InfoWorks ICM在城市排水管網(wǎng)改造中的應(yīng)用

摘 ?要：隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，越來越多的老城區(qū)需要對(duì)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)提升改造。以西寧市同仁路道路排水管網(wǎng)為例，通過InfoWorks ICM軟件建立改造管道的排水水力模型，利用模型對(duì)不同改造方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證，找出現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)存在的瓶頸問題，分析積水形成的主要原因，提出改造措施，并用模型評(píng)估改善效果，為該排水管網(wǎng)改造的設(shè)計(jì)方案提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：InfoWorks ICM；排水能力；管網(wǎng)改造

中圖分類號(hào)：TP39 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）14-0125-05

Application of InfoWorks ICM in Urban Drainage Pipe Network Reconstruction

WANG Xiang

（The 10th Branch of Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Lanzhou ?730000， China）

Abstract： With the development of urban modernization， more and more old urban areas need to upgrade and reconstruct the current drainage pipe network. Taking the Tongren Road drainage pipe network in Xining City as an example， the drainage hydraulic model of the reconstruction pipe is established by InfoWorks ICM software. The model is used to simulate and verify different reconstruction schemes， find out the bottleneck problem of current pipe network system， analyze the main causes of water accumulation， put forward reconstruction measures， and use the model to evaluate the improvement effect， so as to provide technical support for the design scheme of the drainage pipe network reconstruction.

Keywords： InfoWorks ICM; drainage capacity; pipe network reconstruction

0 ?引 ?言

近年來，隨著全球氣候異常，我國各省區(qū)極端天氣較多，自然災(zāi)害頻發(fā)，在全國很多城市發(fā)生了嚴(yán)重的暴雨內(nèi)澇現(xiàn)象，對(duì)社會(huì)管理、城市運(yùn)行和人民群眾生產(chǎn)生活造成了巨大影響，排水設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，雨污分流機(jī)制不健全的問題引起了各級(jí)政府的高度關(guān)注。

為了建立健全城市排水防澇體系，提升污水收集效能，2022年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《“十四五”黃河流域生態(tài)保護(hù)盒高質(zhì)量發(fā)展城鄉(xiāng)建設(shè)行動(dòng)方案》，系統(tǒng)推進(jìn)城鎮(zhèn)水環(huán)境治理。要求到2025年，因地制宜確定沿黃城市排水體制，現(xiàn)狀雨污合流區(qū)域結(jié)合城市更新，具備條件的區(qū)域適時(shí)進(jìn)行改造。改造易造成積水內(nèi)澇問題的排水管網(wǎng)，修復(fù)破損和功能失效的排水防澇設(shè)施。

為減輕城市洪澇災(zāi)害、提前采取應(yīng)對(duì)措施，模型模擬已成為分析洪澇風(fēng)險(xiǎn)、減輕城市內(nèi)澇影響的有效方法[1]。目前，水力模型軟件多用于輔助評(píng)估城市排水系統(tǒng)，筆者利用InfoWorks ICM軟件，對(duì)處于黃河流域范圍的西寧市同仁路雨污水管網(wǎng)提升改造進(jìn)行建模分析，結(jié)合道路下排水管網(wǎng)實(shí)際情況，通過模擬提出合理的改造方案。

