基于Infoworks ICM的城市排水管网排水能力评估

2018-11-05王诗婧

绿色科技 2018年18期

王诗婧

(上海市政工程设计研究总院，上海 200092)

1 引言

城市雨水管网担负着收集和排出雨水的重责，是重要城市基础设施，而近年来我国许多城市与地区内涝灾害频发，严重影响着人民生活与社会经济，因此对现状排水系统进行诊断与评估，分析现状排水能力，有助于进一步对排水系统进行改造与优化[1]。同时《室外排水设计规范(GB50014-2006)》(2016版)中要求当汇水面积超过2 km2时，宜采用数学模型法计算雨水流量[2]。

排水系统模型经过50多年的发展历程，现如今已涌现出大量成熟的商业化或开源化排水系统水力水质模型，如MIKE URBAN(MOUSE)、SWMM等，这些模型推动了城市水环境治理的研究工作[3, 4]。综合国内外的文献研究及工程表明，应用较为广泛的排水系统模型主要包括：SWMM、DR3M-QUAL、HSPF、MIKE URBAN(MOUSE)和InfoWorks ICM。其中SWMM、MIKE URBAN、InfoWorks ICM三种综合性集成模型，包含水文、水力、水质模块。因而三种模型具备准确模拟排水系统水文水动力过程等优势，可为城市水资源的可持续利用、污染控制、排水管网设计与管理以及城市防洪提供综合决策方案，因而成为城市排水系统治理与研究的主要模型。

2 排水能力分析方法

2.1 Infoworks ICM模型简介

Infoworks ICM是由英国Wallingford模型公司开发的一款综合流域排水系统模型，可以进行一维和二维模拟，广泛用于排水系统现状评估、城市洪涝灾害预测评估、城市降雨径流控制及调蓄设计评估，由一维城市排水管网排水系统水力模型、一维河道系统水力模型、二维城市/流域洪涝淹没模型组成，系统完整模拟城市雨水循环过程，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用[5]。

其主要模块包括：排水管网水力模型(水文模块，管道水力模块，污水量计算模块)、河道水力模型、二维城市/流域洪涝淹没模型、实时控制模块、水质模块、可持续构筑物模块。

水力模块中水流在管道内部以一维圣维南方程组为基础依据进行水动力学计算，它们是一对质量守恒和动量守恒等式，可以完整的模拟管道或渠道内的水力学状态，精确模拟回水和溢流现象。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Q：流量(m3/s)；A：横截面积(m2)；g：重力加速度(m/s2)；θ：水平夹角(度数)；S0：床层坡度；K：输送量(采用柯列勃洛克-怀特或曼宁公式计算)。

水文模块中采用分布式模型模拟降雨-径流，基于详细的子集水区空间划分和不同产流特性的表面组成进行径流计算，主要计算单元包括：初期损失、产流计算、汇流计算。模型中产流模块分为固定比例径流模型、WallingFord固定径流模型、新英国径流模型、美国SCS模型、Green-Ampt渗透模型、Horton渗透模型、固定渗透模型。汇流模型分为双线性水库模型、大型贡献面积径流模型、SPRINT径流模型、Desbordes径流模型、SWMM径流模型。

2.2 排水能力判定标准确定

我国传统排水系统设计时管道内流态按满管均匀流考虑，计算设计流量时的水力坡度等于管底坡度，如图1(a)所示。重力管渠中，形成压力流但尚未溢出地面形成涝水的水力状态分为2种：第1种是管渠的水力坡度小于管底坡度，如图1(b)所示，根据水力学原理，该种状态表明管道已充满，水力坡度小于等于管道坡度，管道排水能力未达到设计降雨的重现期标准，且管道的排水能力主要受到下游管道顶托的限制；第2种是管渠的水力坡度大于管底坡度，如图1(c)所示，此时管道排水能力未达到设计降雨的重现期标准，且管道的排水能力受自身管径的限制。因此，这两种状态都被视为“超载状态”，在评估中，若管道出现“超载”状态，则视为该段雨水管道的排水能力不能满足相应重现期标准。

图1 排水能力判定标准

InfoWorks ICM(城市综合流域排水模型系统)软件可以较为有效准确地对排水管网进行管道排水能力评估，对于上述超载状态1，软件中以值1表示，超载状态2，以值2表示。因此不论超载状态是1或是2，均表示管道不能满足水流排放要求，即达到超负荷状态。

2.3 排水能力分析流程

基于Infoworks ICM的管网排水能力分析的主要流程如图2所示。

图2 排水能力分析流程

3 模型构建

3.1 研究区域概况

研究区域位于我国某东部沿海城市Y市核心区C，Y市位于苏北平原中部，属于北亚热带向暖温带气候过渡地带，地势平坦，区域面积108.73 km2，区内雨水管道总长406 km，区域外河包围、区内河道纵横，属于典型的平原水网城市，采用圩区排水与局部强排相结合排水模式。

3.2 地形与下垫面解析

区域内下垫面情况复杂，建立片区C地理信息系统利用ArcGIS对区域C进行下垫面解析与高程分析，解析结果如图3、4所示。

图3 高程分布情况

图4 下垫面解析结果

研究区域地貌形态属堆积平原，境内地势平坦低洼，地面高程大部分在1.8～2.4 m；进行下垫面解析后，得出以下结论：研究区域为城市密集建成区，居民房屋、商业用地为主，建筑密度高，占总面积的30%，总不透水地面占比接近总面积的60%，绿地率仅为总面积的24.6%，根据《室外排水设计规范》(GB50014-2006)(2016版)中给出的不同地表类型径流系数取值推荐，按照加权平均算法得出研究范围综合径流系数为0.65。

3.3 模型参数确定

根据模型手册以及相关文献得到一定的参数取值范围，根据研究区域综合径流系数，进行参数率定得到最终参数取值(表1)。

3.4 管网模型构建

管网模型构建包括检查井坐标、拓扑关系、管道管径、管底标高、管顶标高等基本数据，数据来源于最新管线普查资料，利用地理信息系统ArcGIS软件将信息整合并建立数据库。InfoWorks模型软件与ArcGIS高度耦合，可以直接将ArcGIS数据库导入模型，形成研究区域雨水管网模型(图5)。

表1 模型参数取值

图5 雨水管网模型

3.5 子汇水区划分

对于平原河网区域，河网密布，地势较为平坦，竖向高程分布均匀，因此在这种研究区域基本采用基于传统DEM法和Voronoi图法(通常被成为泰森多边形法)进行子汇水区划分[6]。本文根据地理信息系统(Geographic Information System,GIS)的整合，利用GIS对地块的数字高程图(DEM)进行水文分析，划分出局部流域之后利用泰森多边形再进行划分(图6)。

3.6 降雨雨型设计

Y市最新暴雨强度公式如下：

(3)

式(3)中：i—暴雨强度(mm/min)；P—重现期，a；t—降雨历时，min。

设计暴雨的降雨过程(降雨强度随时间的分配)称为设计暴雨时程分配雨型。根据国内外雨型研究论文及试验结果，平均雨强以往研究较多，而对降水时空分布变化的研究较少。在小流域洪水计算的推理公式中，常把雨强作均匀概化，即采用均匀雨型，这与绝大多数实际降雨不符，因此本文按照当地推荐的同频率不同历时平均雨强拟定设计暴雨雨型，及芝加哥法[7, 8]确定Y市暴雨雨型，根据《城镇内涝防治技术规范》(GB51222-2017)中的推荐采用降雨历时为3h以设计雨型(图7)。