基于InfoWorks ICM模型的武汉市C城区排涝能力与渍水风险评估

张文博，毛 毅，杨 超

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉430021）

0 引言

随着近年来武汉经济快速发展以及城市化进程的进一步加速，城市下垫面的硬化比例也不可避免地持续上升，同时叠加愈发频繁的极端降雨气候，导致城区内涝风险日益增加。因此，借助快速发展的计算机技术，在实际降雨造成的灾害发生之前，对城区的排涝能力及渍水风险进行评估分析并以此为依据制定切实有效的应对方案便具有显著的意义。

雨洪模拟研究始于20世纪四五十年代的西方发达国家［1］，经过半个多世纪的发展演进，目前已诞生了几款较为成熟的城市雨洪模型软件，如英国Wallingford公司的InfoWorks ICM、丹麦DHI的MIKE以及美国环保署（EPA）研发的开源模型SWMM［2］。其中，InfoWorks ICM作为一款较好地整合了管网河道一维水力模型与城市地表二维洪涝模型的雨洪模型软件［3］，尤为学者所青睐，同时也获得了广泛的应用。例如，郭芝瑞等［4］借助InfoWorks ICM软件模拟优化确定了调蓄池的位置；叶陈雷等［2］利用InfoWorks ICM建立了福州市江北城区的一维河网模型并模拟了晋安河的水位变化情况；魏忠庆等［5］通过InfoWorks ICM搭建的F市排水系统耦合模型找到了渍水原因并给出了解决方案；于晨晖等［6］利用InfoWorks ICM评价了H镇污水管网的输水能力，对泵站排水量进行优化，提升了系统运行效率；吴彦成等［7］则基于InfoWorks ICM建立了咸阳市主城区的一维、二维耦合水动力模型，对其排水系统能力及城市内涝风险进行了充分的评估，并给出了合理的建议。

本文以武汉市C城区为研究对象，采用InfoWorks ICM软件搭建了涵盖城市排水管网系统与河湖水系在内的一维、二维耦合模型，并以此为基础对该城区的管网排涝能力及不同降雨条件下的渍水风险进行了评估。

1 研究区排水系统现状

C城区位于平原湖区，沿湖多为地势低洼区，降雨自然汇入湖泊，而湖泊通过港渠与外江相连通，形成水系网络。非汛期时，城区内的雨水可经由港渠自排闸自排出江；汛期时，外江水位高涨，城区雨水经出江口的排涝泵站抽排出江。按雨水的排放出路，C城区全区共划分为3大系统14个排水分区，总面积约86 km2。排水分区分布如图1所示。

图1 C城区汇水分区示意

2 模型基本原理

2.1 地表产汇流模拟

本次模型针对道路、屋顶、铺装及水面等不透水下垫面的降雨产流采用固定径流系数法模拟；针对绿地、裸地等透水下垫面的降雨产流采用Horton下渗法进行模拟。Horton下渗法公式如下：

式中：ft为t时刻的下渗强度，mm/h；f0为初始下渗强度，mm/h；fc为稳定下渗强度，mm/h；t为时间，h；k为下渗衰减系数，1/h。

2.2 水动力模拟

地表产汇流进入雨水管网系统后，在排水管网中的流动状态较为复杂。InfoWorks ICM运用非恒定流数值模拟，采用动力波法离散差分求解圣维南方程组，动态模拟管网和河网的复杂水动力运动，包括重力流、压力流、逆向流和往返流等。

2.3 一维二维耦合模拟

一维水力学模型主要用于模拟管网河道中的水流运动，二维地表模型则可模拟地面积水的漫流演进以及河湖、检查井等与地表的洪涝交互过程。因此，为统筹考虑河湖水系、管网设施及地形与地面构筑物的影响，更全面、真实地模拟城区内涝情况，本次模拟建立了一维、二维耦合模型。

3 模型构建

3.1 数据基础

模型构建的数据基础包括设计降雨数据、勘测管线数据、地形高程数据、城区下垫面数据、水系断面数据以及闸泵等相关排水设施运行数据。

3.2 模型搭建

针对C城区研究范围内的现状雨水管网、排水设施、下垫面和地形高程以及范围外与之相关联的整个蔡甸东湖水系搭建耦合模型，其中C城区范围内搭建一维、二维耦合模型以模拟发生渍水时的地面漫流过程，而C城区范围外则仅用一维模型进行概化。整体模型网络构建结果如图2所示。

