基于InfoWorks ICM—2D耦合模型的上海某片區排水系統排水能力分析
摘要：通過建立排水管網數學模型對城市現狀的排水系統能力進行評估是當前較為行之有效的方式之一，本文基于InfoWorks ICM建立了一維及二維耦合的上海某區域排水管網模型并進行驗證，基于該模型對區域的排水管網能力及內澇風險等級進行了評估分析。經評估認為現狀排水管網系統的排水能力未達到3年一遇的排水設計標準，5年一遇的重現期下不存在內澇高風險區。本文的評估結果可以為下一步的管道提標改造提供判斷依據，同時也為城市內澇災害緊急預警方案的編制以及智慧水務平臺的搭建提供參考。
0 前言
在極端降雨情況多發、城市化進程加劇的背景下，城市內澇問題在近年來頻繁進入公眾視野。特別是在城市建成區面積擴張導致硬化面積增大下墊面條件改變的狀況下，綜合徑流系數逐漸變大，現狀的管道規格無法承載增加的匯流雨水量，另外隨著排水系統使用壽命的增加，部分管道出現了淤積、破損現象，導致管道的過水能力減小，綜合以上種種因素，導致在下暴雨時，城市內澇問題頻發。因此對現狀排水管網系統的排水能力預先通過模型進行評估對預防城市內澇是至關重要的。通過計算機建立城市排水系統模型能夠非常有效地輔助排水系統的規劃與設計，當前國內外對此已有相關研究，其中應用較多的商業軟件一般有SWMM模型、HSPF模型、MIKE URBAN模型以及InfoWorks ICM模型等。其中英國WallingFord公司開發的InfoWorks ICM能夠較為快速、精確地模擬降雨徑流過程，且實現了與GIS軟件的對接[1]，在數據的后處理以及結果分析輸出方面具有一定優勢。因此，本文基于InfoWorks ICM建立一維及二維耦合的上海某區域的排水管網模型，對上海某排水系統的排水能力及內澇風險進行評估。
1 研究區域概況
本次研究的排水系統位于上海市內外環間，為已建分流制排水系統。區域采用城市小區強排的排水模式。系統服務范圍為：東起外環運河，西至楊高北路，南起五洲大道、北至洲海路，總服務面積340ha，現狀雨水總管管徑為DN1000～DN2800。系統的現狀雨水泵站位于外環運河邊趙高公路西側，靠近富特東三路、法塞路東南側交口，占地3746m2，1994年建成投用。規模為18.0m3/s，配置6臺ZLB2.8-6.7軸流泵，單泵流量Q=3.0m3/s，揚程H=7.0m，雨水經提升后排入外環運河，3200×2600進水箱涵沿法賽路自西向東接入泵站，出水箱涵為7000～21000×2600。雨水泵站沉井為圓形結構，內徑凈尺寸?26000，在沉井北側設有?1800岔道管，分別連接出水井和進水閘門井。
2 模型構建
2.1 排水系統建立
本工程采用InfoWoksICM軟件，根據現狀管線的CAD測量資料，導入系統的檢查井的位置信息、對應的檢查井地面高程、系統排水管道的管徑及管道的上下游管底標高。根據泵站的平面設計圖導入泵站的集水池容積及水泵的開啟、關閉水位等數據，建立研究區域的排水管網模型。因道路雨水口的模擬對整個系統的排水能力評估影響不大，所以本次研究過程中道路兩邊的雨水口以及相關雨水口連接管不參與模型運算，主要模擬主干管及相關支管，搭建模型共計雨水管段577根，節點558個，管道總長21km，研究區域總面積340ha。對區域內的下墊面進行分析可知本區域為城市建筑密集區，以工業用地及居民用地為主，將不同用地類型的徑流系數通過加權平均得到本研究區域的綜合徑流系數ψ=0.6。基于區域內的地形特征以及河網水系分布情況，在泰森多邊形法的基礎上結合區域實際情況劃分子匯水分區，共計子匯水分區558個。將道路區域高程下跌0.15m，建筑屋頂設置為空白區不參與管網系統與降雨過程的2D耦合（在實際情況下屋頂不可能存在積水情況），研究區域搭建的系統模型如圖1所示。
