基于InfoWorks ICM的广州市H区流域排水系统模型验证

苟德菲，杨 辉，周午阳，孙志民

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168； 2.广州市市政工程研究总院有限公司，广东广州 510060)

计算机通信技术、网络信息技术的快速发展为城市排水管网的信息化管理开辟了新径，使现代化管理技术与排水管网水力模型、管网监测系统的联合应用成为可能[1]。目前，国内外应用较多的管网模型有SWAT模型、SWMM模型、InfoWorks ICM模型等[2-4]，其中InfoWorks ICM 模型由英国Wallingford 软件公司开发，可应用于城市排水系统设计与规划的各方面[5]。相较于其他模型，InfoWorks ICM能够把城市排水系统模型与河道模型耦合，对城市排水系统进行全流程地模拟，能够更加真实地模拟地表与地下等排水系统在运行中的动态过程[6]。另外，随着城市发展，城市排水系统的动态监测与工作质量的提升必须借助排水管网监测系统，而在保证监测系统安全、可靠的前提下，如何使其得到实用，特别是监测系统存储的大量数据如何使其得到有效利用[7]。本文将从InfoWorks ICM模型验证的角度，引出排水管网监测系统数据的应用途径。

模型验证一般在对建立的模型进行参数灵敏度分析及参数优化校正后进行，其目的是确定该模型是否能准确地反映实际系统的各种动、静态特性，是否可保证所建立的模型符合实际情况，即验证摸拟所得结果与实际监测结果是否吻合[8]，所以模型验证对模型的建立与投入应用具有重要意义。对于验证方法，研究者们探索出多种验证方式。比如，王滢等[9]在无完整监测网络的研究流域中，采用类比方式，结合历史积水资料和相关文献，类比城市内涝防治标准实际24 h降雨的内涝情况完成验证；黄子千等[10]在研究流域中选择特殊位置，对比实测与模拟产生最大深度的时间，考虑时间偏差权重的方式对模型进行验证；王辉等[11]在模型验证中选取7 场完整降雨，包括1年一遇降雨、超标准降雨以及低标准降雨的 3 种降雨类型，考察模型系统产汇流水量与实际管网、泵站运行状态的吻合程度完成验证；高婷等[12]在缺乏实测数据的研究流域中，以径流系数为验证标准，确保计算的径流系数与模型的径流系数值相同的方式完成验证。但是，这些验证方式不仅缺乏实测监测数据或监测系统不完善等问题，同时也忽略了降雨在时间与空间上的不均匀性，比如，以往的研究在验证输入降雨数据时，一般以单点降雨代替面降雨，由此产生的不确定性对模型的输出结果产生较大的影响。

与其他研究者的验证方式不同，文章基于InfoWorks ICM建立的H区流域2D模型，首先在流域中搭建完整的监测系统，收集大量实测数据，并结合监测系统对验证流域进行降雨分区，采用分区多点降雨模拟方式，在模型中分区输入实测降雨数据，将模拟结果与实测液位数据进行对比，考察监测点实测液位与模拟液位数据的最大变化差值对模型进行验证。

1 研究区域概况

区域位于广州市中心腹地越秀区境内的H区流域，该流域北起L湖，南入珠江，全长为4.51 km，汇水面积约为12.47 km2。流域具有较高的城建密度和地面硬化率，排水体制以截流式合流制为主。近年来频发的极端暴雨，导致严重的雨天溢流污染(CSO) 和内涝灾害，水环境问题很严峻。为有效解决流域内内涝问题和溢流污染问题，H区流域正在开展国内第一个深层隧道排水系统工程项目——H区深层排水隧道试验段。

H区深层排水隧道雨季可作为流域合流污水调蓄转输通道，雨后经污水泵组提升后送到污水处理厂，从而提高全流域截污系统的截流倍数，大幅减少流域各渠箱开闸次数，削减雨季流域溢流污染。大型暴雨条件下，作为雨水排涝通道，行使排涝功能，雨水经尾端排洪泵组提升后排至珠江，从而提高流域内合流干渠的排水标准。H区深层排水隧道是大陆首次进行设计与实际应用，因此，进行该项目设计所依据的相关建设标准、技术参数、设计指引，以及运行方式、运行参数等都是空白。尽管香港已建设1条深隧用于泄洪排涝，国外也有较多深层隧道的成功工程案例，但其功能定位、基础条件、运行模式等均与该深层隧道有所区别，可以借鉴国外或香港经验，但不同城市的实际情况依旧存在较大差别。其中，深层隧道的优化调度运行就是其中一项非常重要的研究内容。但由于深层隧道目前处于施工阶段，不能直接对现场进行调度，使优化运行管理难度加大。因此，为给深层隧道的调度运行提供数据支撑，确保调度结果的准确性，研究人员在流域中建立了实时在线监测系统，以获取精确、实时数据；并利用InfoWorks ICM软件建立H涌流域水力模型，作为该流域深隧排水系统运行管理、决策分析的辅助工具。