1 ?研究改造管網(wǎng)現(xiàn)狀

西寧市同仁路位于主城區(qū)中部，現(xiàn)狀道路兩側(cè)地塊開發(fā)成熟，建筑物密度大，類型包括商業(yè)、居住、醫(yī)療、行政辦公、公園廣場(chǎng)等用地。道路全長(zhǎng)約1.5 km，整體地勢(shì)南高北低。道路東、西兩側(cè)各敷設(shè)有合流排水管道1道，西側(cè)現(xiàn)狀合流管道管徑d400～1 000 mm，沿線接納相交道路部分雨、污水，東側(cè)現(xiàn)狀合流管道管徑d400～1 200 mm，西側(cè)合流管道在勝利路口處接入東側(cè)現(xiàn)狀合流管道，并最終接入秀水路現(xiàn)狀污水箱涵。其中，在勝利路下穿同仁路交叉口處，在下穿地道建設(shè)過程中，將原有d1 000 mm雨水管道在勝利路與同仁路交叉口處進(jìn)行遷改，向東頂管繞行下穿段后，繼續(xù)向北排入原同仁路d600 mm合流管道，同仁路現(xiàn)狀排水系統(tǒng)圖如圖1所示。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)研，同仁路合流排水管道建設(shè)年代久遠(yuǎn)，排水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低（重現(xiàn)期P = 1年），絕大部分管道腐蝕、破損、滲漏嚴(yán)重，沿線混接點(diǎn)較多，現(xiàn)狀排水管徑偏小，無法滿足排水需求，在勝利路口處修建完下穿通道后上游較易出現(xiàn)內(nèi)澇點(diǎn)。另外道路下大部分雨水主干管道內(nèi)均有污水，主要是巷道交叉口處污水管道就近混錯(cuò)接入雨水管道，合流管道又接入污水箱涵，導(dǎo)致部分污水直排河道，雨水進(jìn)入污水箱涵。

考慮到西寧市暴雨強(qiáng)度公式的修訂調(diào)整和近些年的極端降雨現(xiàn)象，為保證雨污分流效果的完整性，同仁路雨污水管網(wǎng)提升改造方案為廢除現(xiàn)狀排水管道，新建雨水管道2趟，雨水管道按3年一遇重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，新建污水管道1趟。若按此改造方案，維持原排水系統(tǒng)不變的情況下進(jìn)行改造，勝利路與同仁路交叉口處繞行的雨水管道因?yàn)檫w改施工時(shí)坡度較小，經(jīng)計(jì)算現(xiàn)狀d1 000 mm管徑無法滿足上游雨水的排水需求，但此段雨水管道受已建下穿通道影響已無法拆除進(jìn)行擴(kuò)容改造。需結(jié)合排水系統(tǒng)，利用模型分析，提出合理的雨水管網(wǎng)改造方案。

2 ?模型構(gòu)建

模型的構(gòu)建和應(yīng)用過程總體可分為數(shù)據(jù)整理、模型搭建、質(zhì)量控制和模型應(yīng)用四個(gè)步驟。

模型需要輸入的數(shù)據(jù)非常多，包括集水區(qū)用地性質(zhì)和地形情況、檢查井、管網(wǎng)、排放口以及長(zhǎng)短歷時(shí)降雨雨型的詳細(xì)信息。僅管網(wǎng)的信息就需要包括長(zhǎng)度、管型、管徑、管材、坡度、流向、粗糙系數(shù)、起始端和終端位置等。將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，整合形成城市排水防澇設(shè)施的數(shù)據(jù)庫，用于后期模型的構(gòu)建以及數(shù)據(jù)管理。

2.1 ?管網(wǎng)模型建立

排水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)來自于所在區(qū)域的地下管網(wǎng)普查項(xiàng)目數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括排水管道的類型（含雨水管道和合流管道）、斷面形式、管徑、管材、管長(zhǎng)、管底標(biāo)高，及相應(yīng)檢查井類型、編號(hào)、路面高程。在重點(diǎn)模擬區(qū)域，對(duì)排水管線信息數(shù)據(jù)進(jìn)行人工校核。將改造區(qū)域概劃為149個(gè)節(jié)點(diǎn)，7.9 km管線，145個(gè)子集水區(qū)。

2.2 ?降雨數(shù)據(jù)

2.2.1 ?短歷時(shí)設(shè)計(jì)雨型成果

根據(jù)《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》要求，短歷時(shí)暴雨雨型確定的降雨歷時(shí)采用30、60、90、120、150、180 min共6個(gè)歷時(shí)。本次建模利用西寧市氣象局2019年7月發(fā)布的暴雨強(qiáng)度公式，建立降雨歷時(shí)t= 180 min，雨峰系數(shù)r = 0.27，以5 min為時(shí)間步長(zhǎng)的3年一遇的短歷時(shí)降雨雨型。

