漢口中心城區(qū)1：2000地形圖，按透水性能將區(qū)域下墊面主要分為屋面、道路、綠地、水面和其他五大類。非透水性路面產(chǎn)流模型選用固定徑流模型，透水性路面選用Horton模型［1］。漢口中心城區(qū)下墊面現(xiàn)狀及對應(yīng)各類下墊面的產(chǎn)流模型初始參數(shù)的設(shè)定見表1。區(qū)域地表徑流模擬采用SWMM非線性水庫模型［2～3］，由連續(xù)方程和曼寧方程聯(lián)立求解。

表1 下墊面數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2.3 設(shè)計降雨

漢口地區(qū)黃孝河系統(tǒng)、常青系統(tǒng)自南向北收集流域內(nèi)雨水，通過黃孝河、機場河等港渠轉(zhuǎn)輸進入末端，最終進入府河。地表匯流時間、管渠及港渠轉(zhuǎn)輸流行時間不超過3小時，因此，利用《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》確定的短歷時（180min）暴雨強度公式進行模型模擬計算。

式中：q—設(shè)計暴雨強度［L/（s.hm2）］；P—重現(xiàn)期（a）；t—降雨歷時（min）；

短歷時暴雨的暴雨雨型以暴雨強度公式和雨峰系數(shù)表示，武漢市雨峰系數(shù)采用：P≥10年時，取值為0.5；5≤P＜10年時，取值為0.45；P＜5年，取值為0.40。根據(jù)暴雨公式和雨峰系數(shù)成果，采用芝加哥雨型作為各重現(xiàn)期下3小時的暴雨雨型。

模型建立完成后，利用區(qū)域內(nèi)歷史和實測數(shù)據(jù)對模型進行校核與驗證。在模型計算值與實測值基本吻合后，用于對區(qū)域現(xiàn)狀排水系統(tǒng)能力進行評估。

3 模擬結(jié)果

3.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)的分析

通過排水管網(wǎng)模型的建立實現(xiàn)了市政排水管網(wǎng)的完全數(shù)字化，為排水管網(wǎng)的資產(chǎn)管理、日常養(yǎng)護和水力建模項目提取了良好基礎(chǔ)。經(jīng)統(tǒng)計，區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)庫錄入管網(wǎng)總長度為1282.7km，港渠總長度為30.5km。

由于合流水長期腐蝕、地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化和施工手段落后等因素，排水管道將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的缺陷，如管道上下游連接錯位、重力流管道逆坡布置、大管徑管道連接入小管徑管道、管道無下游出口、污水管網(wǎng)直排港渠排放口等。管網(wǎng)系統(tǒng)中這些缺陷的存在，既影響了管網(wǎng)過流能力，同時污水直排水體造成環(huán)境污染，是管網(wǎng)日常維護管理中改造的重點。通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，漢口區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀存在管段錯位共77處，逆坡40處、大管接小管151處，無下游出口6處，直排口69處。管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計問題分布如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計問題分布圖

3.2 管網(wǎng)排水能力的評估

依據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范（ 2014 年版） 》（ GB50014—2006） 中規(guī)定，雨水和合流管按滿管流設(shè)計。模型動態(tài)模擬了1 年一遇、3 年一遇、5 年一遇的設(shè)計暴雨下的管道水力狀態(tài)，分析得出漢口中心城區(qū)的管渠排水能力的整體狀況如表1。

表1 設(shè)計降雨條件下管涵達標(biāo)統(tǒng)計表

3.3 港渠及排澇泵站排水能力的評估

漢口片區(qū)重要的港渠有機場河、黃孝河、建設(shè)渠等，作為整個排水系統(tǒng)的下游排澇通道，港渠過流能力及河口排澇泵站規(guī)模直接決定整個系統(tǒng)的排水排澇標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)住建部2014頒布的《室外排水設(shè)計規(guī)范（GB50014-2006），武漢市作為特大城市，中心城區(qū)需有效應(yīng)對不低于 50 年一遇的暴雨。本文利用模型重點評估機場河明渠及明渠末端常青泵站應(yīng)對50 年一遇設(shè)計降雨的能力。

根據(jù)模擬結(jié)果，機場河過流能力可以滿足50年一遇降雨時排澇要求。50年一遇機場河出口最大洪峰流量為161.4m3/s，現(xiàn)狀常青排水泵站一期53.6m3/s，二期135m3/s，總計188.6m3/s，因此常青排水泵站可以滿足50年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。

4 評估分析結(jié)論

通過對漢口中心城區(qū)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)建立水力模型進行評估，得出如下結(jié)論：

4.1 漢口中心城區(qū)現(xiàn)狀排水由于建設(shè)年代久遠，管網(wǎng)中存在較多的結(jié)構(gòu)性缺陷，區(qū)域共有管段錯位共77處，逆坡40處、大管接小管151處，無下游出口6處，直排口69處。

4.2 區(qū)域排水管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，僅69%長度現(xiàn)狀管渠能滿足P=1設(shè)計降雨重現(xiàn)期，29.9%管渠達到P=3，14.5%管渠達到P=5，7%管渠達到P=10。

4.3 區(qū)域現(xiàn)狀主要港渠及排澇泵站—機場河明渠及常青泵站能滿足排澇標(biāo)準(zhǔn)的要求。

［1］王小軍，張強，易小兵，等.灌區(qū)渠系特征與灌溉水利用系數(shù)的Horton 分維［J］.地理研究，2014，33（4） ：790-800.

［2］徐宗學(xué).水文模型［M］.北京： 科學(xué)出版社，2009.

［3］張連強.截流式分流制城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的形式及設(shè)計研究［D］.重慶： 重慶大學(xué)， 2013.

U453.6

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1003-5168（2015）11-124-02