基于Infoworks的排水管網(wǎng)集水區(qū)優(yōu)化研究

林美娜，李 超，解智強，侯至群，朱大明

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基于Infoworks的排水管網(wǎng)集水區(qū)優(yōu)化研究

林美娜1，李 超2，解智強3，侯至群3，朱大明1

（1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650000；2. 平度市國土資源局，山東 青島 266000；3. 昆明市城市地下空間規(guī)劃管理辦公室，云南 昆明 650000）

本文利用Infoworks ICM建立排水模型，分別以以自動、自動結(jié)合手動劃分集水區(qū)兩種方式為研究方法，并結(jié)合實地勘察，從管網(wǎng)節(jié)點在暴雨條件下淹水情況的角度和管網(wǎng)超負荷的角度對比分析自動劃分與自動結(jié)合手動劃分集水區(qū)的模型運行結(jié)果。結(jié)果表明，自動結(jié)合手動劃分集水區(qū)相對于自動劃分集水區(qū)所建立的排水模型能更加準確的模擬現(xiàn)實情況，更具科學性，尤其是在排水模型精度要求比較高時，采用自動結(jié)合手動劃分集水區(qū)的方式可使排水模型的分析與應(yīng)用更符合真實運行狀態(tài)。

Infoworks ICM；集水區(qū)劃分；排水模型；節(jié)點；超負荷

0 引言

排水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施之一，是保障城市公共衛(wèi)生安全、排洪防澇和控制水體污染的核心工程，擔負著收集城市生活污水、工業(yè)廢水以及排除雨水的重任[1]。隨著城市現(xiàn)代化的推進，對城市排水管網(wǎng)的要求也在逐步提高[2]，如何有效提高排水模型的精度，顯得尤為重要。在20世紀六七十年代，國外就引入計算機仿真技術(shù)，越來越多的城市通過建立地下排水管網(wǎng)模型，分析評價管網(wǎng)運行現(xiàn)狀，對地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)改造提出合理建議并形成體系，以指導(dǎo)該片區(qū)排水管線的規(guī)劃、建設(shè)與管理[3]。

而集水區(qū)的劃分對排水管網(wǎng)模擬運行的精度和模型運行結(jié)果的分析產(chǎn)生直接影響，集水區(qū)的合理劃分可以更好的進行雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，所以在模型建立過程中，集水區(qū)的劃分就顯得至關(guān)重要。城市雨水集水區(qū)指匯集雨水和地面水的管渠系統(tǒng)所服務(wù)的區(qū)域[4]。劃分集水區(qū)的方法主要有兩種，分別為系統(tǒng)自動劃分方式及手動劃分方式。本文通過采用兩種方式劃分集水區(qū)，并將模型在兩種不同劃分方式下運行分析，得出手動劃分集水區(qū)更能提高模型運行準確性的結(jié)論。

1 InfoWorks ICM簡介

InfoWorks ICM模型，即城市綜合流域排水模型，是由Wallingford軟件公司開發(fā)的世界上第一款城市排水管網(wǎng)及河道的一維水力模型與城市、流域二維洪澇淹沒模型相結(jié)合在一起的獨立模擬引擎的軟件。采用一維和二維水動力學計算模型，從整體上實現(xiàn)對整個城市雨水系統(tǒng)的動態(tài)模擬，即可以完整的模擬城市雨水循環(huán)過程，雨污水收集系統(tǒng)的工作狀態(tài)，排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表收納水體之間的相互作用[5]。

通過排水系統(tǒng)中檢查井、管道、泵站以及其他排水構(gòu)筑物的流量、水位、流速、充滿度以及泵的啟閉等實現(xiàn)序列的仿真模擬[6]，排水模型提供的結(jié)果可為用戶分析現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。借助這些分析可了解排水管網(wǎng)是否出現(xiàn)超負荷運行及冒溢；當降雨量達到多大時，系統(tǒng)無法正常排澇；為了讓系統(tǒng)在規(guī)定設(shè)計暴雨重現(xiàn)期正常運行，排水系統(tǒng)進行改擴建的規(guī)模是多少[7]。軟件采用分布式的模型模擬降雨-徑流的過程，它將管網(wǎng)進行詳細的集水區(qū)劃分，并根據(jù)地面的位置以及不同組成要素的地面產(chǎn)流特征對集水區(qū)進行劃分，以提高模型的準確度[8]。

