基于InfoWorks ICM—2D耦合模型的上海某片區(qū)排水系統(tǒng)排水能力分析

摘要：通過建立排水管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型對城市現(xiàn)狀的排水系統(tǒng)能力進(jìn)行評估是當(dāng)前較為行之有效的方式之一，本文基于InfoWorks ICM建立了一維及二維耦合的上海某區(qū)域排水管網(wǎng)模型并進(jìn)行驗證，基于該模型對區(qū)域的排水管網(wǎng)能力及內(nèi)澇風(fēng)險等級進(jìn)行了評估分析。經(jīng)評估認(rèn)為現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力未達(dá)到3年一遇的排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，5年一遇的重現(xiàn)期下不存在內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)。本文的評估結(jié)果可以為下一步的管道提標(biāo)改造提供判斷依據(jù)，同時也為城市內(nèi)澇災(zāi)害緊急預(yù)警方案的編制以及智慧水務(wù)平臺的搭建提供參考。

0 前言

在極端降雨情況多發(fā)、城市化進(jìn)程加劇的背景下，城市內(nèi)澇問題在近年來頻繁進(jìn)入公眾視野。特別是在城市建成區(qū)面積擴(kuò)張導(dǎo)致硬化面積增大下墊面條件改變的狀況下，綜合徑流系數(shù)逐漸變大，現(xiàn)狀的管道規(guī)格無法承載增加的匯流雨水量，另外隨著排水系統(tǒng)使用壽命的增加，部分管道出現(xiàn)了淤積、破損現(xiàn)象，導(dǎo)致管道的過水能力減小，綜合以上種種因素，導(dǎo)致在下暴雨時，城市內(nèi)澇問題頻發(fā)。因此對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力預(yù)先通過模型進(jìn)行評估對預(yù)防城市內(nèi)澇是至關(guān)重要的。通過計算機(jī)建立城市排水系統(tǒng)模型能夠非常有效地輔助排水系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計，當(dāng)前國內(nèi)外對此已有相關(guān)研究，其中應(yīng)用較多的商業(yè)軟件一般有SWMM模型、HSPF模型、MIKE URBAN模型以及InfoWorks ICM模型等。其中英國WallingFord公司開發(fā)的InfoWorks ICM能夠較為快速、精確地模擬降雨徑流過程，且實現(xiàn)了與GIS軟件的對接[1]，在數(shù)據(jù)的后處理以及結(jié)果分析輸出方面具有一定優(yōu)勢。因此，本文基于InfoWorks ICM建立一維及二維耦合的上海某區(qū)域的排水管網(wǎng)模型，對上海某排水系統(tǒng)的排水能力及內(nèi)澇風(fēng)險進(jìn)行評估。

1 研究區(qū)域概況

本次研究的排水系統(tǒng)位于上海市內(nèi)外環(huán)間，為已建分流制排水系統(tǒng)。區(qū)域采用城市小區(qū)強(qiáng)排的排水模式。系統(tǒng)服務(wù)范圍為：東起外環(huán)運河，西至楊高北路，南起五洲大道、北至洲海路，總服務(wù)面積340ha，現(xiàn)狀雨水總管管徑為DN1000～DN2800。系統(tǒng)的現(xiàn)狀雨水泵站位于外環(huán)運河邊趙高公路西側(cè)，靠近富特東三路、法塞路東南側(cè)交口，占地3746m²，1994年建成投用。規(guī)模為18.0m³/s，配置6臺ZLB2.8-6.7軸流泵，單泵流量Q=3.0m3/s，揚程H=7.0m，雨水經(jīng)提升后排入外環(huán)運河，3200×2600進(jìn)水箱涵沿法賽路自西向東接入泵站，出水箱涵為7000～21000×2600。雨水泵站沉井為圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑凈尺寸?26000，在沉井北側(cè)設(shè)有?1800岔道管，分別連接出水井和進(jìn)水閘門井。

