Info Works ICM 管网模型在洪涝淹没分析中的应用

王富帅，安航永，秦玉盼

（1.广州禺山水务勘测设计股份有限公司,广东 广州 511400；2.昌吉回族自治州水利管理总站,新疆 昌吉831100）

1 引言

城市洪涝安全是城市划建设和发展过程中十分重要的问题之一,城市排水防涝设施和海绵城市的建设在城市规划阶段显得越来越重要,为贯彻落实习近平总书记防灾减灾救灾重要论述,按源头治理的理念从项目策划阶段开始落实城市内涝治理要求。本文利用Info Works ICM 建立排水管网数学模型对城市现状和规划排水系统能力进行评估,能够为项目在策划阶段落实城市内涝治理要求提供规划依据,有利于规划区域下一步的城市排水管网体系建设和海绵城市建设。

当前国内外已有相关领域的研究,行业中应用较多的商业软件一般有MIKE URBAN 模型、SWMM 模型、HSPF 模型以及InfoWorks ICM 模型等等,其中,InfoWorks ICM 城市综合流域排水模型软件[1]是英国WallingFord 公司开发的一款能够较为快速、精确地模拟降雨径流过程的模拟软件,并在数据的后处理以及结果分析输出方面具有一定优势。本文基于InfoWorks ICM 建立一维及二维耦合的广州市某规划区域的排水管网模型,对该区域的排水能力及内涝风险进行评估。

2 研究区域概况

本项目地块地处广州市番禺北部,东近南沙港快速路,北至三枝香水道,南抵南大干线,西靠员岗下涌,规划范围总面积约378.99 hm2。本次研究范围面积为85.43 hm2,项目研究区域范围见图1。

图1 项目研究范围示意图

现状条件下,根据地形资料和航拍图提取土地利用数据,分为房屋、绿地、道路、裸土、水体五种土地利用类型,见图2。

规划条件下,结合规划区域用地方案划分不同土地利用类型,得到规划状态下的土地下垫面分布情况,见图3。

图3 规划条件下土地下垫面分布

3 排水系统模型的建立

3.1 降雨模型

本次建模考虑的降雨过程共有两种,第一种为百年一遇二十四小时设计暴雨过程,采用番禺区暴雨公式（式（1））计算,得到的降雨过程见图4。

图4 100年一遇24 小时设计暴雨过程图

第二种为五年一遇两小时设计暴雨过程,根据番禺区暴雨强度公式（式（2））计算,计算得到的降雨过程见图5。

图5 5年一遇两小时设计暴雨过程图

3.2 地形数据处理

现状条件下,根据规划范围及其附近区域内1∶500 地形图提取高程数据,在Info Works 中经过高程推断后得到研究区域现状地形,见图6。

图6 现状条件下研究区域地形图

规划条件下,根据规划后的路网节点高程,结合规划道路的走向对研究区域内的高程进行修补,从而得到规划后的地表高程,规划状态下的地表高程见图7。

图7 规划条件下研究区域地形图

3.3 排水管网数据处理

现状条件下,结合集水范围内现有排水管网布局图,参考相关规范对雨水井分布较少的管道进行节点加密,最终得到237 个节点和5 个出水口,根据加密后的节点划分现状排水管道,得到现状下排水管道的节点和出水口布置图,管道数据统计见表1,管道形式均为圆管,最小管径为300 mm,最大管径为1800 mm,管道总长度约为1.23 万m。根据相关文献资料确定管道曼宁系数取值为0.013。

表1 现状条件下管道数据统计表

规划条件下,结合规划区域内雨水管网规划图和规划区域外排水管网现状布局图,得到规划状态下集水范围内排水管网布置。对雨水井分布较少的管道进行加密,最终得到444 个节点和22 个出水口。根据加密后的节点划分排水管道,管道数据统计见表2,管道形式均为圆管,最小管径为300 mm,最大管径为1800 mm,管道总长度约为2.48 万m,管道曼宁系数取0.013。

表2 规划条件下管道数据统计表

3.4 河网处理

根据研究区域现状条件下排水管网布局图,现状条件下区域内的地表径流主要经排水管网排放至陈边涌中,根据规划区域雨水管道规划图,规划状态下规划区域内的地表径流主要经过雨水管网排入员岗下涌和陈边涌,为考虑河道与排水管道之间的连接关系,将陈边涌、员岗下涌和陈边涌概化为明渠管道,排水管道与河涌之间通过排水口连接。考虑河涌水位对管道排水口的顶托作用,采用陈边涌和员岗下涌20年一遇设计洪水位作为排水管道出水口的水位边界。陈边涌设计水位见表3,员岗下涌设计水位见表4。

表3 陈边涌设计洪水位（P=5%）

表4 员岗下涌设计洪水位（P=5%）

3.5 子汇水分区处理

现状条件下,考虑规划区域的集水范围,确定模型一维产汇流区域外边界,根据排水管道的走向和布局划分排水分区,在排水分区内部管道节点进一步划分子汇水区,共得到子汇水区250 个,其分布见图8。