1.1 模型建立

利用InfoWorks ICM商业软件，根据排水管网中检查井、排水管渠，以及泵站、堰、阀门、拍门等相关排水设施属性数据，并且结合河涌湖泊水系、地表产汇流特性等信息建立排水系统1D模型。在1D模型基础上，提取高程点(X、Y、Z)数据，利用GIS空间分析工具制作地表数字高程模型(DEM)，在此基础上与1D排水模型耦合并进行不规则三角形网格划分，建立了可以模拟地表水浸动态过程的2D水力模型，如图1所示。

图1 H区流域2D排水系统模型界面Fig.1 Model Interface of 2D Drainage System in H Zone Watershed

另外，在建模过程中，根据H区流域排水系统、管网水系特点，将模型流域划分为10个集水区，并根据每个集水区覆盖的用地性质(屋面、道路、铺装、绿地、水面等)通过ATO(用地类型面积提取技术)计算出各集水区覆盖用地类型比值，从而计算出模型各区产汇流参数。根据划分的10个区，结合InfoWorks ICM软件功能，在利用模型进行模拟时，可根据分区输入不同降雨数据。

1.2 监测系统建立

根据国外深层隧道系统调度运行控制经验，汤舒[13]和周午阳等[14]在前期调度研究中对深隧排水系统进行了内涝监测研究，在H区流域的浅层管网内涝情况调研及分析基础上，在流域中选取合理的内涝点安装监测点，并结合物联网及自动化控制等专业技术搭建了排水管网实时监测系统。监测系统2016年9月建立，主要包括数据采集、数据网络传输、数据存储与管理、信息发布四个部分。其中数据采集采用液位计和雨量计，通过调查2010年-2014年流域中内涝情况，选择25个重要内涝点及渠闸位置，安装了25个压力式液位计和5个触发式翻斗式雨量计，分别用以采集排水管网中液位与雨量数据。按每1 min实时计量的在线数据存储于服务器后台，可按监测点进行任何时刻历史数据的查询与提取。

2 模型验证

2.1 降雨区域划分

根据集水区与用地性质模型被划分为10个区，其分别为dd1、dd2、dd3、dd4、dd5、dd6、dd7、dd8、dd9区和dd10区。在模拟降雨过程时可对各区设置不同降雨，即不同区域可以输入不同的降雨数据，并同时进行模拟得出最终结果。根据模型，结合流域中建立的5个雨量监测点，综合考虑雨量计的分布位置、各区域排水管网分布及各小区域水流汇集情况，将模型中10个区划分为5个降雨分区。划分的优势有：①能充分利用雨量计监测数据；②降雨过程通常时空分布不均，导致各个片区降雨量也不相同，或存在较大差异，在一定程度上，分区降雨模拟能减轻只输入一个降雨数据造成的误差，从而保证模型的验证结果更加精确。

模型分区、降雨分区与各区中液位监测计分布如图2所示。表1为降雨分区信息汇总，其中23号、24号、25号液位监测点与湖泊、河涌及珠江液位变化相关，而模型模拟中难以实现实际某场降雨过程中河涌、湖泊及江内液面的实时变化模拟，因此在模型验证过程中将这3个液位监测点舍去。

2.2 监测数据收集与处理

从监测系统存储器中调取2017年1月—2018年9月的在线实测数据，采取数据分类筛选与剔除的方式对数据进行处理，剔除由于监测设备故障或断电等原因导致的数据缺失、数据明显错误以及无变化的无效数据。

表1 降雨分区信息Tab.1 Information of Rainfall Zoning

数据处理发现，一场降雨中5个雨量计同时存在有效数据的降雨事件较少，仅2场。为保证验证结果，增加验证降雨事件，取在同一场降雨中，存在有效数据的雨量计≥4个，且液位监测点存在有效数据的液位点≥10个的降雨事件，共11场。降雨事件汇总如表2所示，表3为各降雨事件的基本概况。

