基于InfoWorks ICM—2D耦合模型的上海某片区排水

摘要：通过建立排水管网数学模型来评估城市排水系统的能力是目前更有效的方法之一。本文是基于InfoWorks ICM建立了上海某区域一维二维耦合排水管网模型并进行验证。基于该模型，评估和分析了该区域排水管网的能力和内涝风险水平。经评估，目前排水管网系统的排水能力未达到3年一次的排水设计标准，5年一次的重现期无内涝高风险区。本文的评价结果不仅可以为下一步管道升级改造提供判断依据，还可以参考编制城市内涝灾害应急预警方案和智能水务平台建设。

0 前言

近年来，在极端降雨频发、城市化进程加剧的背景下，城市内涝问题频频进入公众视野。特别是在城市建成区面积扩大导致硬化面积下垫条件变化的情况下，综合径流系数逐渐增大，现状管道规格不能承受增加的汇流雨量。此外，随着排水系统使用寿命的延长，部分管道出现淤积和损坏，导致管道过水能力下降。综合以上因素，暴雨时城市内涝问题频发。因此，通过模型预先评估目前排水管网系统的排水能力，对防止城市内涝至关重要。通过计算机建立城市排水系统模型，可以非常有效地协助排水系统的规划和设计。目前，国内外已有相关研究，其中商业软件应用较多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能够快速准确地模拟降雨径流过程，实现和GIS软件对接[1]在数据后处理和结果分析输出方面具有一定的优势。因此，本文以此为基础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

本研究的排水系统位于上海市内外环境之间，为已建立的分流排水系统。该地区采用城市社区强排水模式。系统服务范围为:东起外环运河，西至杨高北路，南至五洲大道，北至洲海路，总服务面积340ha，目前雨水总管径为DN1000～DN2800。该系统的雨水泵站位于赵高公路西侧，靠近富特东三路和法塞路东南交叉口，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，雨水升高后排入外环运河，3200×2600进水箱涵沿法赛道从西向东接入泵站，出水箱涵7000~21000×2600。雨水泵站沉井为圆形结构，内径净尺寸沉井北侧设有26000出水井和进水闸门井分别连接1800岔道管。

2 模型构建

2.1 建立排水系统

本工程采用InfoWoksICM软件，根据现状管道CAD测量数据、导入系统检查井的位置信息、相应检查井的地面标高、系统排水管的管径、管道的上下游管底标高。建立研究区排水管网模型，根据泵站平面设计图导入泵站集水池体积、水泵开关等数据。由于道路雨水出口的模拟对整个系统的排水能力评价影响不大，道路两侧的雨水出口及相关雨水出口连接管不参与模型操作，主要模拟主管及相关支管，共有577个雨水管段和558个节点，管道总长度为21km，研究区总面积3400ha。通过对该地区下垫面的分析，可以看出该地区是一个城市建筑密集区，主要是工业用地和居民用地。通过加权平均，可以获得不同用地类型的径流系数ψ=0.6。根据区域地形特征和河网水系分布，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558个。道路区域高程下跌0.15m，建筑屋顶设置为空白区，不参与管网系统和降雨过程D耦合(实际情况下屋顶不可能有积水)，研究区域的系统模型如图1所示。

2.2 降雨径流边界

根据上海短历时暴雨强度公式修订设计雨型研究[1]的结果，芝加哥设计雨型作为上海短历时设计雨型，120min雨峰位置系数r=0.405，结合暴雨强度公式，得到相应的一年一遇、两年一遇、三年一遇、五年一遇设计雨型。

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，2年一遇时有25个.13%的节点积水，44%的节点积水.节点14%的积水深度超过0.15m，上述积水点的统计现状获得的基础数据一致。同时，测量泵站的水量数据与模拟结果一致，说明模型具有一定的可靠性，可以更准确地评估该区域的排水系统。

3 排水能力评价

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。二维模型的总体积水情况如表1所示。其中，当降雨强度为一年时，该地区道路平均积水时间约为7分钟，总积水面积为0.05公顷；两年一遇降雨时，积水面积大幅增加到4.1公顷，道路积水24分钟；三年一遇降雨，积水面积比两年一遇降雨强度增加48%，达到6分钟.1公顷降雨强度达到5年一遇时积水面积9公顷.6公顷。

结合二维模型的运行结果，分析一维排水管网的运行情况，首先采用典型的积水点YS3-317！例如，分析不同降雨强度下溢流洪水流量的变化过程，如图3所示：溢流量与暴雨强度一致，随着暴雨强度的增加，检查井溢流量峰值越大，早期溢流量增长越快，这一趋势符合现实，进一步验证了模型的良好匹配。

