InfoWorks ICM在城市排水系统雨水管网改造中的应用

游 畅

(福州市规划设计研究院，福州 350108)

近年来，受全球气候变化影响，暴雨等极端天气对社会管理、城市运行和人民群众生产生活造成了巨大影响，加之部分城市排水防涝等基础设施建设滞后、调蓄雨洪和应急管理能力不足，很多城市出现了严重的暴雨内涝灾害。为进一步加大城市排水防涝设施建设管理力度，提升城市防御内涝灾害能力，以 Infoworks ICM模型为平台，构建排水系统水力模型，通过典型降雨情景的模拟计算，分析排水系统的运行状态，在此基础上对管网进行优化。

InfoWorks ICM是由英国 Wallingford 开发研制，可实现城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用，它在一个独立模拟引擎内，将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市/流域二维洪涝淹没模型结合在一起，提供了丰富的排水模型构建工具、灵活的水力状况分析工具和强大的模型管理功能。

InfoWorks ICM采用完全求解的圣·维南方程模拟管道明渠流，对于明渠超负荷的模拟采用 Preissmanna Slot方法，能够仿真各种复杂的水力状况。利用贮存容量合理补偿反映管网储量，避免对管道超负荷、洪灾错误预计。

模型建立时，对于连接管渠写出连续性方程和动量平衡方程，对于节点写出水量平衡方程，采用动力波求解完整的圣·维南方程，可以考虑管渠的蓄变、汇水、入口及出口损失、逆流和有压流动。

1 研究区域概况

以宁德市主城区为研究区域，范围为北至西陂塘水闸，南至铁基湾，东至福宁南路、金马南路、东湖塘25孔闸，西至鹤峰南路，总面积约45.3km2。

基于宁德市主城区现状地形图，研究区域内下垫面划分为以下八种：道路、裸土、草地、林地、房屋、水体、透水地面、不透水地面。宁德市主城区不同下垫面类型所占比率见图1。

图1 宁德市主城区下垫面分布图

根据统计结果分析，宁德市主城区建筑密度高，建筑、路面等不透水地面占的比例较大，硬化地表(房屋、道路和不渗水广场)面积约占总面积的31.7%。为构建模型，进一步对宁德市主城区下垫面类型进行矢量化，矢量化结果见图2和图3。

图2 宁德市主城区现状下垫面解析图

图3 宁德市主城区现状DEM分析图

2 排水系统模型构建

2.1 模型建立

概化的原则为概化后的河网和管网与实际的水利特性等效，同时综合考虑闸、泵站、堰、桥梁等构筑的特性，依据河网断面测量资料和管网普查资料，计算各种水利条件下，特征水面的水位变化和流量过程。

根据宁德市主城区的内河水流特性和管网分布情况，将工程区域概化为10570个节点，10192个管渠，7693个子集水区，166个河段，1297条横断面线，85613个多边形。

采用2015年“苏迪罗”台风暴雨模拟宁德市主城区实际易涝点分布和积水图，用于模型的验证。

本次研究计算了以下3种工况：

1)计算2a、3a及5a一遇设计暴雨+管道自由出流工况下，分析宁德市主城区现状排水管网排水能力。

2)计算2a一遇设计暴雨+多年平均水位工况下，分析宁德市主城区积水情况，并识别改造管网区域。

3)计算30a一遇设计暴雨下，分析宁德市主城区在管网优化改造前与改造后的积水情况，并分析对比。

图4 宁德市主城区排水模型概化图

2.2 模型参数

1)排水管网模型参数

本排水管网模型参数主要包括管道糙率、径流系数等。管道糙率根据管道材质确定，见表1。径流系数参考《室外排水设计规范(2014版)》，结合宁德市主城区现状地表情况，取值见表2。

