基于InfoWorks ICM—2D耦合模型的上海某片区排水系统排水能力分析
摘要：通过建立排水管网数学模型对城市现状的排水系统能力进行评估是当前较为行之有效的方式之一，本文基于InfoWorks ICM建立了一维及二维耦合的上海某区域排水管网模型并进行验证，基于该模型对区域的排水管网能力及内涝风险等级进行了评估分析。经评估认为现状排水管网系统的排水能力未达到3年一遇的排水设计标准，5年一遇的重现期下不存在内涝高风险区。本文的评估结果可以为下一步的管道提标改造提供判断依据，同时也为城市内涝灾害紧急预警方案的编制以及智慧水务平台的搭建提供参考。
0 前言
在极端降雨情况多发、城市化进程加剧的背景下，城市内涝问题在近年来频繁进入公众视野。特别是在城市建成区面积扩张导致硬化面积增大下垫面条件改变的状况下，综合径流系数逐渐变大，现状的管道规格无法承载增加的汇流雨水量，另外随着排水系统使用寿命的增加，部分管道出现了淤积、破损现象，导致管道的过水能力减小，综合以上种种因素，导致在下暴雨时，城市内涝问题频发。因此对现状排水管网系统的排水能力预先通过模型进行评估对预防城市内涝是至关重要的。通过计算机建立城市排水系统模型能够非常有效地辅助排水系统的规划与设计，当前国内外对此已有相关研究，其中应用较多的商业软件一般有SWMM模型、HSPF模型、MIKE URBAN模型以及InfoWorks ICM模型等。其中英国WallingFord公司开发的InfoWorks ICM能够较为快速、精确地模拟降雨径流过程，且实现了与GIS软件的对接[1]，在数据的后处理以及结果分析输出方面具有一定优势。因此，本文基于InfoWorks ICM建立一维及二维耦合的上海某区域的排水管网模型，对上海某排水系统的排水能力及内涝风险进行评估。
1 研究区域概况
本次研究的排水系统位于上海市内外环间，为已建分流制排水系统。区域采用城市小区强排的排水模式。系统服务范围为：东起外环运河，西至杨高北路，南起五洲大道、北至洲海路，总服务面积340ha，现状雨水总管管径为DN1000～DN2800。系统的现状雨水泵站位于外环运河边赵高公路西侧，靠近富特东三路、法塞路东南侧交口，占地3746m2，1994年建成投用。规模为18.0m3/s，配置6台ZLB2.8-6.7轴流泵，单泵流量Q=3.0m3/s，扬程H=7.0m，雨水经提升后排入外环运河，3200×2600进水箱涵沿法赛路自西向东接入泵站，出水箱涵为7000～21000×2600。雨水泵站沉井为圆形结构，内径净尺寸Ø26000，在沉井北侧设有Ø1800岔道管，分别连接出水井和进水闸门井。
2 模型构建
2.1 排水系统建立
本工程采用InfoWoksICM软件，根据现状管线的CAD测量资料，导入系统的检查井的位置信息、对应的检查井地面高程、系统排水管道的管径及管道的上下游管底标高。根据泵站的平面设计图导入泵站的集水池容积及水泵的开启、关闭水位等数据，建立研究区域的排水管网模型。因道路雨水口的模拟对整个系统的排水能力评估影响不大，所以本次研究过程中道路两边的雨水口以及相关雨水口连接管不参与模型运算，主要模拟主干管及相关支管，搭建模型共计雨水管段577根，节点558个，管道总长21km，研究区域总面积340ha。对区域内的下垫面进行分析可知本区域为城市建筑密集区，以工业用地及居民用地为主，将不同用地类型的径流系数通过加权平均得到本研究区域的综合径流系数ψ=0.6。基于区域内的地形特征以及河网水系分布情况，在泰森多边形法的基础上结合区域实际情况划分子汇水分区，共计子汇水分区558个。将道路区域高程下跌0.15m，建筑屋顶设置为空白区不参与管网系统与降雨过程的2D耦合（在实际情况下屋顶不可能存在积水情况），研究区域搭建的系统模型如图1所示。