2 集水區(qū)的劃分

2.1 不同方式的集水區(qū)劃分

在模型的構(gòu)建過程中，系統(tǒng)劃分集水區(qū)是指利用Infoworks ICM軟件對大范圍的研究區(qū)域進行系統(tǒng)自動化分，即根據(jù)泰森多邊形將整個研究區(qū)域劃分為一個個小片區(qū)，在每個小片區(qū)內(nèi)進行降雨的分配[9]。手動劃分集水區(qū)不同于以往的系統(tǒng)自動化分方式，它是指將整個研究范圍內(nèi)的模型網(wǎng)絡(luò)通過手動劃分的方式，劃分成一個個小的子集水區(qū)，在此基礎(chǔ)上再進行軟件系統(tǒng)的自動劃分，而非完全的手動劃分集水區(qū)，以下簡稱手動劃分集水區(qū)。采用系統(tǒng)自動劃分的集水區(qū)，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)自動劃分集水區(qū)方式結(jié)果示意圖

根據(jù)管網(wǎng)范圍內(nèi)的正射影像圖與路網(wǎng)圖將整個排水管網(wǎng)進行初步劃分，即結(jié)合道路的邊界和管線走向?qū)畢^(qū)域進行劃分。與此同時，結(jié)合研究區(qū)地勢的高低以及雨水篦子的位置在初步劃分的基礎(chǔ)上進行手動劃分。手動劃分的結(jié)果如圖2所示。

2.2 不同劃分方式的比較與分析

對于同一個區(qū)域采用兩種不同的方式進行劃分，結(jié)果必然有所區(qū)別。本文選擇具有代表性的區(qū)域R，通過對其在不同劃分方式下的集水區(qū)分布進行分析，為后期模型的運行及結(jié)果分析奠定基礎(chǔ)。如圖2所示。

圖2 手動劃分集水區(qū)方式結(jié)果示意圖

R區(qū)采用自動劃分方式大部分降雨統(tǒng)一流入到一個檢查井，而采用手動方式劃分結(jié)果表明，降水會均勻的流入到絕大部分檢查井，如圖3。通過現(xiàn)場核實R地勢較高，自動劃分的集水區(qū)絕大部分降雨進入一個檢查井明顯與實際不符，手動劃分的集水區(qū)在考慮多方面的實際現(xiàn)場情況下，更符合實際情況。

圖3 R區(qū)域在不同劃分方式下其集水區(qū)結(jié)果對比圖

3 不同劃分方式下淹水點及超負荷的運行分析

集水區(qū)的劃分對排水模型的運行及模擬有著至關(guān)重要的影響，因此，本文在不同的劃分方式下，對研究范圍內(nèi)管網(wǎng)中的節(jié)點的淹水狀況以及管網(wǎng)中管段的超負荷狀態(tài)進行模擬，以論述集水區(qū)劃分的重要性。

3.1 淹水點運行結(jié)果分析

分別設(shè)計一年一遇、五年一遇、五十年一遇三種不同的暴雨強度，其中將暴雨強度設(shè)置為一年一遇的情況，其模擬管網(wǎng)中淹水點數(shù)量相對較少，對比不明顯；五十年一遇的暴雨強度，模擬管網(wǎng)中淹水點數(shù)量又相對較多，采用兩種不同劃分方式進行淹水點模擬的結(jié)果并不明顯。因此，本文選取五年一遇的暴雨強度模式，分別對兩種方式劃分結(jié)果進行淹水點的模擬。圖4為兩種不同劃分方式下的淹水點模擬結(jié)果。

藍色節(jié)點的深淺表示該節(jié)點淹水的嚴重情況。在五年一遇的暴雨強度模式下，采用自動劃分集水區(qū)的方式模擬結(jié)果表明只有兩個節(jié)點存在積水的情況，且淹水相對嚴重；而手動劃分集水區(qū)的方式模擬結(jié)果顯示R區(qū)域周圍節(jié)點都有不同程度的積水現(xiàn)象。不同的劃分方式影響模擬的結(jié)果，通過實地勘察從模擬暴雨強度下管網(wǎng)中淹水點的角度證明了手動劃分集水區(qū)的科學性。

3.2 管網(wǎng)超負荷運行結(jié)果及分析

管道的負荷狀態(tài)是指管道內(nèi)水流的充滿程度，一般用管道內(nèi)水深與管道高度的比值來描述[10]。Infoworks ICM中，用“超負荷狀態(tài)”來反應(yīng)管道中的充水程度，即管道的負荷狀態(tài)。在從管網(wǎng)在暴雨情況下的淹水點角度證明了手動劃分的科學性，另外將從管網(wǎng)超負荷的角度對不同的劃分方式進行對比分析，進一步證明在手動劃分的科學性。本文中選取3個超負荷狀態(tài)的閾值，分別為0.8，1，2。它們表示的含義，如表1所示。

