基于InfoWorks ICM的鎮(zhèn)江市排水管網(wǎng)能力及內(nèi)澇風(fēng)險模擬評估

郁竹晶

上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200000

1 引言

鎮(zhèn)江市屬于“一水橫陳，三面連崗”的河谷盆地，地處典型季風(fēng)氣候區(qū)，特殊的地理位置和城市格局使得鎮(zhèn)江市區(qū)面臨外洪與內(nèi)澇的夾擊，汛期時常出現(xiàn)上有客洪侵襲、下受江潮頂托、南有山洪壓頂、北受臺風(fēng)威脅的局面。隨著鎮(zhèn)江市城市建設(shè)的不斷推進(jìn),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]，加上城市化工程中水域被改道或填埋，調(diào)蓄量減少，加劇了城市暴雨洪澇災(zāi)害。為了深入研究并解決城市內(nèi)澇問題,國內(nèi)外研究人員已采用Mike、SWMM、InfoWorks ICM 等水文水動力模型軟件對城市現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬評估,并對工程方案的目標(biāo)可達(dá)性進(jìn)行分析[2]。

本文利用InfoWorksICM 軟件,建立鎮(zhèn)江市雨水系統(tǒng)水力模型,評估不同重現(xiàn)期下管網(wǎng)的排水能力與城市積水的淹沒深度，并分析管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題與城市內(nèi)澇成因,為排水管網(wǎng)的改造、建設(shè)、城市的防洪排澇系統(tǒng)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

2 研究區(qū)域概況

2.1 研究區(qū)域劃分

此次評估范圍約139.4km2,涵蓋潤州區(qū)、京口區(qū)、丹徒區(qū)共3個城區(qū),將評估范圍劃分為5個排水片區(qū)。

2.2 現(xiàn)狀排水系統(tǒng)

本次評估的排水系統(tǒng)為研究區(qū)域范圍內(nèi)的市政雨水管網(wǎng)、合流制管網(wǎng)以及上游污水管混接入的雨水管網(wǎng)，并整合現(xiàn)狀排水泵站的調(diào)度規(guī)則。

經(jīng)過分析處理,最終確定的排水管網(wǎng)總長約為648.8km（雨水管道585.2km，混接污水管道32.7km，合流制管道30.9km），雨水泵站（含污水、合流泵站）13座。

3 模型構(gòu)建

3.1 總體技術(shù)路線

圖1 技術(shù)路線圖

3.2 模型構(gòu)建過程

（1）管線、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)錄入：將主城區(qū)排水管道的管長、管徑、管底高程以及檢查井的地面高程、檢查井深度等空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ICM城市排水管網(wǎng)模擬系統(tǒng)。

（2）附屬設(shè)施數(shù)據(jù)錄入：通過實(shí)地勘察、資 料室查閱等方式收集鎮(zhèn)江市主城區(qū)13座雨水（含合流）泵站的基本信息和運(yùn)行狀況，將泵站概化為泵和前池，錄入泵的控制規(guī)則、工作曲線以及前池的尺寸、液位等參數(shù)。同時錄入29個堰的堰高、堰寬、溢流系數(shù)等空間屬性數(shù)據(jù)，完成鎮(zhèn)江市主城區(qū)排水系統(tǒng)骨架模型搭建。

（3）拓?fù)錂z查與修正：對管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系并進(jìn)行檢查與修正，拓?fù)溴e誤主要包括管道反向、管道缺失、管道逆坡、雨污混接等。

（4）子匯水區(qū)劃分：利用天然流域、用地分類、路網(wǎng)架構(gòu)與雨水口分布把建模區(qū)域劃分為多個泰森多邊形，結(jié)合人工進(jìn)行邊界修正，完成匯水區(qū)劃分，共劃分子匯水區(qū)19858個。

（5）模型管網(wǎng)概化：考慮模型計(jì)算效率和以滿足規(guī)劃需求為目的，采用排水管網(wǎng)簡化算法，對原始管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡化，去除道路雨水篦、綠化隔離帶內(nèi)的雨水井與管徑低于300mm雨水支管，保留在道路上的主干雨水管道。

（6）研究區(qū)范圍主要為平原河網(wǎng)，整體上呈南高北低的地形，由南部山丘區(qū)逐漸向北部沿江傾斜，根據(jù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),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。

3.3 用地分析

根據(jù)鎮(zhèn)江市總體規(guī)劃用地分類數(shù)據(jù)，對鎮(zhèn)江市主城區(qū)不同用地進(jìn)行歸類，劃分為水體、路網(wǎng)、綠地、居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地六類，再根據(jù)各用地性質(zhì)及上位規(guī)劃分配下墊面如屬于不透水表面的硬地、道路、房屋與屬于透水表面的綠地，鋪裝的比例用于計(jì)算產(chǎn)流。

