基于InfoWorks ICM的历史街区雨水管网系统优化实践

刘云帆，周琪皓，杨新宇

(中规院规划设计公司，北京 100044)

历史街区所呈现的是街区内所有的事物及其环境，随着时间变换叠加出的具有某一时代鲜明特色的缩影。历史街区既是一种艺术，也是一种见证，反映某种地域文化、风俗习惯及生活方式，具有独特的历史价值。当前，如何延续古城文化，维持其生命力，并打上我们这个时代的烙印，实现以人为本的动态街区保护，是对这个时代提出的课题。随着居民对生活环境要求的提升，历史街区内的市政设施短板逐渐凸显，城市水文循环失衡，内涝频现，臭水横流，电路老化，线网杂乱，人与城的矛盾日益加剧。市政基础设施的更新与建设成为实现历史街区的动态保护最迫切的一环。

在旧城历史街区内进行市政基础设施建设与改造，需要综合考虑多方面因素。历史街区的特殊性，老城道路条件的局限性，以及文保建筑对地基扰动的高敏感性，都对市政管线的敷设方式、管线间距、施工工艺等提出了更高要求。要在历史街区的狭窄街巷中实现给水、污水、雨水、电力、通信、燃气六种管线的优化排布，尽可能实现全部市政管线入地敷设，解决雨水管线的优化设计是核心。既要满足城市排水防涝的要求，符合当前古城发展的规划；又要尽可能优化雨水管线路，合理设计管线规模及埋深，优化管位空间。

我国应用InfoWorks ICM模型的案例较多，如苏州、枣庄、上海、厦门鼓浪屿等地的水安全评估或排水管网优化设计，有诸多优势。InfoWorks ICM模型将城市排水管网及河道的一维水力模型与城市流域二维洪涝淹没模型结合在一起，更为真实地模拟地下排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用，系统而完整地模拟城市雨水循环过程，对城市区域内涝模拟效果较佳，尤其可应用于历史街区或有特殊条件限制的道路。本文中的东南某市是国家“双修”试点城市之一，规划片区又为国家首批的30个历史文化街区之一。因此，重振古城功能活力、重铸古城文化意向、重构古城基础设施，对于人、城都是亟需的。

本文以东南某市的古城区为例，结合其独特的历史文化背景和城市发展规划，剖析其现状水安全问题，运用InfoWorks ICM模型软件对片区雨水管线规划方案进行模拟，对比不同方案的内涝风险降低能力，结合多因子的层次分析，最终为古城雨水管网系统优化提出可行性设计，以期为该市的“双修”规划中的雨水工程提出适应性技术，并为其他历史街区的雨水管网系统优化提供经验、范本。

1 规划背景

东南某市处于亚热带海洋性季风气候地区，其气候特点为：年平均气温在19.5～21℃之间，全年无霜期长，沿海地区基本无霜。年降雨量1000～1800mm，自东南部向西北部递增。干、湿季分明，3—9月降水量占全年总降水量的80%，且降水量年际间变化大，少雨年份降水量不及多雨年份降水量的一半。

该市历史悠久，保有较多具有东南地区城市文化特色的古城古建筑，现保留古城区面积约6km2。古城区自唐代起即存有一些内沟河，其原本的排水系统保存比较完善，结构较为完整，错综复杂形如蛛网。但随着时代的变迁，在现代城市的建设过程中，一些原有的内沟河被填埋或被改为暗沟，原始的排水系统被破坏，失去其完整性，导致污水排放不畅，造成城市内涝、水质恶化和河道淤积。

本文规划涉及的建元路片区位于古城历史风貌区的核心区，该片区总汇水面积约73hm2，片区内存在寺庙等大量历史文化保护单位。经过调查，其现状积水点基本分布于古塘路、零号路、打西巷、丹霞路、益民路等地，上述积水点产生原因除了原有雨水管网设计标准较低而管道沟渠规格较小以外，还有当地地形高低起伏较大，其地势较低处容易产生积水，以及片区排水下游处水位较高，降雨强度较大时水量过大不能及时排放从而产生回灌现象。

2 雨水排放现有问题

根据对规划片区内及建元路片区目前排水系统的设计情况、当地高程、排放口水位等多个因素进行的综合研究，分析可得该区域的雨水排放目前主要存在下述三个问题。

2.1 下游水位较高

片区内现有的雨水排放系统设计将雨水排至该规划片区下游的草寮街的雨污合流管渠。但是该处水位较高，虽然排向草寮街益民路路段的排水管径并不小，但与草寮街的排水管渠在竖向不能合理衔接，导致在交汇处排水不通畅，从而容易产生溢流积水的问题。