其中，在對管網(wǎng)超負荷進行模擬之前，需對其進行主題設(shè)置。在進行主題設(shè)置時，閾值為0.8的管道，其管道顏色顯示為綠色；閾值為1的管道，其管道的顏色顯示為淺紅色；閾值為2的管道，其管道的顏色顯示為深紅色。通過在Infoworks ICM中對管網(wǎng)不同閾值顏色的主題設(shè)置，得到R區(qū)域管網(wǎng)超負荷主題圖。選取五年一遇的暴雨強度進行管網(wǎng)超負荷情況分析[11]。

圖4 不同劃分方式下暴雨強度模擬

表1 管網(wǎng)超負荷狀態(tài)及其含義

Tab.1 Pipeline overload status and its meaning

在R區(qū)域，如果采用系統(tǒng)自動劃分方式，則僅在左側(cè)的幾條管段中存在超負荷狀態(tài)；而采用手動劃分的方式，在R區(qū)域的周圍管段中不同程度的出現(xiàn)了管網(wǎng)超負荷狀態(tài)，如圖5。經(jīng)實地考察，由于R區(qū)域地勢較高，該區(qū)域內(nèi)周圍的管道不同程度的存在超負荷情況[12]。經(jīng)此驗證，采用手動劃分的方式劃分集水區(qū)更能滿足建模的準確性，且以實地考察為依據(jù)，更具集水區(qū)劃分的科學性。

圖5 不同劃分方式下R區(qū)域管網(wǎng)超負荷情況圖

4 結(jié)語

在利用Infoworks ICM建立排水模型的過程中，著重研究了自動化分集水區(qū)與手動劃分集水區(qū)對模型運行的精度影響。通過采用自動、手動兩種方法對集水區(qū)進行劃分，并分別進行模擬運行，從以下兩方面驗證了手動劃分集水區(qū)可以有效的提高運行結(jié)果的準確性：

（1）對研究范圍內(nèi)管網(wǎng)中節(jié)點的淹水情況進行模擬，結(jié)果表明，在自動化分集水區(qū)方式下雨水全部集中在圖4中的兩個節(jié)點且嚴重積水；而在手動的方式劃分集水區(qū)的方式下，研究區(qū)內(nèi)的每個節(jié)點都會存在不同程度的積水，經(jīng)實地調(diào)查，手動劃分集水區(qū)方法下的模擬結(jié)果與實際相符。

（2）從管道的負荷狀態(tài)角度對不同劃分方式下的運行結(jié)果對比分析，結(jié)果表明，在自動化分集水區(qū)方式下僅有左側(cè)管道存在超負荷的情況，而在手動的方式劃分集水區(qū)的方式下，研究范圍內(nèi)的管道均存在不同程度的超負荷的情況。

通過上述分析結(jié)果,得出采用手動劃分集水區(qū)的方式模擬的結(jié)果更準確的結(jié)論。在模型建設(shè)要求較高的情況下，采用手動劃分集水區(qū)的方式更能提高模型的準確性；對于建模質(zhì)量要求不高，或受項目成本限制時，采用系統(tǒng)自動劃分方式更能節(jié)省時間，減少人力物力投入，從而節(jié)約成本。本文研究成果為模型更準確模擬真實運行狀態(tài)奠定基礎(chǔ)，同時也為今后提高排水模型的模擬結(jié)果提供思路。

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Research on Optimization of Water Collection Area of Drainage Pipe Network Based on Hydraulic Model

LIN Mei-na1, LI Chao2, XIE Zhi-qiang3, HOU Zhi-qun3, ZHU Da-ming1

(1. Kunming University of Science and Technology Faculty of Land Resources Engineering, Kunming 650000; 2. Pingdu city land and resources bureau, Qingdao 266000;3. Kunming Urban Underground Space Planning Management Office, Kunming 650000)

This article uses Infoworks ICM to establish a drainage model, which is based on two methods of the automatic and automatically combining manual division of catchment areas, and combines field surveys, from the point of view of the situation of the flooding of the pipe network node in the rainstorm condition and the overload of the pipe network, compared the results of the model operation of the watershed by automatically divides and a automatically combining manual division of catchment areas. The results show that the drainage model established by automatically combining manually dividing the catchment area relative to the automatic distribution catchment area can more accurately simulate the actual situation and is more scientific, especially when the drainage model accuracy requirements are relatively high, the automatic combination manual is adopted. The way of dividing the catchment area can make the analysis and application of the drainage model more in line with the real operation status.

InfoWorks ICM; Watershed division rainstorm intensity; Drainage model; Node; Overload

TP302.7

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.028

林美娜(1992-)，女，昆明理工大學國土資源與工程學院碩士研究生，研究方向為3s集成與應(yīng)用。

本文著錄格式：林美娜，李超，解智強，等. 基于Infoworks的排水管網(wǎng)集水區(qū)優(yōu)化研究[J]. 軟件，2018，39（7）：134-137