基于InfoWorks ICM模型的武漢市C城區(qū)排澇能力與漬水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

張文博，毛 毅，楊 超

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北武漢430021）

0 引言

隨著近年來(lái)武漢經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加速，城市下墊面的硬化比例也不可避免地持續(xù)上升，同時(shí)疊加愈發(fā)頻繁的極端降雨氣候，導(dǎo)致城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)日益增加。因此，借助快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，在實(shí)際降雨造成的災(zāi)害發(fā)生之前，對(duì)城區(qū)的排澇能力及漬水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估分析并以此為依據(jù)制定切實(shí)有效的應(yīng)對(duì)方案便具有顯著的意義。

雨洪模擬研究始于20世紀(jì)四五十年代的西方發(fā)達(dá)國(guó)家［1］，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展演進(jìn)，目前已誕生了幾款較為成熟的城市雨洪模型軟件，如英國(guó)Wallingford公司的InfoWorks ICM、丹麥DHI的MIKE以及美國(guó)環(huán)保署（EPA）研發(fā)的開(kāi)源模型SWMM［2］。其中，InfoWorks ICM作為一款較好地整合了管網(wǎng)河道一維水力模型與城市地表二維洪澇模型的雨洪模型軟件［3］，尤為學(xué)者所青睞，同時(shí)也獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，郭芝瑞等［4］借助InfoWorks ICM軟件模擬優(yōu)化確定了調(diào)蓄池的位置；葉陳雷等［2］利用InfoWorks ICM建立了福州市江北城區(qū)的一維河網(wǎng)模型并模擬了晉安河的水位變化情況；魏忠慶等［5］通過(guò)InfoWorks ICM搭建的F市排水系統(tǒng)耦合模型找到了漬水原因并給出了解決方案；于晨暉等［6］利用InfoWorks ICM評(píng)價(jià)了H鎮(zhèn)污水管網(wǎng)的輸水能力，對(duì)泵站排水量進(jìn)行優(yōu)化，提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率；吳彥成等［7］則基于InfoWorks ICM建立了咸陽(yáng)市主城區(qū)的一維、二維耦合水動(dòng)力模型，對(duì)其排水系統(tǒng)能力及城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了充分的評(píng)估，并給出了合理的建議。

本文以武漢市C城區(qū)為研究對(duì)象，采用InfoWorks ICM軟件搭建了涵蓋城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)與河湖水系在內(nèi)的一維、二維耦合模型，并以此為基礎(chǔ)對(duì)該城區(qū)的管網(wǎng)排澇能力及不同降雨條件下的漬水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。

1 研究區(qū)排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

C城區(qū)位于平原湖區(qū)，沿湖多為地勢(shì)低洼區(qū)，降雨自然匯入湖泊，而湖泊通過(guò)港渠與外江相連通，形成水系網(wǎng)絡(luò)。非汛期時(shí)，城區(qū)內(nèi)的雨水可經(jīng)由港渠自排閘自排出江；汛期時(shí)，外江水位高漲，城區(qū)雨水經(jīng)出江口的排澇泵站抽排出江。按雨水的排放出路，C城區(qū)全區(qū)共劃分為3大系統(tǒng)14個(gè)排水分區(qū)，總面積約86 km2。排水分區(qū)分布如圖1所示。

圖1 C城區(qū)匯水分區(qū)示意

2 模型基本原理

2.1 地表產(chǎn)匯流模擬

本次模型針對(duì)道路、屋頂、鋪裝及水面等不透水下墊面的降雨產(chǎn)流采用固定徑流系數(shù)法模擬；針對(duì)綠地、裸地等透水下墊面的降雨產(chǎn)流采用Horton下滲法進(jìn)行模擬。Horton下滲法公式如下：

式中：ft為t時(shí)刻的下滲強(qiáng)度，mm/h；f0為初始下滲強(qiáng)度，mm/h；fc為穩(wěn)定下滲強(qiáng)度，mm/h；t為時(shí)間，h；k為下滲衰減系數(shù)，1/h。