3.4 排口邊界條件

排水管網(wǎng)末端的水位邊界條件源自河道的水位數(shù)據(jù),利用河道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搭建河道模型,以此來反映管網(wǎng)末端水位邊界的動態(tài)變化及對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響情況。由于條件限制，未能獲取相關(guān)河道的真實(shí)斷面數(shù)據(jù)，此研究根據(jù)河道常水位值及城市河道控制斷面的水位作為排水管網(wǎng)的下游邊界條件。

3.5 模型參數(shù)設(shè)置與率定驗(yàn)證

在模型搭建的基礎(chǔ)上，設(shè)置模型產(chǎn)匯流參數(shù)，參數(shù)基于鎮(zhèn)江市海綿城市建設(shè)示范區(qū)參數(shù)率定結(jié)果，并最終通過多場實(shí)際場次降雨結(jié)合中山橋排口的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，具體結(jié)果如表1[3,4]。

表1 模型模擬產(chǎn)匯流參數(shù)取值

3.6 設(shè)計(jì)降雨

根據(jù)《鎮(zhèn)江市城市設(shè)計(jì)暴雨雨型研究與應(yīng)用》成果，推薦采用K.C法的雨型成果作為鎮(zhèn)江市區(qū)設(shè)計(jì)暴雨雨型，暴雨強(qiáng)度公式采用新編暴雨強(qiáng)度公式，為滿足長歷時雨型需求，研究推求了120min＜?xì)v時≤1440min的暴雨強(qiáng)度公式。K.C法暴雨雨型峰前、峰后降雨強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：

i——瞬時雨強(qiáng)（mm/min）

t——降雨歷史（min）

TM——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（年）

b、n、A、c——暴雨強(qiáng)度公式的參數(shù)

r——雨峰位置系數(shù)

公式中的參數(shù)值：

（1）歷時≤120min時

A=38.3623，c=1.0173，b=19.1377，n=0.975，r=0.354

（2）120min＜?xì)v時≤1440min時

A=12.5596，c=1.17，b=10.6421，n=0.7436，r=0.776

短歷時降雨模型用于評估排水管網(wǎng)排水能力，降雨分配詳見圖2。

圖2 鎮(zhèn)江市短歷時2h降雨雨型

長歷時降雨評估研究區(qū)設(shè)計(jì)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)下的內(nèi)澇風(fēng)險情況，降雨分配詳見圖3：

圖3 鎮(zhèn)江市長歷時24h降雨雨型

4 評估標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果分析

4.1 管道負(fù)荷評估標(biāo)準(zhǔn)

我國排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時雨水管道內(nèi)流態(tài)按滿管均勻流考慮，計(jì)算設(shè)計(jì)流量時設(shè)計(jì)水力坡度取管底坡度。管道內(nèi)水深H與管道直徑D之比H/D=1時為滿管流；H/D＞1時，管道則承壓，管道排水能力受到影響。因此，可以以管道發(fā)生滿管流作為標(biāo)準(zhǔn)評估管道的排水能力，分析現(xiàn)有管道的最大排水能力。

另外，重力管渠中，也可以形成壓力流但尚未溢出地面造成洪災(zāi)的水力狀態(tài)定義為“超載”，一般當(dāng)出現(xiàn)超載狀態(tài)時，可以認(rèn)為管段流量超過設(shè)計(jì)能力?？紤]到鎮(zhèn)江市河網(wǎng)縱橫、生態(tài)用地豐富等特點(diǎn)，以暴雨條件下的檢查井溢流作為評估指標(biāo)（即管道水頭線是否超過地面線）評估鎮(zhèn)江市城區(qū)現(xiàn)狀排水能力。當(dāng)檢查井出現(xiàn)溢流時，可認(rèn)為管段不滿足相應(yīng)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。以此作為標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)現(xiàn)狀管道的改造。

4.2 現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力評估

利用搭建好的模型,分別模擬計(jì)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2h。

鎮(zhèn)江市主城區(qū)、谷陽、諫壁部分片區(qū)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，排水能力小于1年一遇的管道約為84.86km，占比13.08%，分布于華園路、興園路、盛園路、蔡家路、江濱路、古城路、東吳路、朱方路、長江路、潤州路、京江路、檀山路、丁卯橋路、黃山南路、南門大街、學(xué)府路、官塘橋路、漕河路等道路沿線。