2 模型構(gòu)建

2.1 排水系統(tǒng)建立

本工程采用InfoWoksICM軟件，根據(jù)現(xiàn)狀管線的CAD測量資料，導(dǎo)入系統(tǒng)的檢查井的位置信息、對應(yīng)的檢查井地面高程、系統(tǒng)排水管道的管徑及管道的上下游管底標(biāo)高。根據(jù)泵站的平面設(shè)計圖導(dǎo)入泵站的集水池容積及水泵的開啟、關(guān)閉水位等數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)域的排水管網(wǎng)模型。因道路雨水口的模擬對整個系統(tǒng)的排水能力評估影響不大，所以本次研究過程中道路兩邊的雨水口以及相關(guān)雨水口連接管不參與模型運算，主要模擬主干管及相關(guān)支管，搭建模型共計雨水管段577根，節(jié)點558個，管道總長21km，研究區(qū)域總面積340ha。對區(qū)域內(nèi)的下墊面進(jìn)行分析可知本區(qū)域為城市建筑密集區(qū)，以工業(yè)用地及居民用地為主，將不同用地類型的徑流系數(shù)通過加權(quán)平均得到本研究區(qū)域的綜合徑流系數(shù)ψ=0.6。基于區(qū)域內(nèi)的地形特征以及河網(wǎng)水系分布情況，在泰森多邊形法的基礎(chǔ)上結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況劃分子匯水分區(qū)，共計子匯水分區(qū)558個。將道路區(qū)域高程下跌0.15m，建筑屋頂設(shè)置為空白區(qū)不參與管網(wǎng)系統(tǒng)與降雨過程的2D耦合（在實際情況下屋頂不可能存在積水情況），研究區(qū)域搭建的系統(tǒng)模型如圖1所示。

2.2 降雨徑流邊界

根據(jù)上海市短歷時暴雨強(qiáng)度公式修編與設(shè)計雨型研究[1]結(jié)果，本次研究區(qū)域采用芝加哥設(shè)計雨型作為上海市短歷時設(shè)計雨型，120min雨型的雨峰位置系數(shù)r=0.405，結(jié)合暴雨強(qiáng)度公式計算得到相應(yīng)的1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇的設(shè)計雨型。

2.3 模型驗證

基于所建立的排水系統(tǒng)管網(wǎng)模型，對區(qū)域在不同降雨強(qiáng)度下的運行情況進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果可知，在2年一遇時，有25.13%的節(jié)點存在積水現(xiàn)象，存在積水情況的節(jié)點中有44.14%的節(jié)點積水深度超過0.15m，以上積水點統(tǒng)計情況與現(xiàn)狀獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情況一致。同時，實測泵站水量數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果吻合較好，說明模型具有一定的可靠性，能夠較為準(zhǔn)確地對該區(qū)域的排水系統(tǒng)進(jìn)行評估。

3 排澇能力評價

基于經(jīng)過驗證的排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型，模擬該片區(qū)在不同降雨強(qiáng)度下排水系統(tǒng)的運行情況，對模型運行結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。其中，二維模型的總體積水情況如表1所示。其中，一年一遇降雨強(qiáng)度時，區(qū)域內(nèi)路面平均積水時間約為7分鐘，積水總面積為0.05公頃；兩年一遇的降雨出現(xiàn)時，積水面積大幅增加到4.1公頃，路面積水時長24分鐘；三年一遇降雨出現(xiàn)時積水面積較兩年一遇降雨強(qiáng)度增幅48%，達(dá)到6.1公頃；降雨強(qiáng)度達(dá)到五年一遇時積水面積9.6公頃。

結(jié)合二維模型運行結(jié)果，分析一維的排水管網(wǎng)運行狀況，首先以典型積水點YS3-317！為例，分析其在不同降雨強(qiáng)度下的溢流洪水流量變化過程，如圖3所示：溢流量與暴雨強(qiáng)度的大小具有一致性，隨著暴雨強(qiáng)度的增加，檢查井溢流流量的峰值越大，前期溢流量增長越快，這一趨勢是符合實際的，也進(jìn)一步驗證了模型具有良好的匹配度。