2.2.2 ?長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)雨型成果

由于暫未收集到西寧近30年的暴雨雨型資料，因此無法根據(jù)實(shí)際情況確定長(zhǎng)歷時(shí)降雨雨型。本次研究參考2022年3月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《城市排水防澇標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)降雨量》，確定西寧市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，對(duì)應(yīng)降雨量為53.5 mm/d。結(jié)合《青海省東部地區(qū)暴雨洪水圖集》，采用淺山腦山區(qū)1 h主雨峰對(duì)齊的24 h時(shí)程分配過程，按照設(shè)計(jì)暴雨成果，計(jì)算50年一遇重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)降雨量的24 h分配過程。

2.3 ?模型參數(shù)設(shè)置

西寧市主城區(qū)已建成區(qū)域大多為城市道路、廣場(chǎng)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)，硬化地面急劇增加，道路仍為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，排水主要依賴于道路排水設(shè)施。本次根據(jù)模擬區(qū)域最新實(shí)測(cè)地形圖，將下墊面劃分為道路、綠地、小區(qū)建筑用地3大類型，并確定各類下墊面的比例、綜合徑流系數(shù)、匯流模型等[2]。不同下墊面類型產(chǎn)匯流屬性具體參數(shù)如表1所示。

3 ?管網(wǎng)改造方案模擬結(jié)果分析

應(yīng)用水力模型InfoWorks ICM軟件，建立了改造區(qū)域相應(yīng)的水文及排水管網(wǎng)一維水動(dòng)力計(jì)算模型，并結(jié)合二維地面模型進(jìn)行耦合模擬，針對(duì)3年一遇的短歷時(shí)（3 h）降雨和50年一遇長(zhǎng)歷時(shí)（24 h）條件，對(duì)地表產(chǎn)匯流及排水系統(tǒng)水動(dòng)力過程進(jìn)行演算，模擬排水管網(wǎng)的水動(dòng)力過程，獲得管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的溢出情況及管道充滿度、壓力、流量等情況，得出在該工況下改造區(qū)范圍內(nèi)雨水管道排水能力和積水情況[3]。

3.1 ?改造方案管網(wǎng)模型評(píng)估

改造方案按原有雨水排水系統(tǒng)保持不變，將同仁路雨水管道管徑改造為d1 000 mm，管網(wǎng)末端按規(guī)劃自南向北最終接入七一路雨水管道。沿線西關(guān)大街及五四大街部分路段雨水由同仁路排水管道進(jìn)行轉(zhuǎn)輸。

得出模擬評(píng)估結(jié)果如圖2所示。圖中：實(shí)線表示管渠運(yùn)行較差、排水能力嚴(yán)重不足即管渠嚴(yán)重過載；虛線表示管渠能運(yùn)行，排水能力已滿即管渠已經(jīng)滿載；點(diǎn)劃線表示管渠運(yùn)行良好、排水能力滿足要求即管渠達(dá)標(biāo)[4]。

模擬結(jié)果表明（同仁路原改造方案排水管網(wǎng)剖面圖如圖3所示），在降雨條件下（3年一遇暴雨強(qiáng)度），同仁路（西關(guān)大街到勝利路）段雨水管道為滿載狀態(tài)，當(dāng)流行經(jīng)過同仁路與勝利路交叉路口處變坡點(diǎn)后，向東繞行下穿通道的現(xiàn)狀d1 000 mm雨水管道處于一個(gè)超負(fù)載狀態(tài)，管道承壓，輸水能力不滿足要求，降雨發(fā)生后1小時(shí)5分時(shí)管道輸水量達(dá)到最高負(fù)荷，在交叉路口東南角處出現(xiàn)雨水管冒井現(xiàn)象，冒水水頭約為20～30 cm。

而內(nèi)澇分析（50年一遇暴雨強(qiáng)度）結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)輸西關(guān)大街部分雨水后，在同仁路與五四大街交叉路口處及五四大街處存在積水內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位，積水深度最大達(dá)30 cm。通過對(duì)歷史內(nèi)澇點(diǎn)與模擬內(nèi)澇結(jié)果相對(duì)照，發(fā)現(xiàn)內(nèi)澇情況基本吻合，這也驗(yàn)證了模型的可靠性。

