InfoWorks ICM在城市排水管网改造中的应用

摘  要：随着城市现代化的发展，越来越多的老城区需要对现状排水管网提升改造。以西宁市同仁路道路排水管网为例，通过InfoWorks ICM软件建立改造管道的排水水力模型，利用模型对不同改造方案进行模拟验证，找出现状管网系统存在的瓶颈问题，分析积水形成的主要原因，提出改造措施，并用模型评估改善效果，为该排水管网改造的设计方案提供技术支持。

关键词：InfoWorks ICM；排水能力；管网改造

中图分类号：TP39     文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2023）14-0125-05

Application of InfoWorks ICM in Urban Drainage Pipe Network Reconstruction

WANG Xiang

（The 10th Branch of Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Lanzhou  730000， China）

Abstract： With the development of urban modernization， more and more old urban areas need to upgrade and reconstruct the current drainage pipe network. Taking the Tongren Road drainage pipe network in Xining City as an example， the drainage hydraulic model of the reconstruction pipe is established by InfoWorks ICM software. The model is used to simulate and verify different reconstruction schemes， find out the bottleneck problem of current pipe network system， analyze the main causes of water accumulation， put forward reconstruction measures， and use the model to evaluate the improvement effect， so as to provide technical support for the design scheme of the drainage pipe network reconstruction.

Keywords： InfoWorks ICM; drainage capacity; pipe network reconstruction

0  引  言

近年来，随着全球气候异常，我国各省区极端天气较多，自然灾害频发，在全国很多城市发生了严重的暴雨内涝现象，对社会管理、城市运行和人民群众生产生活造成了巨大影响，排水设施建设标准低，雨污分流机制不健全的问题引起了各级政府的高度关注。

为了建立健全城市排水防涝体系，提升污水收集效能，2022年住房和城乡建设部发布《“十四五”黄河流域生态保护盒高质量发展城乡建设行动方案》，系统推进城镇水环境治理。要求到2025年，因地制宜确定沿黄城市排水体制，现状雨污合流区域结合城市更新，具备条件的区域适时进行改造。改造易造成积水内涝问题的排水管网，修复破损和功能失效的排水防涝设施。

为减轻城市洪涝灾害、提前采取应对措施，模型模拟已成为分析洪涝风险、减轻城市内涝影响的有效方法[1]。目前，水力模型软件多用于辅助评估城市排水系统，笔者利用InfoWorks ICM软件，对处于黄河流域范围的西宁市同仁路雨污水管网提升改造进行建模分析，结合道路下排水管网实际情况，通过模拟提出合理的改造方案。

1  研究改造管网现状

西宁市同仁路位于主城区中部，现状道路两侧地块开发成熟，建筑物密度大，类型包括商业、居住、医疗、行政办公、公园广场等用地。道路全长约1.5 km，整体地势南高北低。道路东、西两侧各敷设有合流排水管道1道，西侧现状合流管道管径d400～1 000 mm，沿线接纳相交道路部分雨、污水，东侧现状合流管道管径d400～1 200 mm，西侧合流管道在胜利路口处接入东侧现状合流管道，并最终接入秀水路现状污水箱涵。其中，在勝利路下穿同仁路交叉口处，在下穿地道建设过程中，将原有d1 000 mm雨水管道在胜利路与同仁路交叉口处进行迁改，向东顶管绕行下穿段后，继续向北排入原同仁路d600 mm合流管道，同仁路现状排水系统图如图1所示。

经现场踏勘调研，同仁路合流排水管道建设年代久远，排水管道设计标准偏低（重现期P = 1年），绝大部分管道腐蚀、破损、渗漏严重，沿线混接点较多，现状排水管径偏小，无法满足排水需求，在胜利路口处修建完下穿通道后上游较易出现内涝点。另外道路下大部分雨水主干管道内均有污水，主要是巷道交叉口处污水管道就近混错接入雨水管道，合流管道又接入污水箱涵，导致部分污水直排河道，雨水进入污水箱涵。