2.2 水動(dòng)力模擬

地表產(chǎn)匯流進(jìn)入雨水管網(wǎng)系統(tǒng)后，在排水管網(wǎng)中的流動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜。InfoWorks ICM運(yùn)用非恒定流數(shù)值模擬，采用動(dòng)力波法離散差分求解圣維南方程組，動(dòng)態(tài)模擬管網(wǎng)和河網(wǎng)的復(fù)雜水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)，包括重力流、壓力流、逆向流和往返流等。

2.3 一維二維耦合模擬

一維水力學(xué)模型主要用于模擬管網(wǎng)河道中的水流運(yùn)動(dòng)，二維地表模型則可模擬地面積水的漫流演進(jìn)以及河湖、檢查井等與地表的洪澇交互過(guò)程。因此，為統(tǒng)籌考慮河湖水系、管網(wǎng)設(shè)施及地形與地面構(gòu)筑物的影響，更全面、真實(shí)地模擬城區(qū)內(nèi)澇情況，本次模擬建立了一維、二維耦合模型。

3 模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)包括設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)、勘測(cè)管線數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)、城區(qū)下墊面數(shù)據(jù)、水系斷面數(shù)據(jù)以及閘泵等相關(guān)排水設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3.2 模型搭建

針對(duì)C城區(qū)研究范圍內(nèi)的現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)、排水設(shè)施、下墊面和地形高程以及范圍外與之相關(guān)聯(lián)的整個(gè)蔡甸東湖水系搭建耦合模型，其中C城區(qū)范圍內(nèi)搭建一維、二維耦合模型以模擬發(fā)生漬水時(shí)的地面漫流過(guò)程，而C城區(qū)范圍外則僅用一維模型進(jìn)行概化。整體模型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)果如圖2所示。

圖2 C城區(qū)現(xiàn)狀內(nèi)澇模型概化結(jié)果

3.3 模型率定

采用納什效率系數(shù)法對(duì)本次模型進(jìn)行率定。納什系數(shù)（Ens）表示了實(shí)測(cè)值與模擬值的偏離程度，取值范圍為（-∞，1）。Ens越接近于1，說(shuō)明模擬值與實(shí)測(cè)值的偏離程度越小，模擬效果越好；當(dāng)Ens≥0.65時(shí)，表示模擬結(jié)果較為可靠。

本次模型率定選擇武漢市2016年6月30日—7月6日實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3）作為模型率定的降雨事件，通過(guò)將湖泊的模擬水位值與降雨期間監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水位實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算其納什系數(shù)。

圖3 2016年6月30日—7月6日武漢市7日實(shí)測(cè)降雨

根據(jù)圖4、圖5以及表1中H湖和S湖的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，兩個(gè)水位站點(diǎn)的水位模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整體吻合度較好，納什系數(shù)均高于0.8，模擬效果非常好。其次，最高水位模擬誤差也均控制在合理范圍之內(nèi)。總體而言，模型模擬結(jié)果較為可靠，可用于C城區(qū)排澇能力及漬水風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估分析。

4 結(jié)果分析

4.1 排澇能力評(píng)估

分別采用重現(xiàn)期為1，3，5年的3 h設(shè)計(jì)降雨對(duì)C城區(qū)雨水管網(wǎng)的過(guò)流能力進(jìn)行模擬評(píng)估，以降雨過(guò)程中的最不利條件下管道是否承壓為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷管道排水能力是否不足。評(píng)估結(jié)果表明：C城區(qū)管徑超過(guò)800 mm的主要雨水管道中約30%不足一年一遇的排放標(biāo)準(zhǔn)，其排水能力有限，此外這些管道大多分布在沿江、沿河及M湖、L湖周邊的區(qū)域，且這些區(qū)域?yàn)镃城區(qū)人口較為密集的老城區(qū)，因此影響較大；而滿足5年一遇排放標(biāo)準(zhǔn)的管道則占比超過(guò)40%，主要集中在新建的四新地區(qū)及三環(huán)以南地區(qū)。因此，總體而言，C城區(qū)管網(wǎng)排水能力呈現(xiàn)出老城區(qū)較低、新城區(qū)較高的局面。C城區(qū)詳細(xì)的管線分布及管道重現(xiàn)期占比如圖6及表2所示。