图2 C城区现状内涝模型概化结果

3.3 模型率定

采用纳什效率系数法对本次模型进行率定。纳什系数（Ens）表示了实测值与模拟值的偏离程度，取值范围为（-∞，1）。Ens越接近于1，说明模拟值与实测值的偏离程度越小，模拟效果越好；当Ens≥0.65时，表示模拟结果较为可靠。

本次模型率定选择武汉市2016年6月30日—7月6日实测降雨数据（见图3）作为模型率定的降雨事件，通过将湖泊的模拟水位值与降雨期间监测站点的水位实测值进行对比分析，计算其纳什系数。

图3 2016年6月30日—7月6日武汉市7日实测降雨

根据图4、图5以及表1中H湖和S湖的数据分析结果，两个水位站点的水位模拟数据与监测数据的整体吻合度较好，纳什系数均高于0.8，模拟效果非常好。其次，最高水位模拟误差也均控制在合理范围之内。总体而言，模型模拟结果较为可靠，可用于C城区排涝能力及渍水风险的评估分析。

4 结果分析

4.1 排涝能力评估

分别采用重现期为1，3，5年的3 h设计降雨对C城区雨水管网的过流能力进行模拟评估，以降雨过程中的最不利条件下管道是否承压为标准来判断管道排水能力是否不足。评估结果表明：C城区管径超过800 mm的主要雨水管道中约30%不足一年一遇的排放标准，其排水能力有限，此外这些管道大多分布在沿江、沿河及M湖、L湖周边的区域，且这些区域为C城区人口较为密集的老城区，因此影响较大；而满足5年一遇排放标准的管道则占比超过40%，主要集中在新建的四新地区及三环以南地区。因此，总体而言，C城区管网排水能力呈现出老城区较低、新城区较高的局面。C城区详细的管线分布及管道重现期占比如图6及表2所示。

图4 H湖模型校验对比分析

图5 S湖模型校验对比分析

表1 监测站点模拟水位校验

图6 C城区现状雨水管网重现期分布

表2 C城区雨水管道能力统计

4.2 渍水风险评估

4.2.1 风险评判标准

结合相关规范及《武汉市排水防涝系统规划》的常用设定，本次对C城区的渍水风险评估结合区域积水深度及渍水时长这两个因素来制定内涝风险评判标准，具体评判标准如表3所示。

表3 C城区渍水风险评判标准

4.2.2 区域风险评估

根据C城区内涝防治目标，本次模拟分别采用20年一遇及50年一遇的设计降雨来对C城区渍水风险进行评估，结果如下。

（1）20年一遇设计降雨。

在20年一遇降雨条件下，部分区域出现了不同程度的积水，但渍水风险总体可控，高风险区域主要集中在L湖以北的沿河片及M湖以东的沿江片，面积总计约1.52 km2，占C城区研究范围总面积的1.52%，如图7所示。结合管网评估结果及地形分析可知，上述区域渍水风险较高主要是由于管网能力不足以及地势低洼等因素综合造成的。

图7 C城区20年一遇降雨渍水风险评估

（2）50年一遇设计降雨。

在50年一遇降雨条件下，C城区渍水范围及风险程度均有所上升，高风险区域同样主要集中在L湖以北的沿河片及M湖以东的沿江片，但逐渐蔓延到南部的四新片区，其总面积约2.08 km2，占比2.08%，如图8所示。究其原因，同样为管网能力不足及地势较低。

图8 C城区50年一遇降雨渍水风险评估

5 结论及建议

（1）C城区研究范围内管径超过800 mm的雨水管道中，重现期不足1年一遇的管线占比31.96%，重现期在1～3年一遇的管线占比16.32%，重现期在3～5年一遇的管线占比7.67%，而重现期满足5年一遇的管线则占比44.05%。

（2）在20年一遇设计降雨条件下，C城区的渍水风险总体可控；但在应对50年一遇的设计降雨时，C城区研究范围内许多区域都出现了较为严重的积水。两种设计降雨条件下，渍水高风险区域均集中在L湖以北的沿河片区及M湖以东的沿江片区，渍水原因主要为管网能力不足及局部地势低洼。

（3）以现状评估分析结果为依据，建议提高两片高风险区域的排水管网标准，必要时可采用移动泵车对低洼渍水区域进行临时抽排，另外也可结合旧城改造等因地制宜地推进海绵城市建设，以削减源头雨水径流产量。