Infoworks ICM模型在市政污水管网工程设计中的应用

2022-12-30庞红璐，郝韶楠

四川水力发电 2022年6期

庞红璐，郝韶楠

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 引言

城市排水系统是城市基础设施的重要组成部分，对居民居住环境有着重要的意义[1]。随着经济发展、人口增长和城市化进程的加快，城市污水量随之增加，现状排水系统已无法满足当前发展以及环境保护的需求，因此，对现状排水系统进行评估和诊断具有十分重要的意义。对于排水方案的评估与诊断常采用传统分析方法，与之相比，数学模型分析具有速度快、效率高、通用性强等优点，分析计算更加精准[2-3]。目前，国内外应用较多的模型主要包括Infoworks ICM[4-6]、Mike Urban[7-8]、SWMM[9-10]等。其中Infoworks ICM功能最为齐全，可实现管网系统与河网系统的耦合，能较为真实地模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用，且拥有强大的前后处理能力，已广泛地应用于排水系统现状评估、城市内涝积水模拟及城市洪涝灾害风险分析等。

1 研究区域——狮岭村

狮岭村位于广东省佛山市南海区狮山镇西北部，总面积约13.58 km2。狮岭村现状污水收集管网覆盖率不高，生活污水和工业废水大多直接排入河道，造成周边河道水体黑臭，影响城市环境。除部分主干市政道路为分流制外，区域内现状基本为合流制排水体制。狮岭村西片区为狮岭村管网相对独立的一个区域，存在大量管网空白区，污水直接排入附近的水塘渠系，主要问题是污水收集系统不完善。

2 模型构建

2.1 Infoworks ICM模型

Infoworks ICM模型是由英国Wallingford软件公司开发的排水模型，是首款实现在单个模拟引擎内将城市排水管网及河道的一维水力模型同城市/流域二维洪涝淹没模型、海绵城市的低影响开发系统(包括雨水资源的利用)模拟、洪水风险评估等有机整合的软件。Infoworks ICM可以实现城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实地模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用[11]。多应用于城市排水系统的现状评估、改造规划和新建城市化排水系统的设计与规划等方面[12]。

Infoworks ICM排水模型主要包括水文模型、水力模型和综合模型三类，其中水文模型主要是模拟降雨的汇流过程；水力模型主要是模拟坡面和雨污水管网中流速、流量等水力要素的变化；综合模型则是水文和水力模型的结合，应用于雨污水中污染物的排放和传输规律的模拟运用。

2.2 排水模型构建

2.2.1 基本信息导入

利用ICM模型构建狮岭村污水系统相对独立的西片区的排水模型。在基本信息导入模型之前，需要对已有数据进行识别，转换为ICM模型可以识别的数据格式，如CSV、shapefile等。本研究以前期勘察摸排数据为基础，转换为CSV格式文件进行导入。导入的文件基本信息包括管道上下游的高程、管道形状、管径、管道系统类型、流向、检查井坐标、井地面高程等数据。

2.2.2 管网拓扑结构检查及简化

利用ICM模型中的“新纵断面”或者“选择对象的纵断面视图”工具，对管网拓扑结构进行修改、检查和完善，并在翔实的管网摸排数据基础上，对管网进行合理简化，如删除雨水篦子和小区内部管线等，但需要注意的是，要保留小区出户管。对管网进行适当简化的目的，是对污水系统进行瘦身，降低模型计算工作量，提高模型计算速度。

2.2.3 集水区划分

集水区包括雨水分区和污水分区两大类。雨水分区的划分，是根据下垫面类型和管道走向进行初步划分，随后可借助ICM工具生成泰森多边形，该区域共划分雨水分区317个，最小雨水分区60 m2，最大雨水分区1 249 680 m2；污水分区需结合居民点进行划定，根据污水管线分布及走向，通过“连接性”字段分别指向附近的污水管或者就近散排到河网中。

2.2.4 基本参数设置

狮岭村西片区约有5 230人，根据人口密度，给予每个污水分区人口；人均综合生活用水量取270 L/(人·天)，日均旱流污水量按照日均用水量的85%进行折算，污水定额为229.5 L/(人·天)。

3 市政工程设计应用

3.1 现状污水系统问题诊断

市政污水管网属地下隐蔽工程，建设过程中通常是分片区和分期实施，由于建设时序不同，建设标准不统一，通常难以准确掌握地下污水管网数据。通过各种途径收集得到的管网数据类型多样，常见的有CAD设计图纸、竣工图、勘探图、excel表格等，数据的质量也参差不齐，且对勘探过程中发现的设计质量问题无法直观判断[13]。Infoworks ICM 软件可对现状管网进行初步的诊断和分析，如利用SQL工具可快速识别出系统中混、错接的数量和位置，利用纵断面检查工具可识别管道是否存在大管接小管、逆坡等不合理的区域，并针对该区域优先复勘摸排，为勘察摸排提供重点工作范围，减少摸排工作量，同时根据摸排数据对现状管网系统数据进行复核修正，使管网模型与真实情况更为接近。

3.2 规划污水管网截污效果评估

狮岭西片区面积约4.6 km2，居住人口约5 230人，污水管网建设长度约3.60 km，管网密度为0.78 km/km2，存在大量管网空白区，污水多直排入附近的沟塘渠系。根据源头污染物的产生量以及末端管网污染物的通量，评估该片区污水管网截污效果。经估算，旱季源头污染物产生量COD、氨氮、总磷约为9 562.71 kg/30 d、956.26 kg/30 d、127.47 kg/30 d，末端污水管网通量约为2 516.42 kg/30 d、265.53 kg/30 d、37.21 kg/30 d，污水截污率较低，约为26.31%。

规划工况下，新建污水管网约5.34 km，完善现有截污工程，填补现状管网空白区，大大降低了污水直排入河的水量，规划工况下，旱季污水截污率可达到94.87%，截污效果显著。现状及规划工况狮岭西片区污水收集率见表1。

3.3 污水管网输水能力评估

管道的负荷状态指管道内水流的充满程度，Infoworks ICM定义“超负荷状态”来反映管道的负荷状态[14]。本文选取3个超负荷状态的阈值(0.8，1，2)对管网输水能力进行评估，超负荷状态阈值表示的含义见表2。

表2 超负荷状态阈值表示的含义

规划工况下，污水管道超负荷状态统计见表3。当S<0.8时，运行的管道比例为82.97%，具有应对水量变化的能力，排水高峰期污水溢流风险低；当0.8≤S<1时，运行的管道比例为2.72%，满载运行的管道比例为14.60%，主要是由于下游管道过流能力限制而导致的超负荷；区域不存在管道流量大于管道设计能力而导致超负荷的情况。管道最不利情况和超负荷断面示意图分别见图1、2。