基于InfoWorks ICM 的内涝风险评估与分析

张枭鸣

（上海勘测设计研究院有限公司,上海 200092）

0 引言

近年来城市内涝灾害频繁发生,对居民的生命财产安全和社会经济发展造成了严重威胁[1-2]。造成城市内涝的主要原因有降雨强度过大、局部地势低洼、地表消纳能力不足、管道标准偏低、河道排水不畅等[3]。

当前国内外应用较为广泛的内涝风险评估模型主要有SWMM、PCSWMM、Digitalwater、HSPF、MIKE URBAN 和InfoWorks ICM 等。其中,InfoWorks ICM 是进行城市排水能力分析、城市内涝灾害成因分析的有力模型工具,它能够准确地模拟降雨径流的过程,可以对从降雨到内涝产生的全过程进行系统的模拟[4-7]。

因此,本文以浙江省某新区为研究区,在系统梳理区域降雨量、地形、下垫面、管网、河道等资料的基础上,基于InfoWorks ICM 构建一维、二维耦合的新区内涝排水模型,对研究区的管网排水能力和内涝风险进行评估。

1 研究区概况

研究区降水量年内分配不均,季节性差异较大,全年有两个降水高峰,分别为5 月～7 月的梅雨和7 月～9 月的台风雨,极易遭受梅雨型洪水和台风型洪水影响,造成洪涝灾害。研究区主要位于圩区内,该圩区的现状排涝标准为20 年一遇24 小时暴雨排出至内河控制水位5.0 m 以下。

研究区位于平原地区,地势低平,现状大部分地块高程在5.0 m～6.0 m,少部分地块高程低于最高控制水位5.0 m。

研究区地形平坦,水网密布,河道间距较小,雨水一般就近、分散排入河道。排水系统由相互独立的多个小区域排水系统组成。现有雨水管网管径偏小,管径为d200～d1000 不等,管网建设标准偏低,再加上部分排水管网存在淤积的现象,一旦遭遇较大暴雨,城市积水受淹时有发生。

2 技术研究手段

2.1 模型介绍

InfoWorks ICM 由英国Wallingford 自主研发,目前已广泛用于城市管网排水能力分析、城市洪涝灾害评估等。

InfoWorks ICM 将城市排水管网系统模型、河道水力模型和二维洪涝淹没模型耦合在一起,既可以模拟城市排水管网系统与河道之间的相互关系,又可以更加准确地模拟城市洪涝淹没情况[8]。本次研究构建的模型主要包括一维城市排水管网系统模型、一维河道水力模型、二维城市洪涝淹没模型。

2.2 模型构建

2.2.1 管网模型

在一维城市排水管网系统水力模型中,模拟过程为降雨通过产汇流计算得到出流过程,再通过检查井等进入城市排水管网系统,最终通过排口进入河道中[9]。管网系统模型搭建需先对管道、检查井、排口等排水设施的基础属性和地理属性进行处理,再将相关数据导入模型中[10]。本次管网模型构建雨水管网节点共513 个,管道共389 条,其中最大管径为1000 mm,最小管径为200 mm。管网模型,见图1。

图1 雨水管网模型

2.2.2 河网模型

排水管网系统与河道之间的相互作用为河道接纳研究区内管网排出的水量,从而影响河道水位,但同时排水管网末端的水位边界条件为河道的水位,又会影响研究区内管网排出的水量。因此需要构建一维河道水力模型,模拟出管网末端水位边界的动态变化,以及它对排水管网系统的影响。研究区内共有10 条河道,模型中河道断面采用概化的矩形断面,形状和高程等几何参数参考各河道河底高程、河底宽等基础数据。最终确定共概化河道35.9 km,河道宽度从10 m 到40 m不等,平均底高程2.0 m。河网模型,见图2。

图2 河网模型

2.2.3 地表模型

二维城市洪涝淹没模型可以模拟出在设计暴雨下,研究区域内地面洪水的流速、流向、深度和淹没时间等。根据收集到的地表高程数据,采用ArcGIS 构建二维地表数字模型,再导入到模型中以生成地表TIN 模型,基于地表TIN 模型对研究区域进行二维区间网络划分,用于模拟城市洪涝淹没情况。本次构建的二维地表模型最终共划分70082 个网格。

2.2.4 模型耦合

完成一维城市排水管网系统模型、一维河道水力模型、二维城市洪涝淹没模型的构建后,将三个子模型进行相互耦合,实现各子模型之间的水量交换,形成最终的内涝排水模型。耦合模型局部区域,见图3。

图3 概化模型局部示意

3 排水能力和内涝风险评估与分析

3.1 设计暴雨

根据《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）,研究区雨水管渠设计重现期采用3 年一遇,内涝防治设计重现期采用20 年一遇。根据区域设计暴雨强度公式和芝加哥雨型计算0.5 年、1 年、2 年、3 年一遇设计暴雨过程,降雨历时为2 小时。20 年一遇设计暴雨过程中1h 设计雨量利用区域设计暴雨强度公式以及芝加哥雨型计算得到,将其纳入最大时段降雨中,研究区为第19 个时段,对其他23 个时段的降雨量根据当地暴雨图集查算,降雨历时取24 h。不同重现期下2 h 设计暴雨过程见图4,20 年一遇24 h 设计暴雨过程见图5。

