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)學模型對城市現(xiàn)狀的排水系統(tǒng)能力進行評估是當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)澇風險等級進行了評估分析。經(jīng)評估認為現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力未達到3年一遇的排水設(shè)計標準，5年一遇的重現(xiàn)期下不存在內(nèi)澇高風險區(qū)。本文的評估結(jié)果可以為下一步的管道提標改造提供判斷依據(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)、城市化進程加劇的背景下，城市內(nèi)澇問題在近年來頻繁進入公眾視野。特別是在城市建成區(qū)面積擴張導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，導致管道的過水能力減小，綜合以上種種因素，導致在下暴雨時，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)先通過模型進行評估對預(yù)防城市內(nèi)澇是至關(guān)重要的。通過計算機建立城市排水系統(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)澇風險進行評估。

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高。根據(jù)泵站的平面設(shè)計圖導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?；趨^(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)域在不同降雨強度下的運行情況進行模擬。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，能夠較為準確地對該區(qū)域的排水系統(tǒng)進行評估。

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)在不同降雨強度下排水系統(tǒng)的運行情況，對模型運行結(jié)果進行統(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度增幅48%，達到6.1公頃；降雨強度達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：溢流量與暴雨強度的大小具有一致性，隨著暴雨強度的增加，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，因此認為現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的排水能力未達到3年一遇的排水設(shè)計標準，導致遭遇較大重現(xiàn)期時的降雨時，城市內(nèi)澇風險較大。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)進行完善。

管道超負荷是指此時管道內(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到超負荷狀態(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致水位升高造成頂托導致。在inforworks ICM中，根據(jù)水力坡度與管底坡度的關(guān)系，超負荷狀態(tài)分為2種情況：當超負荷狀態(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荷量；當超負荷狀態(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，流量大于管道滿負荷量。由此可知當管道超負荷狀態(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)對下游管道進行改造；當管道超負荷狀態(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)對管道進行擴容。

在本次研究過程中，通過調(diào)整降雨的重現(xiàn)期，以模擬不同降雨強度下整個排水管網(wǎng)系統(tǒng)的管道超負荷狀態(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%的管道超負荷狀態(tài)為2，51.6%的管道超負荷狀態(tài)為1，僅 1.4%的管道不處于超負荷狀態(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%，可知隨著降雨強度的增加，管道超負荷狀態(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%以上的管道沒有達到設(shè)計標準。

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，泵站進水管YS3-149!.1的超負荷狀態(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)施的進行提標改造。

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

在以上劃分依據(jù)的基礎(chǔ)上進一步劃分綜合內(nèi)澇風險排列等級，分別為內(nèi)澇低風險區(qū)、內(nèi)澇中風險區(qū)、內(nèi)澇高風險區(qū)。同時，根據(jù)積水深度和積水時間進行對應(yīng)的排列組合事件，得到綜合內(nèi)澇風險劃分的閾值，以對本次研究區(qū)域不同降雨強度下的綜合內(nèi)澇風險分布情況進行統(tǒng)計。

基于綜合內(nèi)澇風險等級劃分標準，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)計降雨強度下的內(nèi)澇風險評估圖，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)澇高風險區(qū)，且內(nèi)澇低風險區(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)域在不同暴雨強度下的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)進行模擬分析，綜合考慮區(qū)域的積水深度、積水時間以及管道超負荷狀態(tài)，對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力進行了評估，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，認為現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的排水能力未達到3年一遇的排水設(shè)計標準，且在3年一遇的降雨強度下有 56.6%的管道管徑不滿足當前的排水需求。本次研究結(jié)果可分析區(qū)域管道的不達標情況，為下一步的管道提標改造提供判斷依據(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)澇風險等級劃分的依據(jù)，繪制了研究區(qū)域的內(nèi)澇風險評估圖，認為本區(qū)域在5年一遇的重現(xiàn)期下不存在內(nèi)澇高風險區(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

[1]時珍寶, 上海市短歷時暴雨強度公式修編與設(shè)計雨型研究[D].上海市,上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計研究院,2019-07-04.

[2]華霖富水利環(huán)境技術(shù)咨詢上海有限公司.城市綜合流域排水模型軟件介紹[R]．上海：華 霖富水利環(huán)境技術(shù)咨詢上海有限公司，2012.

[3]《上海市城鎮(zhèn)雨水排水規(guī)劃（2020-2035年）》規(guī)劃方案介紹[J].給水排水,2020,56(06):140.

[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.