考虑到西宁市暴雨强度公式的修订调整和近些年的极端降雨现象，为保证雨污分流效果的完整性，同仁路雨污水管网提升改造方案为废除现状排水管道，新建雨水管道2趟，雨水管道按3年一遇重现期的标准进行设计，新建污水管道1趟。若按此改造方案，维持原排水系统不变的情况下进行改造，胜利路与同仁路交叉口处绕行的雨水管道因为迁改施工时坡度较小，经计算现状d1 000 mm管径无法满足上游雨水的排水需求，但此段雨水管道受已建下穿通道影响已无法拆除进行扩容改造。需结合排水系统，利用模型分析，提出合理的雨水管网改造方案。

2  模型构建

模型的构建和应用过程总体可分为数据整理、模型搭建、质量控制和模型应用四个步骤。

模型需要输入的数据非常多，包括集水区用地性质和地形情况、检查井、管网、排放口以及长短历时降雨雨型的详细信息。仅管网的信息就需要包括长度、管型、管径、管材、坡度、流向、粗糙系数、起始端和终端位置等。将收集到的数据进行整理，整合形成城市排水防涝设施的数据库，用于后期模型的构建以及数据管理。

2.1  管网模型建立

排水管网的数据来自于所在区域的地下管网普查项目数据，数据包括排水管道的类型（含雨水管道和合流管道）、断面形式、管径、管材、管长、管底标高，及相应检查井类型、编号、路面高程。在重点模拟区域，对排水管线信息数据进行人工校核。将改造区域概划为149个节点，7.9 km管线，145个子集水区。

2.2  降雨数据

2.2.1  短历时设计雨型成果

根据《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》要求，短历时暴雨雨型确定的降雨历时采用30、60、90、120、150、180 min共6个历时。本次建模利用西宁市气象局2019年7月发布的暴雨强度公式，建立降雨历时t= 180 min，雨峰系数r = 0.27，以5 min为时间步长的3年一遇的短历时降雨雨型。

2.2.2  长历时设计雨型成果

由于暂未收集到西宁近30年的暴雨雨型资料，因此无法根据实际情况确定长历时降雨雨型。本次研究参考2022年3月住房和城乡建设部发布的《城市排水防涝标准及对应降雨量》，确定西宁市内涝防治标准为50年一遇，对应降雨量为53.5 mm/d。结合《青海省东部地区暴雨洪水图集》，采用浅山脑山区1 h主雨峰对齐的24 h时程分配过程，按照设计暴雨成果，计算50年一遇重现期对应降雨量的24 h分配过程。

2.3  模型参数设置

西宁市主城区已建成区域大多为城市道路、广场、商业区、住宅区，硬化地面急剧增加，道路仍为传统结构，排水主要依赖于道路排水设施。本次根据模拟区域最新实测地形图，将下垫面划分为道路、绿地、小区建筑用地3大类型，并确定各类下垫面的比例、综合径流系数、汇流模型等[2]。不同下垫面类型产汇流属性具体参数如表1所示。

3  管网改造方案模拟结果分析

应用水力模型InfoWorks ICM软件，建立了改造区域相应的水文及排水管网一维水动力计算模型，并结合二维地面模型进行耦合模拟，针对3年一遇的短历时（3 h）降雨和50年一遇长历时（24 h）条件，对地表产汇流及排水系统水动力过程进行演算，模拟排水管网的水动力过程，获得管网系统节点的溢出情况及管道充满度、压力、流量等情况，得出在该工况下改造区范围内雨水管道排水能力和积水情况[3]。

3.1  改造方案管网模型评估

改造方案按原有雨水排水系统保持不变，将同仁路雨水管道管径改造为d1 000 mm，管网末端按规划自南向北最终接入七一路雨水管道。沿线西关大街及五四大街部分路段雨水由同仁路排水管道进行转输。

得出模拟评估结果如图2所示。图中：实线表示管渠运行较差、排水能力严重不足即管渠严重過载；虚线表示管渠能运行，排水能力已满即管渠已经满载；点划线表示管渠运行良好、排水能力满足要求即管渠达标[4]。

模拟结果表明（同仁路原改造方案排水管网剖面图如图3所示），在降雨条件下（3年一遇暴雨强度），同仁路（西关大街到胜利路）段雨水管道为满载状态，当流行经过同仁路与胜利路交叉路口处变坡点后，向东绕行下穿通道的现状d1 000 mm雨水管道处于一个超负载状态，管道承压，输水能力不满足要求，降雨发生后1小时5分时管道输水量达到最高负荷，在交叉路口东南角处出现雨水管冒井现象，冒水水头约为20～30 cm。

