Infoworks ICM模型在市政污水管網(wǎng)工程設(shè)計中的應(yīng)用

龐 紅 璐， 郝 韶 楠

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

城市排水系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，對居民居住環(huán)境有著重要的意義[1]。隨著經(jīng)濟發(fā)展、人口增長和城市化進程的加快，城市污水量隨之增加，現(xiàn)狀排水系統(tǒng)已無法滿足當(dāng)前發(fā)展以及環(huán)境保護的需求，因此，對現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進行評估和診斷具有十分重要的意義。對于排水方案的評估與診斷常采用傳統(tǒng)分析方法，與之相比，數(shù)學(xué)模型分析具有速度快、效率高、通用性強等優(yōu)點，分析計算更加精準[2-3]。目前，國內(nèi)外應(yīng)用較多的模型主要包括Infoworks ICM[4-6]、Mike Urban[7-8]、SWMM[9-10]等。其中Infoworks ICM功能最為齊全，可實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)與河網(wǎng)系統(tǒng)的耦合，能較為真實地模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間的相互作用，且擁有強大的前后處理能力，已廣泛地應(yīng)用于排水系統(tǒng)現(xiàn)狀評估、城市內(nèi)澇積水模擬及城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險分析等。

1 研究區(qū)域——獅嶺村

獅嶺村位于廣東省佛山市南海區(qū)獅山鎮(zhèn)西北部，總面積約13.58 km2。獅嶺村現(xiàn)狀污水收集管網(wǎng)覆蓋率不高，生活污水和工業(yè)廢水大多直接排入河道，造成周邊河道水體黑臭，影響城市環(huán)境。除部分主干市政道路為分流制外，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀基本為合流制排水體制。獅嶺村西片區(qū)為獅嶺村管網(wǎng)相對獨立的一個區(qū)域，存在大量管網(wǎng)空白區(qū)，污水直接排入附近的水塘渠系，主要問題是污水收集系統(tǒng)不完善。

2 模型構(gòu)建

2.1 Infoworks ICM模型

Infoworks ICM模型是由英國Wallingford軟件公司開發(fā)的排水模型，是首款實現(xiàn)在單個模擬引擎內(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、海綿城市的低影響開發(fā)系統(tǒng)(包括雨水資源的利用)模擬、洪水風(fēng)險評估等有機整合的軟件。Infoworks ICM可以實現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合，更為真實地模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間的相互作用[11]。多應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀評估、改造規(guī)劃和新建城市化排水系統(tǒng)的設(shè)計與規(guī)劃等方面[12]。

Infoworks ICM排水模型主要包括水文模型、水力模型和綜合模型三類，其中水文模型主要是模擬降雨的匯流過程；水力模型主要是模擬坡面和雨污水管網(wǎng)中流速、流量等水力要素的變化；綜合模型則是水文和水力模型的結(jié)合，應(yīng)用于雨污水中污染物的排放和傳輸規(guī)律的模擬運用。

2.2 排水模型構(gòu)建

2.2.1 基本信息導(dǎo)入

利用ICM模型構(gòu)建獅嶺村污水系統(tǒng)相對獨立的西片區(qū)的排水模型。在基本信息導(dǎo)入模型之前，需要對已有數(shù)據(jù)進行識別，轉(zhuǎn)換為ICM模型可以識別的數(shù)據(jù)格式，如CSV、shapefile等。本研究以前期勘察摸排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換為CSV格式文件進行導(dǎo)入。導(dǎo)入的文件基本信息包括管道上下游的高程、管道形狀、管徑、管道系統(tǒng)類型、流向、檢查井坐標、井地面高程等數(shù)據(jù)。

2.2.2 管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)檢查及簡化

利用ICM模型中的“新縱斷面”或者“選擇對象的縱斷面視圖”工具，對管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行修改、檢查和完善，并在翔實的管網(wǎng)摸排數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對管網(wǎng)進行合理簡化，如刪除雨水篦子和小區(qū)內(nèi)部管線等，但需要注意的是，要保留小區(qū)出戶管。對管網(wǎng)進行適當(dāng)簡化的目的，是對污水系統(tǒng)進行瘦身，降低模型計算工作量，提高模型計算速度。

2.2.3 集水區(qū)劃分

集水區(qū)包括雨水分區(qū)和污水分區(qū)兩大類。雨水分區(qū)的劃分，是根據(jù)下墊面類型和管道走向進行初步劃分，隨后可借助ICM工具生成泰森多邊形，該區(qū)域共劃分雨水分區(qū)317個，最小雨水分區(qū)60 m2，最大雨水分區(qū)1 249 680 m2；污水分區(qū)需結(jié)合居民點進行劃定，根據(jù)污水管線分布及走向，通過“連接性”字段分別指向附近的污水管或者就近散排到河網(wǎng)中。

2.2.4 基本參數(shù)設(shè)置

獅嶺村西片區(qū)約有5 230人，根據(jù)人口密度，給予每個污水分區(qū)人口；人均綜合生活用水量取270 L/(人·天)，日均旱流污水量按照日均用水量的85%進行折算，污水定額為229.5 L/(人·天)。