表1 各管道糙率取值表

表2 各下垫面径流系数取值表

2)河道模型参数

河道模型参数主要为糙率。研究区域河道综合糙率取0.025-0.033。

3 设计降雨

1)短历时设计雨型成果

利用宁德市修编暴雨强度公式，建立降雨历时t=120min，以5min为时间步长的不同重现期的短历时降雨雨型，各重现期短历时设计降雨成果见表3。

表3 宁德市各重现期短历时设计降雨成果表

2)长历时设计雨型成果

本次研究采用宁德市的长历时设计雨型，雨量数据来源是宁德雨量站，见表4。

表4 宁德市30a一遇长历时设计降雨成果表

3 模型验证与模拟结果分析

3.1 模型验证

2015年8月8日，受第13号台风 “苏迪罗”外围风圈影响，福建宁德市普降大到暴雨，受灾严重。根据宁德市气象局实测暴雨资料，8日降雨量114.3mm，9日降雨量高达237.2mm。

经调查，宁德市区多处路段内涝：宁德市主城区在八一五东路(锦福城路段)、金涵小区门口、实验学校、会展中心周边路段、和畅路北段、火车站前广场区域等不同路段有不同程度内涝。经模拟分析，积水区域基本与实际内涝点相符。宁德市“苏迪罗”台风暴雨模拟积水图见图6。

台风降雨涝点与模型模拟积水点较为相符，说明本次模型可靠性程度较高，可作为对研究区整体的内涝灾害作出全面而详尽的预测与预警，指导城市防灾减灾而提供依据。

图6 宁德市主城区“苏迪罗”台风暴雨排水模型模拟积水图

3.2 模拟结果分析

1)现状管网排水能力评估

对宁德市主城区的排水管道进行模拟计算，分别模拟管道在遭遇重现期为2a、3a及5a设计降雨时管道的运行情况，水位边界条件采用自由出流。

现状排水管网排水能力评估结果见图7。统计结果见表5。

图7 现状排水管网排水能力评估图

表5 现状管网排水能力统计表

2)改造区域识别

雨水管道实际运行过程中，一般即使管道满管，只要不造成地面超过0.15m积水，就不会造成灾害影响。因此，新建和改造的雨水管道的区域主要为因管网系统自身原因导致的积水严重区域。

考虑到此类积水区域受降雨量、降雨峰值等综合因素影响，降雨不同将导致积水点位置和积水程度也将发生一定变化，为保证确定的管网改造区域具备一定代表性和真实性，因此以2a一遇设计暴雨重现期下的模型模拟积水情况为基础，确定管网改造区域，以达到将区域内积水不超过0.15m的目标。宁德市主城区积水情况见图8。

图8 2a一遇设计暴雨下宁德市主城区积水情况

从积水模拟图分析，积水较为分散。以同时满足积水范围较大、积水深度>15cm 的区域为积水严重区域的选取标准，积水较严重的区域见图8。

3.3 优化改造方案

本研究修改方案，对区域内管网进行如下改造：①新建管渠。根据内涝积水情况结合模型模拟及现状，新建雨水管渠；②改建管道。根据道路实际情况适时对管道进行改建。包括增大雨水管径，改造现状管道倒坡等情况；③清淤管道。对研究区内所有管道进行清淤。

3.4 管网改造效果对比

图9为30a一遇设计暴雨下，宁德市主城区在改造前后的积水情况。从图中可以看出，积水情况有了明显改善，积水面积大幅减小。经统计，积水深度> 0.15m的面积由改造前的624hm2下降至153hm2，下降幅度达75%。改造前后，不同积水深度的面积的变化也存在差异。

表6 宁德市主城区30a一遇降雨积水面积比较表

图9 30a一遇宁德市主城区改造前后积水模拟图

图10 宁德市主城区改造前后不同积水深度积水面积变化情况

4 结 论

1)构建了宁德市主城区Infoworks ICM城市综合流域排水模型，选用2015年13号台风 “苏迪罗”实测暴雨进行模拟分析。结果表明，模拟积水区域与调研的积水区域较为吻合，可见该模型具有良好的精度和可靠性。

2)管网改造效果对比可知，采取管网改造方案以后，宁德市主城区积水情况有所改善，不同积水深度积水面积有减少。因此，采取新建雨水管渠、增大雨水管径、改造现状管道倒坡、清淤管道等综合性措施后，可降低宁德市主城区内涝风险，保障城市安全。