2.2 降雨径流边界
根据上海市短历时暴雨强度公式修编与设计雨型研究[1]结果，本次研究区域采用芝加哥设计雨型作为上海市短历时设计雨型，120min雨型的雨峰位置系数r=0.405，结合暴雨强度公式计算得到相应的1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇的设计雨型。
2.3 模型验证
基于所建立的排水系统管网模型，对区域在不同降雨强度下的运行情况进行模拟。根据模拟结果可知，在2年一遇时，有25.13%的节点存在积水现象，存在积水情况的节点中有44.14%的节点积水深度超过0.15m，以上积水点统计情况与现状获得的基础数据情况一致。同时，实测泵站水量数据与模拟结果吻合较好，说明模型具有一定的可靠性，能够较为准确地对该区域的排水系统进行评估。
3 排涝能力评价
基于经过验证的排水管网系统模型，模拟该片区在不同降雨强度下排水系统的运行情况，对模型运行结果进行统计分析。其中，二维模型的总体积水情况如表1所示。其中，一年一遇降雨强度时，区域内路面平均积水时间约为7分钟，积水总面积为0.05公顷；两年一遇的降雨出现时，积水面积大幅增加到4.1公顷，路面积水时长24分钟；三年一遇降雨出现时积水面积较两年一遇降雨强度增幅48%，达到6.1公顷；降雨强度达到五年一遇时积水面积9.6公顷。
结合二维模型运行结果，分析一维的排水管网运行状况，首先以典型积水点YS3-317！为例，分析其在不同降雨强度下的溢流洪水流量变化过程，如图3所示：溢流量与暴雨强度的大小具有一致性，随着暴雨强度的增加，检查井溢流流量的峰值越大，前期溢流量增长越快，这一趋势是符合实际的，也进一步验证了模型具有良好的匹配度。
其次从模型整体角度分析一维模型的运行结果，如图4所示，在1年一遇时，积水点71个，占节点总数的12.3%，其中积水深度0.15m以上的20个，占积水点总数的28.2%；在2年一遇时，积水点145个，占节点总数的25.13%，其中积水深度0.15m以上的64个，占积水点总数的44.14%；在3年一遇时，积水点185个，占节点总数的32.06%，其中积水深度0.15m以上的84个，占积水点总数的45.41%；在5年一遇时，积水点231个，占节点总数的40.03%，其中积水深度0.15m以上的111个，占积水点总数的48.05%。可知随着降雨强度的增加积水点个数增加。同时，从2年一遇开始，积水深度超过0.15m的积水点就占总积水点个数的44%以上，因此认为现状排水系统的排水能力未达到3年一遇的排水设计标准，导致遭遇较大重现期时的降雨时，城市内涝风险较大。值得注意的是，在排水管道空白区B的附近，道路积水情况较为严重，因此后续工程方案应优先对空白区管网系统进行完善。
管道超负荷是指此时管道内的流量已经超过排水管网系统的排水能力，水位已经上升到检查井内，此时的排水管道由重力出流变为压力出流[2]。一般来说，管道在出现排水能力不足也就是达到超负荷状态时，一方面可能是由于自身管径不足造成，而另一方面则可能是下游管道排水能力不足导致水位升高造成顶托导致。在inforworks ICM中，根据水力坡度与管底坡度的关系，超负荷状态分为2种情况：当超负荷状态为1时表示管道上游端或者下游端的水位高于管道内顶面，流量小于等于管道满负荷量；当超负荷状态为2时表示管道上游端或者下游端的水位高于管道内顶面，流量大于管道满负荷量。由此可知当管道超负荷状态为1时，管道的排水能力不足是因下游发生顶托造成，应对下游管道进行改造；当管道超负荷状态为2时，管道的排水能力不足是因本身管径设计偏小，不满足排水需求造成，应对管道进行扩容。
