基于InfoWorks ICM的南寧市排水管網能力及內澇風險模擬評估

李順安

(南寧市勘測設計院集團有限公司，廣西 南寧 530000)

1 引言

近年來，隨著南寧市城市建設的不斷推進，城市下墊面發(fā)生了較大的變化，植被、湖泊等被不透水面替代[1]，城市水循環(huán)過程也隨之發(fā)生改變，加上全球氣候變化導致極端天氣頻發(fā)，加劇了城市暴雨洪澇災害[2]。為了深入研究并解決城市內澇問題，國內外研究人員已采用DigitalWater、SWMM、InfoWorks ICM等水力模型軟件對城市排水系統(tǒng)進行模擬[3,4]，輔助評估城市排水系統(tǒng)。

本文利用InfoWorks ICM軟件，建立南寧市雨水系統(tǒng)水力模型，評估不同重現(xiàn)期下管網的排水能力。在此基礎上利用模型快速分析管網可能存在的問題，為排水管網的改造、建設、規(guī)劃提供科學依據，為城市防洪排澇提供參考。

2 研究區(qū)域概況

2.1 研究區(qū)域劃分

此次評估范圍約903.22 km2，涵蓋南寧市西鄉(xiāng)塘、高新、興寧、青秀、江南、經開、五象、邕寧、良慶共9 個城區(qū)，將評估范圍劃分為6 個片區(qū)。

2.2 現(xiàn)狀排水管網

本次評估的管網系統(tǒng)為研究區(qū)域范圍內的市政雨水管網，經過分析處理，最終確定的雨水管網總長為3561.95 km。

3 模型構建

3.1 技術路線建模

技術路線建模見圖1。

圖1 技術路線建模

3.2 一維管網模型搭建

對城市排水管網普查數(shù)據進行分析處理，將管道、檢查井、泵、閘、堰等排水設施的基礎屬性和地理屬性進行模型處理后導入模型，構建完整的管網系統(tǒng)。

3.3 匯水模型

3.3.1 下墊面解析

根據實際用地情況，將下墊面劃分為屋面、綠地、裸地、水體、道路五類，具體分布如圖2所示。

圖2 研究區(qū)下墊面解析

3.3.2 匯水模型選取及匯水區(qū)劃分

建成區(qū)范圍內匯水模型采用SWMM產匯流模型[5]，根據排水管網布置情況，利用“泰森多邊形”法則劃分子匯水區(qū)。未建成區(qū)利用GIS水文模塊，結合地形和水系分布對匯水區(qū)進行劃分，并采用SCS水文模型模擬匯流過程[6]。

3.3.3 參數(shù)選取

根據各類下墊面的透水情況、匯流特征，在模型中設置不同的產匯流參數(shù)，具體設置如表1所示[7～10]。

表1 各下墊面類型模型模擬參數(shù)設置

3.4 河道模型

排水管網末端的水位邊界條件源自河道的水位數(shù)據，利用河道基礎數(shù)據搭建河道模型，以此來反映管網末端水位邊界的動態(tài)變化及對管網系統(tǒng)的影響情況。

3.5 二維地表模型

研究區(qū)范圍內主要為河谷盆地，周圍有山陵環(huán)繞，盆地底部高程約為70～80 m[11]。根據現(xiàn)狀基礎地理信息數(shù)據，利用ArcGIS中3DAnalystTools等工具，建立研究區(qū)域的地面數(shù)字高程模型，從而獲得模型耦合地表的二維地表模型。

3.6 降雨模型

3.6.1 短歷時降雨

短歷時降雨模型采用南寧市2016年發(fā)布的暴雨強度公式，如式(1)，以芝加哥雨型作為降雨時程分布的依據，獲得重現(xiàn)期為1、2、3、5年的2 h降雨雨型，如圖3所示，用于評估排水管道能力。

圖3 短歷時2 h降雨雨型

(1)

式(1)中，q為暴雨強度[L/(s·hm2)]；P為重現(xiàn)期(年)；t為降雨歷時(min)。

3.6.2 長歷時降雨

長歷時降雨數(shù)據采用氣象部門發(fā)布的50年一遇24 h降雨雨型，如圖4所示，用于評估研究區(qū)設計防洪標準下的內澇風險情況。

圖4 長歷時24 h降雨雨型

4 評估結果與分析

4.1 現(xiàn)狀排水管網排水能力評估

利用搭建好的模型，分別模擬計算城市發(fā)生重現(xiàn)期為1、2、3年和5年短歷時降雨情況下的排水情況，模擬時間為2 h。根據模型模擬計算結果，分別統(tǒng)計不同重現(xiàn)期下排水管道水力坡度大于管道實際坡度的管道，并以管道能承受的最大重現(xiàn)期降雨作為管道的排水能力，以此繪制排水管網排水能力圖，如圖5所示。

