InfoWorks ICM在城市排水系統(tǒng)雨水管網(wǎng)改造中的應(yīng)用

游 暢

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院，福州 350108)

近年來，受全球氣候變化影響，暴雨等極端天氣對社會管理、城市運行和人民群眾生產(chǎn)生活造成了巨大影響，加之部分城市排水防澇等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、調(diào)蓄雨洪和應(yīng)急管理能力不足，很多城市出現(xiàn)了嚴(yán)重的暴雨內(nèi)澇災(zāi)害。為進一步加大城市排水防澇設(shè)施建設(shè)管理力度，提升城市防御內(nèi)澇災(zāi)害能力，以 Infoworks ICM模型為平臺，構(gòu)建排水系統(tǒng)水力模型，通過典型降雨情景的模擬計算，分析排水系統(tǒng)的運行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上對管網(wǎng)進行優(yōu)化。

InfoWorks ICM是由英國 Wallingford 開發(fā)研制，可實現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合，更為真實的模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表收納水體之間的相互作用，它在一個獨立模擬引擎內(nèi)，將城市排水管網(wǎng)及河道的一維水力模型，同城市/流域二維洪澇淹沒模型結(jié)合在一起，提供了豐富的排水模型構(gòu)建工具、靈活的水力狀況分析工具和強大的模型管理功能。

InfoWorks ICM采用完全求解的圣·維南方程模擬管道明渠流，對于明渠超負荷的模擬采用 Preissmanna Slot方法，能夠仿真各種復(fù)雜的水力狀況。利用貯存容量合理補償反映管網(wǎng)儲量，避免對管道超負荷、洪災(zāi)錯誤預(yù)計。

模型建立時，對于連接管渠寫出連續(xù)性方程和動量平衡方程，對于節(jié)點寫出水量平衡方程，采用動力波求解完整的圣·維南方程，可以考慮管渠的蓄變、匯水、入口及出口損失、逆流和有壓流動。

1 研究區(qū)域概況

以寧德市主城區(qū)為研究區(qū)域，范圍為北至西陂塘水閘，南至鐵基灣，東至福寧南路、金馬南路、東湖塘25孔閘，西至鶴峰南路，總面積約45.3km2。

基于寧德市主城區(qū)現(xiàn)狀地形圖，研究區(qū)域內(nèi)下墊面劃分為以下八種：道路、裸土、草地、林地、房屋、水體、透水地面、不透水地面。寧德市主城區(qū)不同下墊面類型所占比率見圖1。

圖1 寧德市主城區(qū)下墊面分布圖

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析，寧德市主城區(qū)建筑密度高，建筑、路面等不透水地面占的比例較大，硬化地表(房屋、道路和不滲水廣場)面積約占總面積的31.7%。為構(gòu)建模型，進一步對寧德市主城區(qū)下墊面類型進行矢量化，矢量化結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 寧德市主城區(qū)現(xiàn)狀下墊面解析圖

圖3 寧德市主城區(qū)現(xiàn)狀DEM分析圖

2 排水系統(tǒng)模型構(gòu)建

2.1 模型建立

概化的原則為概化后的河網(wǎng)和管網(wǎng)與實際的水利特性等效，同時綜合考慮閘、泵站、堰、橋梁等構(gòu)筑的特性，依據(jù)河網(wǎng)斷面測量資料和管網(wǎng)普查資料，計算各種水利條件下，特征水面的水位變化和流量過程。

根據(jù)寧德市主城區(qū)的內(nèi)河水流特性和管網(wǎng)分布情況，將工程區(qū)域概化為10570個節(jié)點，10192個管渠，7693個子集水區(qū)，166個河段，1297條橫斷面線，85613個多邊形。

采用2015年“蘇迪羅”臺風(fēng)暴雨模擬寧德市主城區(qū)實際易澇點分布和積水圖，用于模型的驗證。

本次研究計算了以下3種工況：

1)計算2a、3a及5a一遇設(shè)計暴雨+管道自由出流工況下，分析寧德市主城區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力。

2)計算2a一遇設(shè)計暴雨+多年平均水位工況下，分析寧德市主城區(qū)積水情況，并識別改造管網(wǎng)區(qū)域。

3)計算30a一遇設(shè)計暴雨下，分析寧德市主城區(qū)在管網(wǎng)優(yōu)化改造前與改造后的積水情況，并分析對比。

圖4 寧德市主城區(qū)排水模型概化圖

2.2 模型參數(shù)

1)排水管網(wǎng)模型參數(shù)

本排水管網(wǎng)模型參數(shù)主要包括管道糙率、徑流系數(shù)等。管道糙率根據(jù)管道材質(zhì)確定，見表1。徑流系數(shù)參考《室外排水設(shè)計規(guī)范(2014版)》，結(jié)合寧德市主城區(qū)現(xiàn)狀地表情況，取值見表2。

表1 各管道糙率取值表

表2 各下墊面徑流系數(shù)取值表

2)河道模型參數(shù)

河道模型參數(shù)主要為糙率。研究區(qū)域河道綜合糙率取0.025-0.033。

3 設(shè)計降雨

1)短歷時設(shè)計雨型成果

利用寧德市修編暴雨強度公式，建立降雨歷時t=120min，以5min為時間步長的不同重現(xiàn)期的短歷時降雨雨型，各重現(xiàn)期短歷時設(shè)計降雨成果見表3。