2.2 降雨徑流邊界
根據上海市短歷時暴雨強度公式修編與設計雨型研究[1]結果，本次研究區域采用芝加哥設計雨型作為上海市短歷時設計雨型，120min雨型的雨峰位置系數r=0.405，結合暴雨強度公式計算得到相應的1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇的設計雨型。
2.3 模型驗證
基于所建立的排水系統管網模型，對區域在不同降雨強度下的運行情況進行模擬。根據模擬結果可知，在2年一遇時，有25.13%的節點存在積水現象，存在積水情況的節點中有44.14%的節點積水深度超過0.15m，以上積水點統計情況與現狀獲得的基礎數據情況一致。同時，實測泵站水量數據與模擬結果吻合較好，說明模型具有一定的可靠性，能夠較為準確地對該區域的排水系統進行評估。
3 排澇能力評價
基于經過驗證的排水管網系統模型，模擬該片區在不同降雨強度下排水系統的運行情況，對模型運行結果進行統計分析。其中，二維模型的總體積水情況如表1所示。其中，一年一遇降雨強度時，區域內路面平均積水時間約為7分鐘，積水總面積為0.05公頃；兩年一遇的降雨出現時，積水面積大幅增加到4.1公頃，路面積水時長24分鐘；三年一遇降雨出現時積水面積較兩年一遇降雨強度增幅48%，達到6.1公頃；降雨強度達到五年一遇時積水面積9.6公頃。
結合二維模型運行結果，分析一維的排水管網運行狀況，首先以典型積水點YS3-317！為例，分析其在不同降雨強度下的溢流洪水流量變化過程，如圖3所示：溢流量與暴雨強度的大小具有一致性，隨著暴雨強度的增加，檢查井溢流流量的峰值越大，前期溢流量增長越快，這一趨勢是符合實際的，也進一步驗證了模型具有良好的匹配度。
其次從模型整體角度分析一維模型的運行結果，如圖4所示，在1年一遇時，積水點71個，占節點總數的12.3%，其中積水深度0.15m以上的20個，占積水點總數的28.2%；在2年一遇時，積水點145個，占節點總數的25.13%，其中積水深度0.15m以上的64個，占積水點總數的44.14%；在3年一遇時，積水點185個，占節點總數的32.06%，其中積水深度0.15m以上的84個，占積水點總數的45.41%；在5年一遇時，積水點231個，占節點總數的40.03%，其中積水深度0.15m以上的111個，占積水點總數的48.05%。可知隨著降雨強度的增加積水點個數增加。同時，從2年一遇開始，積水深度超過0.15m的積水點就占總積水點個數的44%以上，因此認為現狀排水系統的排水能力未達到3年一遇的排水設計標準，導致遭遇較大重現期時的降雨時，城市內澇風險較大。值得注意的是，在排水管道空白區B的附近，道路積水情況較為嚴重，因此后續工程方案應優先對空白區管網系統進行完善。
管道超負荷是指此時管道內的流量已經超過排水管網系統的排水能力，水位已經上升到檢查井內，此時的排水管道由重力出流變為壓力出流[2]。一般來說，管道在出現排水能力不足也就是達到超負荷狀態時，一方面可能是由于自身管徑不足造成，而另一方面則可能是下游管道排水能力不足導致水位升高造成頂托導致。在inforworks ICM中，根據水力坡度與管底坡度的關系，超負荷狀態分為2種情況：當超負荷狀態為1時表示管道上游端或者下游端的水位高于管道內頂面，流量小于等于管道滿負荷量；當超負荷狀態為2時表示管道上游端或者下游端的水位高于管道內頂面，流量大于管道滿負荷量。由此可知當管道超負荷狀態為1時，管道的排水能力不足是因下游發生頂托造成，應對下游管道進行改造；當管道超負荷狀態為2時，管道的排水能力不足是因本身管徑設計偏小，不滿足排水需求造成，應對管道進行擴容。
