基于Infoworks-icm的城市管網(wǎng)規(guī)劃改造研究

周小偉

（江西省市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江西 南昌 330029）

0 引言

城市排水防澇工程設(shè)施，是現(xiàn)代化城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是城市公用事業(yè)的重要組成部分。隨著城市建設(shè)規(guī)模的日益擴(kuò)大，城區(qū)范圍不斷增大，國內(nèi)許多城市的原有排水系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)階段的排澇標(biāo)準(zhǔn)，在發(fā)生局部性強(qiáng)降雨時極易發(fā)生內(nèi)澇積水災(zāi)害[1]。對此，傳統(tǒng)的解決方式是按照規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)翻排管道，但目前國內(nèi)的管道改造方案一般按照設(shè)計(jì)降雨條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對改造工程實(shí)施中的一些客觀因素會對系統(tǒng)造成何種影響、改造后的效果如何、怎樣優(yōu)化運(yùn)行等問題缺乏有效的評價方法[2]。而水力模型基于流域產(chǎn)匯流原理建立，考慮降雨的時空分布情況，引入雨型概念，以反映不同地區(qū)的實(shí)際降雨情況，從而動態(tài)模擬演繹排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，深入表述排水系統(tǒng)水力狀態(tài)，模擬不同降雨條件下系統(tǒng)的超載流態(tài)，識別系統(tǒng)性能缺陷和誘因，為排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改造工程實(shí)施提供科學(xué)支撐。因此，本文從工程應(yīng)用出發(fā)，建立宣城市道叉河片區(qū)管網(wǎng)水力學(xué)模型，分析系統(tǒng)管道在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的排水情況，為設(shè)計(jì)改造提供決策支持[3-5]。

1 研究區(qū)域介紹

道叉河排水片區(qū)北依敬亭山，南臨梅溪河區(qū)，總匯水面積7.75km2。規(guī)劃建設(shè)用地東至宛溪河，南臨梅溪河區(qū)，西北至敬亭山，面積6.67km2，為宣城市行政商業(yè)中心，地面高程13～55m。本區(qū)域排水在防洪規(guī)劃中采用高水高排，低水泵排的方案。結(jié)合現(xiàn)狀已建管網(wǎng)情況，地面高程在15.0m以下的區(qū)域?yàn)榈团艆^(qū)，地面高程在15.0m以上的區(qū)域?yàn)楦吲艆^(qū)。低排區(qū)雨水匯入道叉河向東非汛期自排入宛溪河，汛期通過現(xiàn)狀別士橋泵站抽排至宛溪河。

2 模型構(gòu)建

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)選用

此次宣城雨水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃中，新建地區(qū)雨水管網(wǎng)按照新標(biāo)準(zhǔn)采用推理公式設(shè)計(jì)，折減系數(shù)m取值1，依據(jù)地形進(jìn)行布置。然后將新建雨水管道與現(xiàn)狀管道結(jié)合成一個新的排水系統(tǒng)（新建管道主要分布于西側(cè)，紅色圓圈內(nèi)），集水區(qū)按照雨水口的收集范圍采用泰森多邊形法進(jìn)行劃分。建成后的排水系統(tǒng)建模平面圖見圖1。infoworks-icm模型主要包含三大模塊，即產(chǎn)流模型、匯流模型和管道水力計(jì)算模型。本文依據(jù)常用的產(chǎn)匯流模型組合和適用場所[6-7]，結(jié)合該地區(qū)實(shí)際可獲得的數(shù)據(jù)信息，最終選取計(jì)算模型見表1。

圖1 道叉河區(qū)排水模型平面圖

表1 選用產(chǎn)匯流模型主要參數(shù)

在模型計(jì)算中，下墊面條件的作用（如對產(chǎn)、匯流計(jì)算的影響）不可忽視，甚至可能起決定性的作用，因此根據(jù)該地區(qū)的用地分類情況，將該片區(qū)下墊面概化為四種類型，即屋面、道路、水面（不納入管網(wǎng)計(jì)算）與其他透水表面，依據(jù)模型下墊面提取功能進(jìn)行對應(yīng)面積的提取。鑒于該地區(qū)沒有實(shí)測的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行參數(shù)率定，本次模擬參數(shù)根據(jù)計(jì)算手冊所給定的參數(shù)值經(jīng)驗(yàn)范圍并以該片區(qū)近三年（2011—2013）實(shí)際統(tǒng)計(jì)的易澇點(diǎn)分布情況作為實(shí)測參照對模型參數(shù)進(jìn)行率定。經(jīng)過調(diào)試對照，最終模型參數(shù)見表2。

表2 模型計(jì)算選用參數(shù)表

運(yùn)用上述參數(shù)，模擬該片區(qū)遭遇新標(biāo)準(zhǔn)3a一遇設(shè)計(jì)降雨時的排水情況。雨型采用歷時120min，雨峰系數(shù)為0.39的芝加哥雨型。模擬后的結(jié)果見圖2。