图8 现状条件下子汇水区分布图

规划条件下,结合规划区域雨水管网布置图调整规划区域的集水范围,根据管道走向划分排水分区,在排水分区内部结合排水管网节点分布划分子汇水区,共得到子汇水区共445 个,其分布见图9。

图9 规划条件下子汇水区分布图

本模型采用固定径流系数法对子汇水区进行产流计算,汇流模型选择SWMM。根据图6、图7 中的土地利用类型分布,计算道路、房屋、绿地、裸土和水体五种下垫面类型在各子汇水区内所占比例,采用加权平均得到各子汇水区的产汇流参数,各类型下垫面的产汇流参数参考相关文献确定,见表5。

表5 产流表面相关属性参数表

3.6 二维模型构建

InfoWorks ICM 实现了洪水模拟方案一维（1D）与二维（2D）模型的耦合,1D 模型通常使用以评估排水能力以及提供溢流节点位置及溢流水量,而2D 模型则用来模拟研究区地面洪水流速、流向以及深度等情况。

将地表高程数据导入在InfoWorks ICM 内,生成地表TIN模型。基于地表TIN 模型在InfoWorks ICM 中划定用于模拟内涝积水的2D 区间。实现1D 及2D 模型的耦合,将模型中的检查井节点的洪水类型由Manhole 修改为2D,分别构建得到研究区现状和规划状态下InfoWorks ICM 一二维耦合城市洪涝模型,分别见图10 和图11。

图10 现状条件下InfoWorks ICM 模型

图11 规划条件下InfoWorks ICM 模型

4 计算工况

本次研究计算共考虑3 种计算工况,分别见表6。

表6 计算工况统计表

5 计算结果

5.1 工况一计算结果

工况一条件下模型模拟所得最大淹没水深（图12）、最大水流流速（图13）分布情况,得到洪涝风险等级分布情况,见图14。经分析,现状条件下,研究区域大部分处于无洪涝风险状态（95.00%）,少部分处于中风险（2.40%）和低风险2.60%状态。

图12 工况一最大淹没水深分布图

图13 工况一最大水流流速分布图

图14 工况一洪涝风险等级分布图

5.2 工况二计算结果

工况二条件下,得到最大淹没水深和最大水流流速分布图,见图15、图16,此工况下,研究区域大部分处于无风险状态（95.8%）,少部分处于低风险（3.84%）和中风险（0.38%）状态,洪涝风险等级分布见图17。

图15 工况二最大淹没水深分布图

图16 工况二最大水流流速分布图

图17 工况二洪涝风险等级分布图

5.3 工况三计算结果

工况三模拟得到的百年一遇二十四小时设计暴雨下研区域最大淹没水深分布情况见图18,最大水流流速分布情况见图19。

图18 工况三最大淹没水深分布图

在布设调蓄设施后,研究区域内绝大部分处于为无风险或低风险状态。其中,无风险地区占99%,低风险地区占0.8%,中风险地区占0.2%,洪涝等级风险图分布见图20。

图20 工况三洪涝风险等级分布图

5.4 模型验证

根据以往资料整理,研究区域所在排涝片共2 处历史积水点。2018年的超强台风“山竹”,引起的风暴潮水位超过了以往记录,珠江河道水位达 8.07 m～8.27 m,造成全市多处堤段漫堤及倒灌。经过与工况一模拟结果相比较,部分区域淹没程度不同,原因可能是模型所采用的基础地形资料局部高程与历史高程不同,才导致了部分区域淹没深度发生了变化。另考虑到2018年以来,全市防洪排涝体系和海绵设施建设更加完善,模型工况一的模拟结果与历史淹没情况相比,区域被淹没面积有所减少,是合理的,从而说明了模型模拟结果是可靠的。

5.5 洪涝风险等级评定

根据区域防洪（潮）排涝规划,研究区域防洪标准为200年一遇,堤防级别为1 级。根据《西、北江下游及其三角洲网河河道设计洪潮水面线》（试行）,本项目所在堤段200年一遇设计洪（潮）水位为7.70 m。根据研究区域竖向规划,道路竖向规划标高7.70 m～13.28 m,均不低于200年一遇洪潮水位。研究区域洪水风险等级评定为“低”级。

在按规划布设调蓄设施后,研究范围绝大部分区域遭遇100年一遇24 小时暴雨时最大淹没水深小于0.5 m,为低内涝风险状态。规划条件下区域内涝风险等级评定为“低”级。

综上,研究区域洪涝风险等级综合评定为“低”级。

6 结语

利用Info Works ICM 建立排水管网数学模型,能够有效的对城市排水系统的排水能力进行模拟和评估,得到更为直观的淹没深度和风险等级分布情况,便于项目在策划阶段参照《城市防洪应急预案编制导则》（SL 754-2017）确定项目洪涝风险等级,便于提高城市内涝防治能力,减轻因内涝带来的损失,进一步提升城市水安全。