圖4 H湖模型校驗(yàn)對(duì)比分析

圖5 S湖模型校驗(yàn)對(duì)比分析

表1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)模擬水位校驗(yàn)

圖6 C城區(qū)現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)重現(xiàn)期分布

表2 C城區(qū)雨水管道能力統(tǒng)計(jì)

4.2 漬水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合相關(guān)規(guī)范及《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃》的常用設(shè)定，本次對(duì)C城區(qū)的漬水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)合區(qū)域積水深度及漬水時(shí)長(zhǎng)這兩個(gè)因素來(lái)制定內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，具體評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 C城區(qū)漬水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

4.2.2 區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)C城區(qū)內(nèi)澇防治目標(biāo)，本次模擬分別采用20年一遇及50年一遇的設(shè)計(jì)降雨來(lái)對(duì)C城區(qū)漬水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如下。

（1）20年一遇設(shè)計(jì)降雨。

在20年一遇降雨條件下，部分區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的積水，但漬水風(fēng)險(xiǎn)總體可控，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要集中在L湖以北的沿河片及M湖以東的沿江片，面積總計(jì)約1.52 km2，占C城區(qū)研究范圍總面積的1.52%，如圖7所示。結(jié)合管網(wǎng)評(píng)估結(jié)果及地形分析可知，上述區(qū)域漬水風(fēng)險(xiǎn)較高主要是由于管網(wǎng)能力不足以及地勢(shì)低洼等因素綜合造成的。

圖7 C城區(qū)20年一遇降雨漬水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

（2）50年一遇設(shè)計(jì)降雨。

在50年一遇降雨條件下，C城區(qū)漬水范圍及風(fēng)險(xiǎn)程度均有所上升，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域同樣主要集中在L湖以北的沿河片及M湖以東的沿江片，但逐漸蔓延到南部的四新片區(qū)，其總面積約2.08 km2，占比2.08%，如圖8所示。究其原因，同樣為管網(wǎng)能力不足及地勢(shì)較低。

圖8 C城區(qū)50年一遇降雨漬水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

5 結(jié)論及建議

（1）C城區(qū)研究范圍內(nèi)管徑超過(guò)800 mm的雨水管道中，重現(xiàn)期不足1年一遇的管線占比31.96%，重現(xiàn)期在1～3年一遇的管線占比16.32%，重現(xiàn)期在3～5年一遇的管線占比7.67%，而重現(xiàn)期滿足5年一遇的管線則占比44.05%。

（2）在20年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，C城區(qū)的漬水風(fēng)險(xiǎn)總體可控；但在應(yīng)對(duì)50年一遇的設(shè)計(jì)降雨時(shí)，C城區(qū)研究范圍內(nèi)許多區(qū)域都出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的積水。兩種設(shè)計(jì)降雨條件下，漬水高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域均集中在L湖以北的沿河片區(qū)及M湖以東的沿江片區(qū)，漬水原因主要為管網(wǎng)能力不足及局部地勢(shì)低洼。

（3）以現(xiàn)狀評(píng)估分析結(jié)果為依據(jù)，建議提高兩片高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的排水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，必要時(shí)可采用移動(dòng)泵車對(duì)低洼漬水區(qū)域進(jìn)行臨時(shí)抽排，另外也可結(jié)合舊城改造等因地制宜地推進(jìn)海綿城市建設(shè)，以削減源頭雨水徑流產(chǎn)量。