圖2 3a一遇排水能力評估圖

2.2 結(jié)果分析

計(jì)算機(jī)模型輔助排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)與改造，需要準(zhǔn)確的水力性能評價指標(biāo)表示研究對象的水力運(yùn)行狀態(tài)，為設(shè)計(jì)與改造提供更科學(xué)、細(xì)致的方案。本次規(guī)劃在進(jìn)行排水系統(tǒng)狀況的診斷過程中，將管道超載程度與節(jié)點(diǎn)漫溢狀態(tài)作為水力性能評價指標(biāo)。采用水力坡度比值法（實(shí)際水力坡度與管底坡度之比）來描述管道超載程度[8]。依據(jù)水力坡降分析結(jié)果，道叉河片區(qū)管道排水能力可分為如下三種情況：

（1）水力坡降＜1。此類型管道還處于非滿管狀態(tài)，完全能夠滿足新標(biāo)準(zhǔn)下的排水情況，無需改造。

（2）1＜水力坡降＜2。此類管道已經(jīng)處于滿管狀態(tài)，但未溢出，但在超標(biāo)降水發(fā)生時，會有積水風(fēng)險，因此應(yīng)根據(jù)具體情形分析是否需改造。

（3）水力坡降＞2。此類管道已經(jīng)滿流且已經(jīng)溢出地面，產(chǎn)生積水點(diǎn)，區(qū)域管道過水能力已達(dá)不到排水要求，已經(jīng)產(chǎn)生積水風(fēng)險，需進(jìn)行改造。

通過圖2模型模擬的結(jié)果可知，規(guī)劃新建的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行良好，管道處于非滿管狀態(tài)，其排水能力能夠達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)要求，而現(xiàn)狀的雨水管網(wǎng)建成久遠(yuǎn)，大部分是按照低標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)的，但是通過模型的模擬評估結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然之前管網(wǎng)按低標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但是大部分管網(wǎng)能夠滿足新標(biāo)準(zhǔn)下的排水能力要求，無需全部提標(biāo)重新設(shè)計(jì)改造，改造應(yīng)根據(jù)各管道的水力坡降進(jìn)行分析?，F(xiàn)以梅溪路與寶成路交口管道、文鼎路管道作為典型，其他類似管道以此作為參照。其中，梅溪路管道平面與縱斷面見圖3，文鼎路管道平面與縱斷面見圖4。通過梅溪路管道縱斷面圖可以明顯看出，現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)下，管道已經(jīng)達(dá)到滿管狀態(tài)，但是還未溢出。通過分析該地區(qū)道路豎向情況可知，該地坡度較緩，為0.3%，超標(biāo)降雨產(chǎn)生的積水將無法順利排走，會產(chǎn)生較大的積澇風(fēng)險，因此該段管道需要進(jìn)行改造。查看文鼎路管道縱斷面可以發(fā)現(xiàn)，雖管道達(dá)到滿流狀態(tài)，但是此地地面坡度較大，超標(biāo)降雨所產(chǎn)生的積水將能很快通過道路直接排入河道，產(chǎn)生積水風(fēng)險的概率很低，因此對于此類管道可暫不進(jìn)行改造。對于已經(jīng)產(chǎn)生積水點(diǎn)，水力坡降＞2的管道，則需全部進(jìn)行提標(biāo)改造。

綜合以上水力性能評價分析成果，依據(jù)積水點(diǎn)位置和超負(fù)荷狀態(tài)情況，按照管道的超負(fù)荷狀況確定改造管道的位置，依次選擇不同管徑的管道進(jìn)行模型模擬試算，以選取最佳的改造管徑。通過模型的指導(dǎo)優(yōu)化，在對所有瓶頸處管道進(jìn)行改造后，改造后的管網(wǎng)排水能力模擬結(jié)果見圖5。通過圖5可知，通過相應(yīng)管道的改造后，能夠解決之前存在的積水問題，并且區(qū)域的排水管網(wǎng)排水能力能夠達(dá)到3a一遇的要求。

3 結(jié) 論

圖3 梅溪路與寶成路交口管道平面位置及縱斷面圖

圖4 文鼎路管道平面位置及縱斷面圖

圖5 改造后管網(wǎng)3a一遇排水能力評估圖

排水系統(tǒng)由于其組成的復(fù)雜性與運(yùn)行效果影響因素的多樣性，一般的技術(shù)手段很難對其設(shè)計(jì)與運(yùn)行情況進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的分析與評價。而排水模型能在計(jì)算機(jī)平臺上仿真模擬現(xiàn)狀排水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，能很好地滿足排水系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行預(yù)測的需要[9-10]。本文以道叉河片區(qū)為研究對象，使用infoworks-icm軟件建立了該片區(qū)排水系統(tǒng)的水力模型，模擬該片區(qū)遭遇3a一遇設(shè)計(jì)降雨時的排水情況。在模型指導(dǎo)下，根據(jù)管道水力狀態(tài)的結(jié)果并結(jié)合工程實(shí)際對不滿足要求的管道進(jìn)行規(guī)劃改造。結(jié)果表明：

（1）運(yùn)用模型能夠快速、直觀地進(jìn)行片區(qū)排水能力評估，迅速發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有排水管網(wǎng)排水能力的不足，明確管網(wǎng)的瓶頸與排水薄弱點(diǎn)。

（2）通過模型的區(qū)域評估和模擬，可有效提高該片區(qū)的排水設(shè)施的利用效率和使用性能，經(jīng)過模型指導(dǎo)下的改造管道能很好地滿足新標(biāo)準(zhǔn)下的排水要求。