其次從模型整體角度分析一維模型的運行結(jié)果，如圖4所示，在1年一遇時，積水點71個，占節(jié)點總數(shù)的12.3%，其中積水深度0.15m以上的20個，占積水點總數(shù)的28.2%；在2年一遇時，積水點145個，占節(jié)點總數(shù)的25.13%，其中積水深度0.15m以上的64個，占積水點總數(shù)的44.14%；在3年一遇時，積水點185個，占節(jié)點總數(shù)的32.06%，其中積水深度0.15m以上的84個，占積水點總數(shù)的45.41%；在5年一遇時，積水點231個，占節(jié)點總數(shù)的40.03%，其中積水深度0.15m以上的111個，占積水點總數(shù)的48.05%。可知隨著降雨強(qiáng)度的增加積水點個數(shù)增加。同時，從2年一遇開始，積水深度超過0.15m的積水點就占總積水點個數(shù)的44%以上，因此認(rèn)為現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的排水能力未達(dá)到3年一遇的排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致遭遇較大重現(xiàn)期時的降雨時，城市內(nèi)澇風(fēng)險較大。值得注意的是，在排水管道空白區(qū)B的附近，道路積水情況較為嚴(yán)重，因此后續(xù)工程方案應(yīng)優(yōu)先對空白區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行完善。

管道超負(fù)荷是指此時管道內(nèi)的流量已經(jīng)超過排水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力，水位已經(jīng)上升到檢查井內(nèi)，此時的排水管道由重力出流變?yōu)閴毫Τ隽鱗2]。一般來說，管道在出現(xiàn)排水能力不足也就是達(dá)到超負(fù)荷狀態(tài)時，一方面可能是由于自身管徑不足造成，而另一方面則可能是下游管道排水能力不足導(dǎo)致水位升高造成頂托導(dǎo)致。在inforworks ICM中，根據(jù)水力坡度與管底坡度的關(guān)系，超負(fù)荷狀態(tài)分為2種情況：當(dāng)超負(fù)荷狀態(tài)為1時表示管道上游端或者下游端的水位高于管道內(nèi)頂面，流量小于等于管道滿負(fù)荷量；當(dāng)超負(fù)荷狀態(tài)為2時表示管道上游端或者下游端的水位高于管道內(nèi)頂面，流量大于管道滿負(fù)荷量。由此可知當(dāng)管道超負(fù)荷狀態(tài)為1時，管道的排水能力不足是因下游發(fā)生頂托造成，應(yīng)對下游管道進(jìn)行改造；當(dāng)管道超負(fù)荷狀態(tài)為2時，管道的排水能力不足是因本身管徑設(shè)計偏小，不滿足排水需求造成，應(yīng)對管道進(jìn)行擴(kuò)容。

在本次研究過程中，通過調(diào)整降雨的重現(xiàn)期，以模擬不同降雨強(qiáng)度下整個排水管網(wǎng)系統(tǒng)的管道超負(fù)荷狀態(tài)，模擬結(jié)果如圖5所示，可知在1年一遇時，整個排水管網(wǎng)系統(tǒng)有47.0%的管道超負(fù)荷狀態(tài)為2，51.6%的管道超負(fù)荷狀態(tài)為1，僅 1.4%的管道不處于超負(fù)荷狀態(tài)，可知現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力不足，主要是因下游發(fā)生頂托造成，應(yīng)考慮優(yōu)先改善下游的排水能力。2年一遇、3年一遇、5年一遇管道超負(fù)荷狀態(tài)為2的管道占比分別為：54.9%、56.6%、57.4%，可知隨著降雨強(qiáng)度的增加，管道超負(fù)荷狀態(tài)為2的數(shù)量增加，管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力下降。根據(jù)《上海市城鎮(zhèn)雨水排水規(guī)劃（2020-2035年）》規(guī)劃方案介紹[3]，現(xiàn)代雨水排水系統(tǒng)應(yīng)基本達(dá)到3-5年一遇的排水能力，則本次研究區(qū)域有56.6%以上的管道沒有達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