表2 用于验证的11场降雨事件Tab.2 11 Rainfall Events for Validation

表3 降雨事件基本情况Tab.3 Basic Information of Rainfall Events

2.3 验证方法

在模型中确定研究流域中监测点安装位置，便于后续进行模拟结果数据对比。输入雨量数据时，雨量计为5个的降雨事件，按照雨量计对应模型分区直接输入数据。雨量计只有4个的降雨事件，进行以下处理：判断该区是否降雨。方法为考察雨量计设备当时是否运行正常，若运行正常，则认为该区当时未降雨，对应模型区域不输入降雨数据；若设备运行故障，则认为该区当时降雨，应填补该区雨量数据。采取的方式为：缺少数据的雨量计分区降雨数据取其相邻雨量分区降雨数据的平均值，例如，根据表2所示，2017年3月18日的降雨事件，存在有效降雨数据的雨量分区分别为：①号、②号、③号和⑤号，则根据分区图，④号分区降雨数据取③号和⑤号雨量计数据平均值。图3为模型雨量数据输入界面。

图3 模型中雨量输入界面Fig.3 Interface of Rainfall Input in the Model

将收集并整理好的实测降雨数据，导入模型并进行模拟运行。将模拟得出的结果，考察模型中液位监测点的液位变化数据，与该场降雨中液位监测点的实测液位变化数据进行一一对比。《城镇内涝防治技术规范》(GB 51222—2017)规定地面积水深度≥150 mm为发生内涝，为保证模型与实际流域吻合度，且两者存在的误差值处于安全控制范围内，即模型产生的误差不造成内涝风险，模型验证对比差值标准值应小于150 mm;如果实测液位数据与模拟结果数据的最大差值≤150 mm，则认为该液位监测点验证正确。另外，进行验证的降雨事件都有10～15个液位监测点，验证中规定每次验证降雨事件中验证错误的监测点应≤2个，即当每场降雨事件液位监测点验证正确率≥80%时，则认为该场降雨模型验证正确。

3 验证结果分析

图4为2017年3月18日降雨事件模拟验证结果。由图4可知，进行验证对比的监测点有11个，其中10个监测点的实测液位变化数据与模拟数据最大差值<150 mm，仅11号监测点对比最大差值为175 mm，则该场降雨的监测点验证正确率为90.9%。

图4 2017年3月18日降雨事件验证结果Fig.4 Verification of Rainfall Events on March 18, 2017

同理，对其余10场降雨事件进行验证，将得出的结果进行汇总，如表4所示。

由表4可知，模拟验证的11个降雨事件中，仅2个降雨事件的监测点验证正确率未达到80%，则11个降雨事件验证正确事件率为81.8%；在验证正确的9个降雨事件中，进行验证的监测点共115个，验证正确的监测点共97个，则监测点的验证正确率为84.3%；22个液位监测点在11场降雨事件中，仅20号监测点在每场事件中均未验证正确。

表4 11场降雨事件验证结果汇总Tab.4 Summary of Validation Results

4 结论

研究利用监测系统实测雨量及监测点液位数据，对Info Works ICM软件建立的2D排水模型进行验证。根据模型可进行多点分区降雨的特性，结合监测系统中雨量计，将模型进行降雨分区，采用多点分区降雨的模拟验证方式，避免采用单点降雨代替面降雨的问题，减轻了降雨过程时空分布不均造成的验证误差。

研究模型验证结果得出，11个降雨事件验证正确率为81.8%，监测点的验证正确率为84.3%，认为模型与实际排水系统吻合度较高。H区流域水力模型是该流域排水系统改造与深层排水隧道系统调度运行的重要工具，模型与实际系统吻合度较高，有助于提高利用模型评估系统规划调整方案的可靠度，同时为系统优化调度运行提供可靠的理论指导与数据支撑。

另外，随着排水系统中监测系统越来越完善，InfoWorks ICM软件也被越来越多的应用于建立排水流域模型，文章中采用分区多点降雨的模拟验证方式可为同类研究提供参考借鉴，特别是对于研究流域面积较大的模型，采用该验证方式可很大程度避免验证误差，同时，可根据流域面积划分更多降雨分区，以确保验证过程的精确性，从而保证所建模型的可靠度。