在本次研究過程中，通過調整降雨的重現期，以模擬不同降雨強度下整個排水管網系統的管道超負荷狀態，模擬結果如圖5所示，可知在1年一遇時，整個排水管網系統有47.0%的管道超負荷狀態為2，51.6%的管道超負荷狀態為1，僅 1.4%的管道不處于超負荷狀態，可知現狀管網系統的排水能力不足，主要是因下游發生頂托造成，應考慮優先改善下游的排水能力。2年一遇、3年一遇、5年一遇管道超負荷狀態為2的管道占比分別為：54.9%、56.6%、57.4%，可知隨著降雨強度的增加，管道超負荷狀態為2的數量增加，管網系統的排水能力下降。根據《上海市城鎮雨水排水規劃（2020-2035年）》規劃方案介紹[3]，現代雨水排水系統應基本達到3-5年一遇的排水能力，則本次研究區域有56.6%以上的管道沒有達到設計標準。
選取典型重現期5年一遇的設計雨型對現狀排水管網模型進行模擬，其運行結果如圖6所示，在管網系統末端，泵站進水管YS3-149!.1的超負荷狀態為1，這說明該區域排水管網系統的末端排水設施能力不滿足5年一遇，根據系統末端流量過程線如圖7所示，可知若需達到5年一遇的管網系統排水能力，則還需要對末端排水設施的進行提標改造。
根據《室外排水設計規范》（2016版）[4]，內澇風險劃分依據如下表所示：
在以上劃分依據的基礎上進一步劃分綜合內澇風險排列等級，分別為內澇低風險區、內澇中風險區、內澇高風險區。同時，根據積水深度和積水時間進行對應的排列組合事件，得到綜合內澇風險劃分的閾值，以對本次研究區域不同降雨強度下的綜合內澇風險分布情況進行統計。
基于綜合內澇風險等級劃分標準，從而獲得本次研究區域2年一遇、3年一遇、5年一遇設計降雨強度下的內澇風險評估圖，如圖8所示：
隨著重現期的增加，降雨量變多，地面積水的面積逐漸擴大，但通過對以上結果的分析可知，本次研究區域在5年一遇的重現期下不存在內澇高風險區，且內澇低風險區面積僅占整個研究區域的5%左右。
4 結論與建議
（1） 本文基于InfoWorks ICM模型軟件結合現狀收集的管網CAD測量資料，搭建了上海某排水系統的雨水管網模型，利用現狀實測的流量數據及積水點分布情況進行了模型的率定和驗證，使模型具有較好的代表性及可靠性。
（2） 本文分別對研究區域在不同暴雨強度下的雨水管網系統進行模擬分析，綜合考慮區域的積水深度、積水時間以及管道超負荷狀態，對現狀排水管網系統的排水能力進行了評估，明確了現狀排水管網的所能承載的設計降雨重現期，認為現狀排水系統的排水能力未達到3年一遇的排水設計標準，且在3年一遇的降雨強度下有 56.6%的管道管徑不滿足當前的排水需求。本次研究結果可分析區域管道的不達標情況，為下一步的管道提標改造提供判斷依據。
（3）本文根據《室外排水設計規范》（2016版）[4]中相關城市內澇風險等級劃分的依據，繪制了研究區域的內澇風險評估圖，認為本區域在5年一遇的重現期下不存在內澇高風險區。為城市內澇災害緊急預警方案的編制提供了重要的參考價值，從而為智慧水務平臺的搭建提供了工程上的相關借鑒經驗。
5 參考文獻
[1]時珍寶, 上海市短歷時暴雨強度公式修編與設計雨型研究[D].上海市,上海市水務規劃設計研究院,2019-07-04.
[2]華霖富水利環境技術咨詢上海有限公司.城市綜合流域排水模型軟件介紹[R]．上海：華 霖富水利環境技術咨詢上海有限公司，2012.
[3]《上海市城鎮雨水排水規劃（2020-2035年）》規劃方案介紹[J].給水排水,2020,56(06):140.
[4]上海市建設和交通委員會.室外排水設計規范（2016年版）[M]．北京：中國計劃出版社，2006.
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