選取典型重現(xiàn)期5年一遇的設(shè)計雨型對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)模型進(jìn)行模擬，其運行結(jié)果如圖6所示，在管網(wǎng)系統(tǒng)末端，泵站進(jìn)水管YS3-149!.1的超負(fù)荷狀態(tài)為1，這說明該區(qū)域排水管網(wǎng)系統(tǒng)的末端排水設(shè)施能力不滿足5年一遇，根據(jù)系統(tǒng)末端流量過程線如圖7所示，可知若需達(dá)到5年一遇的管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力，則還需要對末端排水設(shè)施的進(jìn)行提標(biāo)改造。

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（2016版）[4]，內(nèi)澇風(fēng)險劃分依據(jù)如下表所示：

在以上劃分依據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分綜合內(nèi)澇風(fēng)險排列等級，分別為內(nèi)澇低風(fēng)險區(qū)、內(nèi)澇中風(fēng)險區(qū)、內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)。同時，根據(jù)積水深度和積水時間進(jìn)行對應(yīng)的排列組合事件，得到綜合內(nèi)澇風(fēng)險劃分的閾值，以對本次研究區(qū)域不同降雨強(qiáng)度下的綜合內(nèi)澇風(fēng)險分布情況進(jìn)行統(tǒng)計。

基于綜合內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，從而獲得本次研究區(qū)域2年一遇、3年一遇、5年一遇設(shè)計降雨強(qiáng)度下的內(nèi)澇風(fēng)險評估圖，如圖8所示：

隨著重現(xiàn)期的增加，降雨量變多，地面積水的面積逐漸擴(kuò)大，但通過對以上結(jié)果的分析可知，本次研究區(qū)域在5年一遇的重現(xiàn)期下不存在內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)，且內(nèi)澇低風(fēng)險區(qū)面積僅占整個研究區(qū)域的5%左右。

4 結(jié)論與建議

（1） 本文基于InfoWorks ICM模型軟件結(jié)合現(xiàn)狀收集的管網(wǎng)CAD測量資料，搭建了上海某排水系統(tǒng)的雨水管網(wǎng)模型，利用現(xiàn)狀實測的流量數(shù)據(jù)及積水點分布情況進(jìn)行了模型的率定和驗證，使模型具有較好的代表性及可靠性。

（2） 本文分別對研究區(qū)域在不同暴雨強(qiáng)度下的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，綜合考慮區(qū)域的積水深度、積水時間以及管道超負(fù)荷狀態(tài)，對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力進(jìn)行了評估，明確了現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的所能承載的設(shè)計降雨重現(xiàn)期，認(rèn)為現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的排水能力未達(dá)到3年一遇的排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，且在3年一遇的降雨強(qiáng)度下有 56.6%的管道管徑不滿足當(dāng)前的排水需求。本次研究結(jié)果可分析區(qū)域管道的不達(dá)標(biāo)情況，為下一步的管道提標(biāo)改造提供判斷依據(jù)。

（3）本文根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（2016版）[4]中相關(guān)城市內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分的依據(jù)，繪制了研究區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險評估圖，認(rèn)為本區(qū)域在5年一遇的重現(xiàn)期下不存在內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)。為城市內(nèi)澇災(zāi)害緊急預(yù)警方案的編制提供了重要的參考價值，從而為智慧水務(wù)平臺的搭建提供了工程上的相關(guān)借鑒經(jīng)驗。

5 參考文獻(xiàn)

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[4]上海市建設(shè)和交通委員會.室外排水設(shè)計規(guī)范（2016年版）[M]．北京：中國計劃出版社，2006.