3 市政工程設(shè)計應(yīng)用

3.1 現(xiàn)狀污水系統(tǒng)問題診斷

市政污水管網(wǎng)屬地下隱蔽工程，建設(shè)過程中通常是分片區(qū)和分期實施，由于建設(shè)時序不同，建設(shè)標準不統(tǒng)一，通常難以準確掌握地下污水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。通過各種途徑收集得到的管網(wǎng)數(shù)據(jù)類型多樣，常見的有CAD設(shè)計圖紙、竣工圖、勘探圖、excel表格等，數(shù)據(jù)的質(zhì)量也參差不齊，且對勘探過程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計質(zhì)量問題無法直觀判斷[13]。Infoworks ICM 軟件可對現(xiàn)狀管網(wǎng)進行初步的診斷和分析，如利用SQL工具可快速識別出系統(tǒng)中混、錯接的數(shù)量和位置，利用縱斷面檢查工具可識別管道是否存在大管接小管、逆坡等不合理的區(qū)域，并針對該區(qū)域優(yōu)先復(fù)勘摸排，為勘察摸排提供重點工作范圍，減少摸排工作量，同時根據(jù)摸排數(shù)據(jù)對現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行復(fù)核修正，使管網(wǎng)模型與真實情況更為接近。

3.2 規(guī)劃污水管網(wǎng)截污效果評估

獅嶺西片區(qū)面積約4.6 km2，居住人口約5 230人，污水管網(wǎng)建設(shè)長度約3.60 km，管網(wǎng)密度為0.78 km/km2，存在大量管網(wǎng)空白區(qū)，污水多直排入附近的溝塘渠系。根據(jù)源頭污染物的產(chǎn)生量以及末端管網(wǎng)污染物的通量，評估該片區(qū)污水管網(wǎng)截污效果。經(jīng)估算，旱季源頭污染物產(chǎn)生量COD、氨氮、總磷約為9 562.71 kg/30 d、956.26 kg/30 d、127.47 kg/30 d，末端污水管網(wǎng)通量約為2 516.42 kg/30 d、265.53 kg/30 d、37.21 kg/30 d，污水截污率較低，約為26.31%。

規(guī)劃工況下，新建污水管網(wǎng)約5.34 km，完善現(xiàn)有截污工程，填補現(xiàn)狀管網(wǎng)空白區(qū)，大大降低了污水直排入河的水量，規(guī)劃工況下，旱季污水截污率可達到94.87%，截污效果顯著?，F(xiàn)狀及規(guī)劃工況獅嶺西片區(qū)污水收集率見表1。

3.3 污水管網(wǎng)輸水能力評估

管道的負荷狀態(tài)指管道內(nèi)水流的充滿程度，Infoworks ICM定義“超負荷狀態(tài)”來反映管道的負荷狀態(tài)[14]。本文選取3個超負荷狀態(tài)的閾值(0.8，1，2)對管網(wǎng)輸水能力進行評估，超負荷狀態(tài)閾值表示的含義見表2。

表2 超負荷狀態(tài)閾值表示的含義

規(guī)劃工況下，污水管道超負荷狀態(tài)統(tǒng)計見表3。當(dāng)S<0.8時，運行的管道比例為82.97%，具有應(yīng)對水量變化的能力，排水高峰期污水溢流風(fēng)險低；當(dāng)0.8≤S<1時，運行的管道比例為2.72%，滿載運行的管道比例為14.60%，主要是由于下游管道過流能力限制而導(dǎo)致的超負荷；區(qū)域不存在管道流量大于管道設(shè)計能力而導(dǎo)致超負荷的情況。管道最不利情況和超負荷斷面示意圖分別見圖1、2。

表3 污水管道超負荷狀態(tài)統(tǒng)計

圖1 管道最不利情況

圖2 超負荷斷面示意圖

4 結(jié) 語

通過對獅嶺村西片區(qū)管網(wǎng)、截污系統(tǒng)以及過流能力進行系統(tǒng)的研究，為該區(qū)域日后污水管網(wǎng)的運行管理和未來管線規(guī)劃設(shè)計提供模型依據(jù)。

(1)采用Infoworks ICM 模型構(gòu)建獅嶺村西片區(qū)管網(wǎng)模型，通過模型檢查工具，可清晰直觀的對現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)進行關(guān)鍵問題診斷，為現(xiàn)場勘察摸排階段提供優(yōu)先復(fù)勘點，降低摸排工作量。

(2)現(xiàn)狀污水管網(wǎng)系統(tǒng)存在大量管網(wǎng)空白區(qū)，旱季截污率較低，僅為26.31%，規(guī)劃截污工程順利完工的情況下，旱季污水截污率可達到94.87%，大大降低了污水直排入河的水量。

(3)規(guī)劃工況下，約82.97%的管道充滿度小于0.8，具有應(yīng)對水量變化的能力，排水高峰期污水溢流風(fēng)險較低；約17.30%的管子應(yīng)對水量變化的能力較弱，其中14.60%的管子主要是由于下游管道過流能力限制而導(dǎo)致的超負荷，不存在管道流量大于管道設(shè)計排泄能力的情況。