城市排水模型的应用

■ 黄 俊

文章以甘肃庆阳西峰区的老城区为研究对象构建排水系统水力模型，对现状排水管网的排水能力以及内涝风险进行评估，并针对现有的内涝积水点提出解决方案，最终实现该城市老城区2年一遇小雨不积水，30年一遇大雨不内涝的规划要求。

一、研究方法

本研究以甘肃庆阳西峰区的老城区为研究对象，利用排水模型软件，基于排水管网数据，综合城市下垫面、地形地貌、本地暴雨特征、蒸发量、河湖水位等信息，构建老城区排水系统水力模型。并利用模型对现状排水系统进行评估，识别涝水风险区域，诊断系统的局限性及洪涝成因，并根据设计目标改造现有的排水管网系统，对排涝骨干工程的不同设计方案进行评估，选择最优设计方案，制定相应管理措施，减少本流域的洪涝风险。

二、研究区域排水概况

庆阳市老城区的排水体制以合流制为主。主要包含三个排水分区，现状排水管道合计约为64.49km，管径为d300～2000×2000mm。其中，合流制雨水管道36.88km，分流制雨水管道约为27.61km，但由于城市干道下的排水管道为合流管渠，这些分流排水管道没有对应的排出口，只能混接入合流管渠中，起不到分流制排水的作用。整个老城区排水经由东侧的火巷沟排出。另外，从老城区的地势而言，庆阳市老城区地势呈现南北高、中间低的趋势，具有一定的起伏性，南北方向上局部“高脊”将地形分为几个“锅底”，是造成老城区内涝的重要原因之一。

图1 庆阳市老城区现状排水管渠平面图

三、排水模型构建

本研究采用InfoWorks ICM软件来建立水力模型。首先在软件中导入老城区管网普查数据，包含检查井的坐标、地面高程、管道的管径、上下游底高程等，然后补充缺失的数据，检查并梳理管道的连接性和走向，修正错误的数据信息等，最终建立老城区的排水管网拓扑结构。然后再根据地形，道路和建筑物分布来划分汇水分区，并提取下垫面属性信息，设定相对应的径汇流模型及参数，最终形成老城区排水管网模型。

模型率定与验证则采用历史积水点对照的方法。选取历史上有记录积水情况的较大的三场降雨来开展模拟，得到老城区发生积水位置和深度，然后对比历史上记录的积水数据信息，来调整模型中所设定的汇水面积、径流系数、产流系数、管道粗糙系数、管道沉积物深度等参数，最终确保模拟结果同实际积水数据的误差满足要求。

四、现状评估

（一）现状排水能力评估

基于庆阳市最新的暴雨强度公式，选取1、2、3和5年一遇设计降雨来开展排水管网的现状排水能力评估，以确定老城区排水管网在排放能力上的表现，并统计达标率。模拟结果如下表所示。可以看出，由于老城区排水设施建设年代久远，整个现状排水管渠设计标准整体更为偏低，2年一遇标准以下管线占比达94.44%，1年一遇标准以下管线占比达86.57%，可见现有排水管网排放能力的不足是内涝积水的重要原因。

表1 老城区排水管道排水能力评估表

图3 老城区排水管道排水能力分布图

（二）现状内涝风险评估

基于30年一遇24h设计降雨来模拟老城区的积水情况，然后结合最大积水深度和积水时间两个因素，来划分老城区的内涝风险等级。具体的风险等级划分原则如下表所示：

表2 老城区内涝风险等级划分标准表

根据模拟结果，老城区在发生30年一遇24h降雨时，局部地区积水量大且积水较深。在集中内涝隐患点范围内，高风险积水区域面积2.42ha，中风险积水区域面积8.49ha，低风险积水区域面积2.84ha。

总体来说，老城区范围内涝呈现积水点多，积水深度大，积水范围广等特点，城区承担的内涝风险较大，排涝任务较重；对于老城区内涝的防治和规划设计，需从地势分析、老旧管道改造、低冲击设施建设、应急排涝等多方面着手，建立安全可靠的防涝体系。

五、排水系统改造

图4 老城区现状内涝风险分布图

基于现场踏勘，历史积水情况，以及现状评估的结果，提出将老城区原1个集中的排水分区改造为6个排水分区，实现高水高排，分散和减缓其现状中主要雨水箱涵（现状无改造条件）的过流压力，减缓末端排水顶托，提高排水效率。改造后的排水分区示意图如下所示：

图5 改造后排水分区平面图

六、改造评估

（一）改造后排水能力评估

将新建雨水主干管，内涝点局部整治措施等排水设施导入水力模型，基于1、2、3和5年一遇设计降雨下的模拟结果，排水管网改造后的排水能力改善效果如下：

从上表可以看出，改造后的管网排水能力整体相比现状管网有明显提升，满足2年一遇的管道长度由5.56%提升至84.58%，为老城区排涝提供有力保障。

表3 工程实施前后老城区排水管道排水能力评估结果对比表（占管道总长的百分比）

（二）改造后内涝风险评估

经模拟结果统计，基于上述改造措施，在老城区集中内涝隐患点范围内已无高风险积水区域，中风险积水区域面积减少至0.65ha，低风险积水区域面积减少至0.39ha。内涝风险得到了很大的改善。

表4 老城区改造前后内涝风险等级统计对比表

七、结论

改造后老城区排水管网设计重现期整体相比于现状管网有明显提升，主干管整体满足3～5年一遇及以上建设标准，2年一遇达标率由现状5.56%提升至实施后的84.58%，为城区排涝提供有力保障。当发生30年一遇降雨时，改造方案对老城区内涝积水现象具有较明显的整改提升效果，积水面积由现状的13.75ha减少至1.04ha，减少占比92.44%。

但是本研究中的排水管网模型依然存有优化的提升空间，例如排水系统的基础数据依然存在数据缺失和失真的情况（当前模型通过工程师的经验去假定），在将来的工作中要不断维护模型数据，通过现场调研、业主沟通，甚至实地测量等不断的对模型进行校正。另外，模型校核还主要依赖于利用历史积水点的信息，这种模型校核的精度还比较低，建议以后不断增加实测设置，包括管道流量、地面积水深度和时间等，以不断校核模型；通过不断校核，模型的可信度不断提高，来保证模型在实际工程中的应用。