而内涝分析（50年一遇暴雨强度）结果显示，转输西关大街部分雨水后，在同仁路与五四大街交叉路口处及五四大街处存在积水内涝风险点位，积水深度最大达30 cm。通过对历史内涝点与模拟内涝结果相对照，发现内涝情况基本吻合，这也验证了模型的可靠性。

3.2  改造路段积水原因分析

根据以上分析结果，改造后的同仁路雨水管道在胜利路以南全线基本处于满载运行状态，而胜利路以北处于非满管状态，其主要原因为胜利路路口处的现状d1 000 mm雨水管道输水能力从路口南侧的变坡点由2.23 m3/s降为1.92 m3/s，为整个区域的“卡脖子”管段。道路产生内涝的原因是该改迁段雨水管道管径不足，并且管段坡降较缓，导致该段排水能力受限，从而使得上游段的管网壅水[5]。因此必须将上游西关大街处雨水进行分流，才能继续利用该段现状雨水管道对雨水进行转输排放。

3.3  优化改造方案管网模型评估

将西关大街雨水在同仁路口分流后，重新对同仁路雨水排水系统进行排水能力分析，优化方案后同仁路主要转输五四大街部分路段雨水，同仁路优化改造方案排水管网排水能力评估图如图4所示。

分析结果显示（同仁路优化改造方案排水管网剖面图如图5所示），在同仁路与胜利路交叉路口处，现状已迁改完成的d1 000 mm雨水管道的输水能力，在3年一遇降雨条件下，雨水管道内水流为承压状态，但不存在冒井风险。随着后期胜利路雨水管道更新改造，胜利路新建雨水管道输水能力增强，在已迁改完成的现状d1 000 mm雨水管道（向胜利路方向）设置溢流管溢流部分雨水至胜利路雨水管道，进而继续对同仁路该管段的部分雨水进行分流，确保排水系统安全。

模拟结果表明，按优化改造方案实施后，在降雨条件下（3年一遇暴雨强度），同仁路与胜利路交叉路口处现状d1 000 mm雨水管道在运行过程中虽处于承压流状态，但承压水头不超1.3 m，无冒井风险发生。改造道路上游区域积水情况明显改善，不存在积水深度超15 cm的涝点。

4  结  论

通过InfoWorks ICM软件对西宁同仁路排水管网改造方案进行模拟评估，进一步验证改造区域现状排水管网的排水能力和内涝风险区域。从模型评估结果可以发现，受现状雨水管道条件制约，原有雨水管道改造方案雨水系统走向不合理，改造后路段仍存在内涝风险。而优化改造方案后，管道雍水情况有所改善，降低城市内涝风险。

借助模型手段进行排水能力和内涝风险评估可为内涝原因分析提供科学支持。对老城区排水管道提升改造或雨污分流改造的不同方案综合分析后，从而比选出最优的技术方案，有效解决了传统水力计算及经验法与实际情况误差大，缺乏全局性和经济性的问题。

参考文献：

[1] 周天泽，梁骞，王艺颖.基于InfoWorks ICM模型的内涝风险评估及综合整治方案构建 [J].中国防汛抗旱，2021，31（5）：12-19.

[2] 李永坤，薛联青，邸苏闯，等.基于Infoworks ICM模型的典型海绵措施径流减控效果评估 [J].河海大学学报：自然科学版，2020，48（5）：398-405.

[3] 袁绍春，王怀鋆，吕波，等.基于InfoWorksICM模型的山地城市老旧建筑小区海绵化改造方案设计及评估 [J].水资源保护，2020，36（5）：43-49+70.

[4] 吴彦成，丁祥，杨利伟，等.基于InfoWorks ICM模型的陕西省咸阳市排水系统能力及内涝风险评估 [J].地球科学与环境学报，2020，42（4）：552-559.

[5] 郑旭强.基于遗传算法的城市雨水排水管网改造优化 [J].陕西水利，2021（6）：22-24+27.

作者简介：王翔（1989—），男，汉族，甘肃兰州人，工程师，本科，研究方向：市政给排水设计。