其次，从模型的整体角度分析一维模型的运行结果，如图4所示，一年一遇时，积水点71个，占节点总数的12个.3%，积水深度为0.15m占积水点总数的28个以上20个.2%；2年一遇时，积水点145个，占节点总数的25个.13%，积水深度为0.15m以上的64个，44点总数的44.14%；三年一遇时，积水点185个，占节点总数的32%.06%，其中积水深度0.15m上述84个，占积水点总数的45个.41%；五年一遇时，积水点231，占节点总数的40%.03%，其中积水深度为0.15m上述111个，占积水点总数的48个.05%。可见积水点数量随着降雨强度的增加而增加。可以看出，积水点数量随着降雨强度的增加而增加。同时，自2年一遇以来，积水深度已超过0.15m积水点占总积水点的44%以上。因此，认为目前排水系统的排水能力不符合三年一次的排水设计标准，导致重现期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附近，道路积水较为严重，因此后续工程方案应优先完善空白区管网系统。

管道过载是指管道内的流量已超过排水管网系统的排水能力，水位已上升到检查井。此时，排水管从重力流向压力流[2]。一般来说，当管道排水能力不足，即达到过载状态时，一方面可能是由于自身管径不足，另一方面可能是由于下游管道排水能力不足，导致顶部支撑。在inforworks ICM根据水力坡度与管底坡度的关系，超载状态分为两种情况：当超载状态为1时，管道上游或下游水位高于管道顶面，流量小于或等于管道满载；当超载状态为2时，管道上下游水位高于管道顶面，流量大于管道满载。可以看出，当管道超载状态为1时，管道排水能力不足是由下游顶部支撑引起的，下游管道应进行改造；当管道超载状态为2时，管道排水能力不足是由于管径设计小，不满足排水需求，管道应扩大。

在本研究过程中，通过调整降雨重现期，模拟整个排水管网系统在不同降雨强度下的管道超载状态。模拟结果如图5所示。可以看出，整个排水管网系统个.0%的管道超载状态为2，51.6%的管道超载状态为1，仅为1 1.4%的管道不超负荷，可见管网系统排水能力不足，主要是下游顶托造成的，下游排水能力应优先提高。2年一遇、3年一遇、5年一遇管道超载状态为2的管道比例分别为：54.9%、56.6%、57.4%，可以看出，随着降雨强度的增加，管道超载状态为2，管网系统的排水能力下降。根据《上海市城市雨水排水规划(2020-2035年)》规划方案[3]，现代雨水排水系统应基本达到3-5年一次排水能力，本研究区56年.超过6%的管道不符合设计标准。

选择重现期5年的典型设计雨型模拟现状排水管网模型，运行结果如图6所示，泵站进水管在管网系统末端YS3-149!.1的超载状态为1，表明该区域排水管网系统的终端排水设施能力不满足5年一次。根据系统的终端流量流程线如图7所示，如果管网系统的排水能力需要达到5年一次，则需要对终端排水设施进行升级和改造。

根据《室外排水设计规范》(2016版)[4]，内涝风险划分如下表所示：

在上述划分的基础上，进一步划分综合内涝风险排列等级，即低内涝风险区、中内涝风险区和高内涝风险区。同时，根据积水深度和积水时间，得到综合内涝风险划分的阈值，统计本研究区不同降雨强度下综合内涝风险分布。

根据综合内涝风险等级划分标准，获得本研究区2年、3年、5年降雨强度下的内涝风险评估图，如图8所示：

随着重现期的增加和降雨量的增加，地面积水的面积逐渐扩大。然而，通过对上述结果的分析，研究区在五年一遇的重现期内没有高涝风险区，低涝风险区仅占整个研究区的5%左右。

4 结论与建议

（1） 本文基于InfoWorks ICM结合现状收集的管网模型软件CAD测量数据构建了上海某排水系统的雨水管网模型，利用现状测量的流量数据和积水点的分布来确定和验证模型，使模型具有良好的代表性和可靠性。

（2） 本文对不同暴雨强度下的雨水管网系统进行了模拟分析，综合考虑了积水深度、积水时间和管道超载状态，评价了现状排水管网系统的排水能力，明确了现状排水管网能承载的设计降雨重现期，认为现状排水系统的排水能力不符合三年一次的排水设计标准。在三年一遇的降雨强度下 56.6%的管道管径不满足当前的排水需求。本研究结果可分析区域管道不达标情况，为下一步管道升级提供判断依据。

（3）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，绘制了研究区内涝风险评估图，认为5年内没有高内涝风险区。为编制城市内涝灾害应急预警方案提供了重要的参考价值，为智能水务平台的建设提供了相关的工程参考经验。

5 参考文献

[1]时珍宝， 上海短历时暴雨强度公式修订设计雨水研究[D].2019-07-04年上海水务规划设计研究院.

[2]华林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 2012年林富水利环境技术咨询上海有限公司.

[3]介绍上海市城市雨水排水规划(2020-2035年)[J].140.

[4]上海建设与交通委员会.室外排水设计规范(2016年版)[M]北京:2006年中国计划出版社.

来源：城建水业

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