2.2 设计标准较低

建元路片区的雨水排放系统采取的是雨污合流的排放方式，如图1所示，汇水流域78 hm2，汇水面积大。由于片区内现存排水管渠系统建设时期较早，设计时仍采用建国后设定的排涝标准。而早期标准更加适用于干燥寒冷的北方地区，其标准重现期仅为0.3年一遇，不能适应我国东南地区城市的排涝需求，也不能满足现有GB 50014—2006《室外排水设计规范》中对于暴雨强度重现期规定应取2～5年的要求。另外，在一方面现存排水用的道路边沟规格较小，且老城区的街巷往往较为狭窄、空间较为局促而汇水面积较大，另一方面，随着我国城市的发展，原有雨水排放路径、老城区的道路边沟等在城市建设中遭到不同程度的阻断，因此现有的低设计标准下建设的雨水排放系统已无法满足排水需求。且边沟的设置形式随着地形起伏，其低洼地带容易产生积水。片区内现状积水点主要分布于未进行改造的路段及其下游区域。

2.3 局部地势低洼

根据对于该片区的高程分析，该片区总体而言地势高低起伏较大，呈现北高南低的趋势。建元路以南的街巷总体地势较低，如图2所示，而其中元光南路、水仙大街等街巷局部高程最低，形成区域洼地，本片区大多采取街巷边沟排水的形式，其排水边沟随着地势起伏，因此地势低处排水条件差。对益民路、打西巷两条排水路径的地形纵断面进行分析，分析结果如图3—4所示，图中可见，两条主要排水路径中均存在若干处地势低洼区域，雨水容易在此聚积，且可以看到益民路虽然总体排水条件较好，其下游段地势也过于平缓，水力条件依然不佳，而当以丹霞路-打西巷路段管线为汇流主通道时，受西溪北岸现状建筑的空间分布影响，管线的管径和埋深都受到限制，不能采用过大埋深，较难大规模改造。

图1 建元路东段管网现状

图2 建元路东段片区高程分析图

图3 丹霞路-打西巷地形纵断面图(单位：m)

图4 益民路地形纵断面图(单位：m)

3 方案概述

针对片区排水系统现存问题进行规划设计，由于规划片区东侧悦港路的排水管道设计重现期不足1年一遇，故不考虑向悦港路分流进一步加大其排水负荷。根据目前建元路路段排水管渠的排水条件，初步提出两个方案：方案一是保持原有径流路径，沿原有路径对排水管渠进行扩大或新建；方案二是以建元路-腾飞路-元江路做径流分流减小原有排水路径的排水压力，如图5所示。以下对2个方案的优势及劣势进行详细分析。

图5 古城排水改造的两个规划方案

3.1 方案1

方案简述：保留古城片区原有的排水路径，不采用分流或人为改变雨水汇流通道，具体为保留腾飞路、丹霞路、打西巷、益民路等径流排放雨水管渠，保留建元路现状排水边沟。此外，沿益民路南段、新华东路、打西巷和丹霞路新建排水方涵。方案设计详细情况如图6所示。

图6 方案1管网规划图

方案优势：元江路路段可以保持原状不进行改造，相对来说建元路雨水管径较小，从而更易于施工。

方案劣势：草寮街的水位限制了打西巷与益民路路段管道沟渠的排出口高程。工程所需改造的管道沟渠所处路段大多位于历史文化保护街区范围内，若改造则需拓宽打西巷，受建筑保护影响，改造难度较大。

3.2 方案2

方案简述：高地势的雨水排向高处，具体为将建元路收集的雨水引流至腾飞路、元江路，改造后降低了建元路以南街巷的排水压力。同时实行多点分流的措施，保留建元路的边沟雨水排放系统，并新建向腾飞路、丹霞路、益民路等进行雨水分流的管道沟渠，保证雨水排出畅通。规划方案设计重现期为2年一遇，于建元路、腾飞路新建雨水管道，并接入于元江路的新建管道，最后排至下游的草寮街。详细规划方案及管道规格如图7所示。

图7 方案2(建元路-元江路分流)管网规划

方案优势：该方案可以最大程度降低建元路南部片区的排水压力，减小地区的内涝风险，增加历史街区各专业管线的入地空间。方案提出的需改造管道所处路段基本为较宽主干道路，改造难度相对较低。

方案劣势：不能设置过大的管道坡度，使建元路及元江路需要采用的管径较大，产生较高支护费用。

4 方案建模

为了进一步量化对比上述两个方案，本文根据规划片区降水现状用Info Works ICM软件对降雨过程进行建模分析，建模基于规划片区所在地30年一遇24h降雨数据，如图8所示，以及该市的新编暴雨强度公式。