在本次研究过程中，通过调整降雨的重现期，以模拟不同降雨强度下整个排水管网系统的管道超负荷状态，模拟结果如图5所示，可知在1年一遇时，整个排水管网系统有47.0%的管道超负荷状态为2，51.6%的管道超负荷状态为1，仅 1.4%的管道不处于超负荷状态，可知现状管网系统的排水能力不足，主要是因下游发生顶托造成，应考虑优先改善下游的排水能力。2年一遇、3年一遇、5年一遇管道超负荷状态为2的管道占比分别为：54.9%、56.6%、57.4%，可知随着降雨强度的增加，管道超负荷状态为2的数量增加，管网系统的排水能力下降。根据《上海市城镇雨水排水规划（2020-2035年）》规划方案介绍[3]，现代雨水排水系统应基本达到3-5年一遇的排水能力，则本次研究区域有56.6%以上的管道没有达到设计标准。
选取典型重现期5年一遇的设计雨型对现状排水管网模型进行模拟，其运行结果如图6所示，在管网系统末端，泵站进水管YS3-149!.1的超负荷状态为1，这说明该区域排水管网系统的末端排水设施能力不满足5年一遇，根据系统末端流量过程线如图7所示，可知若需达到5年一遇的管网系统排水能力，则还需要对末端排水设施的进行提标改造。
根据《室外排水设计规范》（2016版）[4]，内涝风险划分依据如下表所示：
在以上划分依据的基础上进一步划分综合内涝风险排列等级，分别为内涝低风险区、内涝中风险区、内涝高风险区。同时，根据积水深度和积水时间进行对应的排列组合事件，得到综合内涝风险划分的阈值，以对本次研究区域不同降雨强度下的综合内涝风险分布情况进行统计。
基于综合内涝风险等级划分标准，从而获得本次研究区域2年一遇、3年一遇、5年一遇设计降雨强度下的内涝风险评估图，如图8所示：
随着重现期的增加，降雨量变多，地面积水的面积逐渐扩大，但通过对以上结果的分析可知，本次研究区域在5年一遇的重现期下不存在内涝高风险区，且内涝低风险区面积仅占整个研究区域的5%左右。
4 结论与建议
（1） 本文基于InfoWorks ICM模型软件结合现状收集的管网CAD测量资料，搭建了上海某排水系统的雨水管网模型，利用现状实测的流量数据及积水点分布情况进行了模型的率定和验证，使模型具有较好的代表性及可靠性。
（2） 本文分别对研究区域在不同暴雨强度下的雨水管网系统进行模拟分析，综合考虑区域的积水深度、积水时间以及管道超负荷状态，对现状排水管网系统的排水能力进行了评估，明确了现状排水管网的所能承载的设计降雨重现期，认为现状排水系统的排水能力未达到3年一遇的排水设计标准，且在3年一遇的降雨强度下有 56.6%的管道管径不满足当前的排水需求。本次研究结果可分析区域管道的不达标情况，为下一步的管道提标改造提供判断依据。
（3）本文根据《室外排水设计规范》（2016版）[4]中相关城市内涝风险等级划分的依据，绘制了研究区域的内涝风险评估图，认为本区域在5年一遇的重现期下不存在内涝高风险区。为城市内涝灾害紧急预警方案的编制提供了重要的参考价值，从而为智慧水务平台的搭建提供了工程上的相关借鉴经验。
5 参考文献
[1]时珍宝, 上海市短历时暴雨强度公式修编与设计雨型研究[D].上海市,上海市水务规划设计研究院,2019-07-04.
[2]华霖富水利环境技术咨询上海有限公司.城市综合流域排水模型软件介绍[R]．上海：华 霖富水利环境技术咨询上海有限公司，2012.
[3]《上海市城镇雨水排水规划（2020-2035年）》规划方案介绍[J].给水排水,2020,56(06):140.
[4]上海市建设和交通委员会.室外排水设计规范（2016年版）[M]．北京：中国计划出版社，2006.
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