3.2 ?改造路段積水原因分析

根據(jù)以上分析結(jié)果，改造后的同仁路雨水管道在勝利路以南全線基本處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，而勝利路以北處于非滿管狀態(tài)，其主要原因?yàn)閯倮仿房谔幍默F(xiàn)狀d1 000 mm雨水管道輸水能力從路口南側(cè)的變坡點(diǎn)由2.23 m3/s降為1.92 m3/s，為整個(gè)區(qū)域的“卡脖子”管段。道路產(chǎn)生內(nèi)澇的原因是該改遷段雨水管道管徑不足，并且管段坡降較緩，導(dǎo)致該段排水能力受限，從而使得上游段的管網(wǎng)壅水[5]。因此必須將上游西關(guān)大街處雨水進(jìn)行分流，才能繼續(xù)利用該段現(xiàn)狀雨水管道對(duì)雨水進(jìn)行轉(zhuǎn)輸排放。

3.3 ?優(yōu)化改造方案管網(wǎng)模型評(píng)估

將西關(guān)大街雨水在同仁路口分流后，重新對(duì)同仁路雨水排水系統(tǒng)進(jìn)行排水能力分析，優(yōu)化方案后同仁路主要轉(zhuǎn)輸五四大街部分路段雨水，同仁路優(yōu)化改造方案排水管網(wǎng)排水能力評(píng)估圖如圖4所示。

分析結(jié)果顯示（同仁路優(yōu)化改造方案排水管網(wǎng)剖面圖如圖5所示），在同仁路與勝利路交叉路口處，現(xiàn)狀已遷改完成的d1 000 mm雨水管道的輸水能力，在3年一遇降雨條件下，雨水管道內(nèi)水流為承壓狀態(tài)，但不存在冒井風(fēng)險(xiǎn)。隨著后期勝利路雨水管道更新改造，勝利路新建雨水管道輸水能力增強(qiáng)，在已遷改完成的現(xiàn)狀d1 000 mm雨水管道（向勝利路方向）設(shè)置溢流管溢流部分雨水至勝利路雨水管道，進(jìn)而繼續(xù)對(duì)同仁路該管段的部分雨水進(jìn)行分流，確保排水系統(tǒng)安全。

模擬結(jié)果表明，按優(yōu)化改造方案實(shí)施后，在降雨條件下（3年一遇暴雨強(qiáng)度），同仁路與勝利路交叉路口處現(xiàn)狀d1 000 mm雨水管道在運(yùn)行過程中雖處于承壓流狀態(tài)，但承壓水頭不超1.3 m，無冒井風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。改造道路上游區(qū)域積水情況明顯改善，不存在積水深度超15 cm的澇點(diǎn)。

4 ?結(jié) ?論

通過InfoWorks ICM軟件對(duì)西寧同仁路排水管網(wǎng)改造方案進(jìn)行模擬評(píng)估，進(jìn)一步驗(yàn)證改造區(qū)域現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的排水能力和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。從模型評(píng)估結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，受現(xiàn)狀雨水管道條件制約，原有雨水管道改造方案雨水系統(tǒng)走向不合理，改造后路段仍存在內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。而優(yōu)化改造方案后，管道雍水情況有所改善，降低城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

借助模型手段進(jìn)行排水能力和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可為內(nèi)澇原因分析提供科學(xué)支持。對(duì)老城區(qū)排水管道提升改造或雨污分流改造的不同方案綜合分析后，從而比選出最優(yōu)的技術(shù)方案，有效解決了傳統(tǒng)水力計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)法與實(shí)際情況誤差大，缺乏全局性和經(jīng)濟(jì)性的問題。

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作者簡(jiǎn)介：王翔（1989—），男，漢族，甘肅蘭州人，工程師，本科，研究方向：市政給排水設(shè)計(jì)。