表3 寧德市各重現(xiàn)期短歷時設(shè)計降雨成果表

2)長歷時設(shè)計雨型成果

本次研究采用寧德市的長歷時設(shè)計雨型，雨量數(shù)據(jù)來源是寧德雨量站，見表4。

表4 寧德市30a一遇長歷時設(shè)計降雨成果表

3 模型驗證與模擬結(jié)果分析

3.1 模型驗證

2015年8月8日，受第13號臺風(fēng) “蘇迪羅”外圍風(fēng)圈影響，福建寧德市普降大到暴雨，受災(zāi)嚴(yán)重。根據(jù)寧德市氣象局實測暴雨資料，8日降雨量114.3mm，9日降雨量高達237.2mm。

經(jīng)調(diào)查，寧德市區(qū)多處路段內(nèi)澇：寧德市主城區(qū)在八一五東路(錦福城路段)、金涵小區(qū)門口、實驗學(xué)校、會展中心周邊路段、和暢路北段、火車站前廣場區(qū)域等不同路段有不同程度內(nèi)澇。經(jīng)模擬分析，積水區(qū)域基本與實際內(nèi)澇點相符。寧德市“蘇迪羅”臺風(fēng)暴雨模擬積水圖見圖6。

臺風(fēng)降雨澇點與模型模擬積水點較為相符，說明本次模型可靠性程度較高，可作為對研究區(qū)整體的內(nèi)澇災(zāi)害作出全面而詳盡的預(yù)測與預(yù)警，指導(dǎo)城市防災(zāi)減災(zāi)而提供依據(jù)。

圖6 寧德市主城區(qū)“蘇迪羅”臺風(fēng)暴雨排水模型模擬積水圖

3.2 模擬結(jié)果分析

1)現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力評估

對寧德市主城區(qū)的排水管道進行模擬計算，分別模擬管道在遭遇重現(xiàn)期為2a、3a及5a設(shè)計降雨時管道的運行情況，水位邊界條件采用自由出流。

現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力評估結(jié)果見圖7。統(tǒng)計結(jié)果見表5。

圖7 現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力評估圖

表5 現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力統(tǒng)計表

2)改造區(qū)域識別

雨水管道實際運行過程中，一般即使管道滿管，只要不造成地面超過0.15m積水，就不會造成災(zāi)害影響。因此，新建和改造的雨水管道的區(qū)域主要為因管網(wǎng)系統(tǒng)自身原因?qū)е碌姆e水嚴(yán)重區(qū)域。

考慮到此類積水區(qū)域受降雨量、降雨峰值等綜合因素影響，降雨不同將導(dǎo)致積水點位置和積水程度也將發(fā)生一定變化，為保證確定的管網(wǎng)改造區(qū)域具備一定代表性和真實性，因此以2a一遇設(shè)計暴雨重現(xiàn)期下的模型模擬積水情況為基礎(chǔ)，確定管網(wǎng)改造區(qū)域，以達到將區(qū)域內(nèi)積水不超過0.15m的目標(biāo)。寧德市主城區(qū)積水情況見圖8。

圖8 2a一遇設(shè)計暴雨下寧德市主城區(qū)積水情況

從積水模擬圖分析，積水較為分散。以同時滿足積水范圍較大、積水深度>15cm 的區(qū)域為積水嚴(yán)重區(qū)域的選取標(biāo)準(zhǔn)，積水較嚴(yán)重的區(qū)域見圖8。

3.3 優(yōu)化改造方案

本研究修改方案，對區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)進行如下改造：①新建管渠。根據(jù)內(nèi)澇積水情況結(jié)合模型模擬及現(xiàn)狀，新建雨水管渠；②改建管道。根據(jù)道路實際情況適時對管道進行改建。包括增大雨水管徑，改造現(xiàn)狀管道倒坡等情況；③清淤管道。對研究區(qū)內(nèi)所有管道進行清淤。

3.4 管網(wǎng)改造效果對比

圖9為30a一遇設(shè)計暴雨下，寧德市主城區(qū)在改造前后的積水情況。從圖中可以看出，積水情況有了明顯改善，積水面積大幅減小。經(jīng)統(tǒng)計，積水深度> 0.15m的面積由改造前的624hm2下降至153hm2，下降幅度達75%。改造前后，不同積水深度的面積的變化也存在差異。

表6 寧德市主城區(qū)30a一遇降雨積水面積比較表

圖9 30a一遇寧德市主城區(qū)改造前后積水模擬圖

圖10 寧德市主城區(qū)改造前后不同積水深度積水面積變化情況

4 結(jié) 論

1)構(gòu)建了寧德市主城區(qū)Infoworks ICM城市綜合流域排水模型，選用2015年13號臺風(fēng) “蘇迪羅”實測暴雨進行模擬分析。結(jié)果表明，模擬積水區(qū)域與調(diào)研的積水區(qū)域較為吻合，可見該模型具有良好的精度和可靠性。

2)管網(wǎng)改造效果對比可知，采取管網(wǎng)改造方案以后，寧德市主城區(qū)積水情況有所改善，不同積水深度積水面積有減少。因此，采取新建雨水管渠、增大雨水管徑、改造現(xiàn)狀管道倒坡、清淤管道等綜合性措施后，可降低寧德市主城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險，保障城市安全。