圖5 研究區(qū)排水管網排水能力評估

根據評估結果，研究區(qū)排水管網各等級排水能力占比大小為五年一遇>不滿足一年一遇>一年一遇>三年一遇>二年一遇，占比分布為：45.07%、42.88%、5.62%、3.51%、2.92%。近年來南寧市隨著城市的高速發(fā)展，城市建設穩(wěn)步推進，城市排水管網作為城市關鍵的基礎建設之一，隨城市向外圍發(fā)展，也新建了較多的排水管網，因此評估結果顯示高排水能力管網占比大；此外老城區(qū)在管網覆蓋范圍比重較大，由于老城區(qū)的排水管網建設時間較早，采用的排水標準較現(xiàn)行標準有差異，且隨著城市的發(fā)展城市下墊面也發(fā)生了較大的變化，因此評估結果顯示排水管網排水能力較差的管道占比僅次于高排水能力管道。

統(tǒng)計分析各片區(qū)排水管網排水能力，結果如表2所示。統(tǒng)計結果顯示，各片區(qū)排水能力為邕寧、五象片區(qū)>良慶、五象片區(qū)>興寧區(qū)>江南、經開片區(qū)>青秀片區(qū)>西鄉(xiāng)塘、高新片區(qū)。因邕寧、五象片區(qū)和良慶、五象片區(qū)正在開發(fā)建設，排水管道多為新建管道，故滿足五年一遇的管道比例多于其他城區(qū)，且不滿足一年一遇的管道比例低于其他城區(qū)。興寧區(qū)北側正在開發(fā)建設，管道多為新建，南側為舊城區(qū)，故片區(qū)不滿足一年一遇的管道比例和滿足五年一遇的管道比例均處于6 個片區(qū)的中間水平。江南、經開片區(qū)管道不滿足一年一遇的比例48.46%，五年一遇比例45.86%。西鄉(xiāng)塘和青秀區(qū)屬于南寧市老城區(qū)，老舊管道多，管徑偏小，由于建設年代采用的標準存在差異，因此不滿足一年一遇的管道比例高，滿足五年一遇的管道比例低。各片區(qū)排水管網各等級排水能力占比情況如表2。

表2 各片區(qū)排水管網排水能力評估占比情況 %

4.2 城市內澇風險評估

南寧市作為省會城市，中心城區(qū)需能有效應對不低于50年一遇的暴雨[12]，因此采用50年一遇長歷時降雨進行模型模擬計算，模擬時長24 h。根據模擬結果評估城市在遭遇極端降雨時城市的內澇風險情況，評估標準如表3。

表3 內澇風險等級劃分

根據模型模擬結果及評估標準繪制研究區(qū)內澇風險分布如圖6所示。統(tǒng)計分析評估結果顯示，研究區(qū)在遭遇50 年一遇24 h極端降雨時，內澇風險區(qū)域面積總計12.79 km2，其中低、中、高風險區(qū)域面積分布為1.47 km2、4.94 km2和6.38 km2。由圖6可知，研究區(qū)內澇高風險地區(qū)主要分布在青秀、西鄉(xiāng)塘、高新、江南等片區(qū)的老城區(qū)范圍，老城區(qū)排水設施建設較早，排水管道排水能力不足，城市發(fā)展過程中下墊面的變化較大，對極端降雨抵御能力差，與研究區(qū)實際易澇區(qū)域基本吻合，是后期進行相關改造建設的重點區(qū)域。新建城區(qū)由于建設時間較晚，且建設標準相對于老城區(qū)要高，因此基本為低風險區(qū)域。

圖6 研究區(qū)內澇風險評估

5 結語

通過對研究區(qū)排水系統(tǒng)進行模型模擬評估，進一步了解和掌握了研究區(qū)現(xiàn)狀排水管網的排水能力和在遭遇極端降雨情況下城市的內澇風險區(qū)域。從評估結果可以看出，研究區(qū)內排水管網排水能力較差、內澇風險較高的區(qū)域基本集中在老城區(qū)內，因此對老城區(qū)進行相關的改建、擴建將是今后提升研究區(qū)排水系統(tǒng)排水能力和抗風險能力的關鍵工作。