该市新编暴雨强度公式：

式中，q—降雨强度；t—降雨历时；P—重现期。

接着分别对原始管网、方案一管网改造结果、方案二管网改造结果建立管网模型。管网建模结果如图9所示。管网建模完成后，从管网雨水排放能力、局部淹没情况、洪涝风险应对能力等若干方面对两个方案进行评估。

4.1 管网雨水排放能力

原始管网系统的道路边沟雨水管渠等在片区收集的雨水主要沿丹霞路、打西巷向南排放，部分在益民路下游产生积水。建模分析结果证明积水点主要存在于古塘路、丹霞路、打西巷、新华东路等街巷路段，除益民路建模结果显示积水深度较浅外，其余积水点积水深度均与现状情况相符。如图10—11所示。

图8 30年一遇24h降雨过程线

图9 管网改造情况图

图10 现状模拟排水路径分析

图11 30年一遇24h降雨积水分析

对比原始管网、方案1及方案2的管网的设计重现期来评估管网的雨水排放能力，对比情况如图12所示。可以看出，与原始管网相比，方案1与方案2的管网改造方式均能大幅提高规划区段管网雨水排放能力，但是方案2对管网的排水能力提升效果更加明显，新建管渠的设计重现期可达10年一遇及以上，在雨水排放能力上具有明显优势。

4.2 管网淹没分析

接着在不同的降雨条件下对原始管网、方案1及方案2改造管网进行淹没分析：当设计降雨强度为2年一遇2h降雨时，降水为小雨，规划片区内方案1和方案2的改造方式均无局部淹水情况，具体分析结果如图13所示。

在30年一遇降雨24h的降雨条件下，规划片区内方案1和方案2的改造方式仍能解决大部分内涝问题，但丹霞路局部地势较低处仍有积水，如图14所示。

4.3 管网洪涝风险

接着依据积水深度以及积水时间对洪涝风险进行评价： 洪涝风险分级依据见表1，建模评估结果如图15所示。相比之下，方案2洪涝风险更小，基本不产生积水，或积水深度小于0.15m，在洪涝风险方面，相较而言方案2改造效果更优。

4.4 内涝点积水情况

综合考虑规划区内各自然因素对降水排放过程的影响，结合已知资料，总结出片区内内涝问题的内涝点，如位于打西巷、益民路、古塘路的内涝点。并对上述内涝点进行水位过程线模拟比对，各内涝点积水情况及地面高程情况如图16所示。可以看出，方案1与方案2均能对内涝点的积水问题有所改善，对于打西巷的内涝点，方案1与方案2的积水情况相近，而对于益民路和古塘路的内涝点，显而易见，方案2比方案1的效果更突出，能解决大部分内涝问题，且产生的径流峰值明显低于方案1。综合考虑，方案2的排涝效果更优。

图12 管网能力分析图

图13 2年一遇2h降雨淹没分析图

图14 30年一遇24h降雨淹没分析图

表1 洪涝风险分级一览表

4.5 施工效果

结合近期项目经验分析，方案1改造后内涝问题能基本得到解决，但末端管线埋深过深，容易对文保建筑基础产生干扰。相比之下，方案2涉及到的改造路段更少，埋深也比较浅，更符合对历史街区基础设施的改造原则。而且从上述建模结果来看，以方案2改造后可分流历史街区雨水流量，内涝防治效果优于方案1，但是方案2改造费用高。方案对比情况详见表2。

图15 洪涝风险分析图

图16 内涝点积水情况分析图

最后，利用层次分析法(AHP)，以排涝效果、施工条件、建设成本为主要评价指标，由项目各利益相关方共同确定指标权重。带入AHP模型后计算确定推荐方案。

表2 方案对比表

5 结论

本文针对我国西南地区某历史街区的雨水管网改造项目，分析了现有雨水排放系统存在的问题，并对两个方案的优势及劣势进行分析。基于规划地降雨过程数据、暴雨强度公式及地区高程分布等要素，分别对不同降雨条件下提出改造方案的地区积水深度、积水时间及内涝风险进行了评估，同时，根据已知内涝点进行了降雨水位过程线模拟比对，得出量化结果即方案2的排水效果更好，内涝问题能得到更彻底解决。结合AHP等多因子决策模型，进一步量化分析各方案在排涝效果、对历史街区建筑基础扰动程度、施工难度、工程费用等多指标的优势度，为综合比选最优方案提供可靠参考。