排水能力1～2年一遇的管道長68.971km，占比10.59%。主要分布于大西路、電力路、黃山南路等道路的部分路段。

排水能力2～3年一遇的管道長44.12km，占比6.8%。主要分布于北府路、烈士路、愛民路等道路沿線的部分路段。

排水能力3～5年一遇的管道長49.57km，占比7.64%。主要分布于金谷路、駙馬街部分路段。

排水能力大于等于5年一遇的管道長401.54km，占比61.89%。

統(tǒng)計(jì)模型內(nèi)現(xiàn)狀管網(wǎng)管徑，由于老城區(qū)的排水管網(wǎng)建設(shè)時間較早,采用的排水標(biāo)準(zhǔn)較現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果顯示排水管網(wǎng)排水能力較差的管道大部分就集中于老城區(qū)的合流制系統(tǒng)[5]。

另外，當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)范規(guī)定取值上限3年一遇降雨下的超過30%的管道超載嚴(yán)重。主要由于團(tuán)結(jié)河，古運(yùn)河，運(yùn)糧河沿線排口受河道頂托嚴(yán)重，自排不暢。

結(jié)合現(xiàn)狀情況，建議綜合考慮源頭控制，增加管網(wǎng)承載能力，降低末端排放口水位。對管道方面，除翻排，增排雨水管道外，還應(yīng)針對超載嚴(yán)重地區(qū)，新建分流干管，增加排水通道。其他如針對管網(wǎng)覆蓋率和服務(wù)面積，合理分配排水分區(qū)，改建雨水泵站，結(jié)合綠地系統(tǒng)規(guī)劃和地下空間開發(fā)利用規(guī)劃，擬新建調(diào)蓄設(shè)施，蓄排結(jié)合。

4.3 城市內(nèi)澇風(fēng)險評估

鎮(zhèn)江市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為30年一遇，針對30年一遇長歷時降雨情景進(jìn)行動態(tài)模擬，基于模擬結(jié)果采用情景模擬評估法進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險評估與區(qū)劃。

通過模擬，獲得雨水徑流的水位變化、積水范圍和淹沒時間等信息，參照國內(nèi)內(nèi)澇防治的相關(guān)法規(guī)有《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（2021版）和《城市內(nèi)澇防治規(guī)劃規(guī)范》（2016版），綜合評估城市內(nèi)澇災(zāi)害的危險性；結(jié)合城市區(qū)域重要性和敏感性，對城市進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分。

城市內(nèi)澇風(fēng)險等級被劃分為以下三個等級，每個等級對應(yīng)了不同的積水深度和積水時間，同時也代表了影響的嚴(yán)重程度。

積水深度超過0.5m或0.3m以上積水累積超過30min，視作高風(fēng)險，對城市交通、基礎(chǔ)設(shè)施和各類建筑物構(gòu)成威脅；積水深度0.3m-0.5m或0.15m以上積水累積超過30min，視作中風(fēng)險，嚴(yán)重影響城市交通；0.15m-0.3m積水視作低風(fēng)險，為一般城市積水，其余則可認(rèn)為無顯著內(nèi)澇風(fēng)險。

30年一遇設(shè)計(jì)降雨工況下。約6km2的區(qū)域?qū)儆趦?nèi)澇中風(fēng)險區(qū)，占比4.31%；內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)面積為0.83km2，占比0.6%。內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)主要位于金潤大道、象山大道、大西路、宜春路、興園路、江濱路、谷陽路寶平路交界、潤州路、潤興路、長江路、官塘橋路等城市主次干道附近；部分居民區(qū)、城中村或未開發(fā)區(qū)域，如李家山新村、江蘇科技大學(xué)夢溪校區(qū)等區(qū)域，由于所處局部地勢較低，也易產(chǎn)生積水，屬于內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)。

5 結(jié)語

通過對研究區(qū)排水系統(tǒng)進(jìn)行模型模擬評估,進(jìn)一步了解和掌握了研究區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的排水能力和城市的內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)域[6,7]。從評估結(jié)果可以看出,排水管網(wǎng)排水能力較差區(qū)域與內(nèi)澇高風(fēng)險的區(qū)域基本是合流制老城區(qū)與部分臨河處，其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、管網(wǎng)銜接問題與下游水位的頂托等是主要排水不暢的因素。未來市政建設(shè)重點(diǎn)不僅要對老城區(qū)進(jìn)行相關(guān)改擴(kuò)建，同時要注重源頭控制削減徑流量，并進(jìn)一步拓寬城市水面，降低內(nèi)河水位，做好相關(guān)防澇減災(zāi)的關(guān)鍵工作。