图4 不同重现期下2 h 设计暴雨（mm/h）

图5 20 年一遇24 h 设计暴雨（mm/h）

3.2 管网排水能力评估

根据管网普查资料,研究区现已覆盖了一定数量的雨水管,研究区域面积为23.5 km2,已建管道总长为77.5 km,每平方千米有管道3.3 km。管网覆盖率较低,仍有管网空白区。

分别在设计重现期为0.5 年、1 年、2 年、3 年一遇的降雨下,应用InfoWorks ICM 模型对研究区域雨水管网排水能力进行模拟,模拟结果见表1 和图6。模拟结果表明,满足3 年一遇排水设计标准的管道占比为16.4%,满足2 年～3 年一遇排水设计标准的管道占比为1.1%,满足1 年～2 年一遇排水设计标准的管道占比为3.0%,满足0.5 年～1 年一遇排水设计标准的管道占比为10.6%,小于0.5 年一遇排水设计标准的管道占比为68.9%。现状排水管网由于建设时间较早,建设标准较低,管径普遍偏小,设计重现期以小于0.5 年一遇为主。遇到3 年一遇暴雨时,仅位于东北部的部分管道满足排水需求。

表1 雨水管网排水能力评估

图6 雨水管网排水能力评估

3.3 内涝风险评估

城市内涝情况受降雨情况、管道排水能力、河道水位、地面高程、下垫面类型等多种因素影响[11-14]。在20 年一遇24 h 设计暴雨下,对研究区域现状内涝风险及其成因进行分析和评价。在20 年一遇24 h 设计暴雨下,对研究区域现状内涝风险及其成因进行分析和评价。研究区内涝风险模拟结果见图7。

根据《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）规定的地面积水设计标准,再结合研究区的实际情况和特点,本次研究认为积水不超过0.15 m 时,该情况不影响行人和机动车辆的通行,可以认为为无风险；而住宅和工商业建筑物的室内地坪通常高于人行道0.15 m 以上,因此当积水深度大于0.15 m 且小于0.3 m 时,城市交通略有不便,对住宅和工商业建筑物影响较小,认为为低风险；当深度大于0.3 m 时,城市交通受到严重影响,对住宅和工商业建筑物的影响也较大,认为为中风险；而当深度大于0.5 m 时,对城市居民的生命安全造成了一定的威胁,认为为高风险。因此,本研究的内涝风险等级按照内涝深度和时间共划分为3个等级,分别为低风险区、中风险区和高风险区。内涝风险等级划分情况见表2。

表2 内涝风险等级划分

结果显示,研究区域在20 年一遇设计暴雨下,低风险区面积为0.13 km2,占比0.6%,中风险区面积1.70 km2,占比7.2%,高风险区面积2.06 km2,占比8.8%。

3.4 内涝风险分析

研究区积水主要发生在下垫面硬质化较为严重、地势较低、管网缺失和管径较小的区域。其中,A 区积水深度多为0.30 m～0.50 m,主要原因为管网缺失,下垫面硬化率较高且地势较低。B 区多为高风险区,主要原因为其北侧地势较高,而南侧管网尚未达标,管网溢流水量向低洼区汇集。C 区管网缺失但无内涝风险是因为其地势较高。D 区管网缺失但无内涝风险是因为多为农田绿地,下垫面硬质化率较低,渗透能力较强。其余内涝风险区域主要是由于管网管径较小,发生溢流。建议完善研究区空白区排水管网系统,并结合道路改造和城市更新等,对未达到设计标准的管网进行达标改造。

4 结论

（1）本文以某新区为研究区,在系统梳理区域降雨、下垫面、管网、河道、地形等资料的基础上,基于InfoWorks ICM 构建1D、2D 耦合的某新区内涝排水模型,对研究区在0.5 年、1 年、2 年、3 年一遇设计暴雨下的雨水管网系统和20 年一遇设计暴雨下的内涝情况进行模拟分析,考虑其管网负荷状态、地面积水深度、地面积水时间,对研究区管网排水能力和内涝风险进行评估。

（2）研究区现状排水系统的排水能力尚未达到3 年一遇的排水设计标准。管网排水能力大部分小于0.5 年一遇,仅有16.4%的管道满足3 年一遇设计暴雨下的排水要求。

（3）在20 年一遇设计暴雨下研究区存在内涝高风险区,主要发生在下垫面硬质化较为严重、地势较低、管网缺失和管径较小的区域。

（4）根据对研究区管网排水能力和内涝风险的评估,建议完善研究区空白区排水管网系统,并对未达到设计标准的管网进行改造。