基于Infoworks ICM模型的排水系统能力分析

高 婷 张 发

(三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002)

近年来，内涝频发已经成为困扰我国城市发展和安全的普遍问题．住建部2010年对全国351个城市进行的专项调查结果显示，2008～2010年，超过60%的城市发生过内涝，其中有137个城市发生内涝的次数超过3次．导致城市内涝的因素有很多，包括气候变化引起的强降雨、城市化导致的下垫面变化、河道湖泊等调蓄容积减少、排水管网设计不合理等[1-3]，其中城市内河与排水管网运行之间缺乏相容性也是造成城市内涝的一个重要原因．在城市内涝模拟中，通常将排水口的河道水位作为管网出口的边界条件[4-6]，仅考虑了河道对城市管网的影响，忽略了排水管网对河道水位的影响．

为了系统全面地分析排水系统的能力，需要将河道纳入排水系统的模拟中．本文以中新生态城起步区为例，采用Infoworks ICM软件建立排水系统模型，在不同设计重现期下对排水系统进行模拟，评估系统的排水能力．

1 研究区域概况

中新生态城位于天津市滨海新区北部，地势总体较为平坦，地面高程主要为2～6 m，呈现出南高北低的特点，场地坡度主要为1度左右．生态城多年平均降水量为545 mm，年平均降水日数为64～73 d．生态城的汛期为6月中旬至9月中旬．汛期的平均雨日在42 d左右，夏季降水量为441～568 mm，占全年降水量的80%～84%，主要集中在7、8月份．

研究区域位于生态城起步区，高程大多在4 m以上．起步区北部为蓟运河故道和惠风溪．蓟运河故道上游有一土坝，无来水；为提高超标洪(潮)水顶托、且遭遇暴雨时生态城的安全保障能力，下游设有防洪闸和排涝泵站．惠丰溪上游设有防洪闸，下游连接蓟运河故道．起步区的雨水经管道收集后分别由雨水泵站A、B排入蓟运河故道和惠风溪，最后由排涝泵站排入蓟运河．研究区域概况如图1所示．

图1 研究区域概况图

2 模型构建

2.1 排水系统输入

采用Infoworks ICM软件进行排水系统的模拟．将城市排水管网进行概化，得到319个节点、329段管网、2段河道和3座泵站，雨水管均为圆形，管径400～2 800 mm；将节点、管道、泵站和河道的属性信息(节点坐标、高程，管长、上下游端管内底高程、管道粗糙系数、管径，泵站设计流量、开闭水位，河道断面等)导入到InfoWorks ICM软件中．

采用泰森多边形法进行子汇水区划分并根据实际情况进行手动调整．排水系统模拟示意图如图2所示．

图2 排水系统概化示意图

2.2 径流模拟

研究区域径流的模拟主要包括产流和汇流两部分，产流采用扣损法，汇流通过非线性水库模型进行模拟．在计算产流量时，将研究区域地面分为透水和不透水两部分，其中不透水部分占总面积的75%．不透水部分扣除初期损失值后默认全部产流，透水部分采用Horton模型计算，主要参数包括初损值、初渗率、稳渗率和衰减率．汇流计算的参数包括不透水区、透水区、管道和河道曼宁系数．通过文献调研和模型手册[7-11]，确定上述参数，参数值见表1．

表1 径流模拟参数值

2.3 降雨设置

对于同一个设计重现期的暴雨，不同历时的雨型在集水区内某个点导致的洪峰流量不同，在集水区上游由短历时高强度的暴雨产生最大洪峰流量，而在集水区的下游，也就是接近管网末端，由较长历时的暴雨产生最大洪峰流量．因此，进行排水管网排水模拟分析时往往要模拟多种历时暴雨．

中新生态城起步区排水管网的设计重现期为3年一遇，排水防涝标准为20年一遇．考虑不同历时，确定模型的降雨为3年1 h、3年2 h、3年3 h和20年24 h，采用天津市滨海新区暴雨强度公式和雨型，降雨时间序列如图3所示．

2.4 参数率定

由于缺乏实测数据，本研究以径流系数作为率定参数．根据室外排水设计规范以及起步区土地利用类型，计算得到起步区综合径流系数0.58．通过参数率定，保证模型的径流系数与计算值相同，参数率定过程见表2．

图3 天津市滨海新区雨型图

率定次数表面类型汇流参数初期损失值/mHorton初渗率/(mm·h-1)Horton稳渗率/(mm·h-1)Horton衰减率/(1·h-1)径流系数初始不透水0．0140．002---透水0．030．007751．330．691不透水0．0140．005---透水0．10．00875330．652不透水0．0140．005---透水0．20．01280820．58

3 模拟结果与分析

为评估排水系统的能力，重现期P=3时模拟6 h(8：00-14：00)，重现期P=20时模拟36 h(8：00至次日20：00)．主要从管道过流能力、河道水位和内涝3方面评估排水系统的能力．

3.1 管道过流能力

将管道模拟所得流量与管道设计流量对比分析，统计过流管道占总管道数的比例，见表3．

表3 过流管段占总管段比例

可以看到，随着降雨历时的增加，管道发生过流的比例有所下降；其中，降雨历时从2 h到3 h，过流比例下降较明显，达到8%．进一步分析管道的排水能力，将管道过流的时间分段统计，得到图4．从图中可以看出，不同降雨历时，管段过流时间有所不同，降雨历时1 h，过流时间在30～60 min的管道所占比例最大；历时2 h，过流时间在0～30 min的管道所占比例最大，60～120 min段次之；历时3 h，各过流时间段的管道所占比例相差不大．

图4 过流管段不同过流时间分类统计图

3.2 蓟运河故道水位

蓟运河故道作为排水系统的同时，也是生态城的重要景观水系，河岸修建有亲水平台，为保证亲水平台的安全性，蓟运河故道水位不得超过亲水平台高程(0.9 m)．图5为不同重现期和降雨历时下模拟得到的蓟运河故道水位变化曲线．当重现期P=3、降雨历时逐渐增加时，蓟运河故道峰值水位增大，且峰值水位出现时间延后．当重现期P=20时，蓟运河故道水位在12：45超过0.9 m，在14：15达到最高水位0.94 m，之后开始下降，16：20时低于亲水平台高程，亲水平台淹没时间超过3.5 h．

图5 蓟运河故道水位变化曲线

3.3 内涝

当降雨超过排水系统的能力时，地面开始积水．室外排水设计规范中规定车行道积水不得超过0.15 m，对积水时间没有规定，本研究以积水超过0.15 m、积水时间超过30 min作为内涝防治的设计标准．在10：30左右，地面开始积水，随着时间的推移，积水范围和深度增加，在12：00左右达到最大值，此后积水逐渐消退，在20：00左右不再变化．在整个模拟过程中，发生过积水的面积为77.81 hm2，最大积水深度为1.45 m，其中64%地面的最大积水深度在0.15～0.3 m之间，且随着最大积水深度增加，积水面积依次减少，如图6所示；积水时间最长为36 h，即到模拟结束，地面一直保持积水状态，53%的地面积水时间在2～6 h之间，如图7所示．

图6 不同积水深度面积统计

图7 不同积水时间面积统计

4 结论与建议

本文以中新生态城起步区为例，基于Infoworks ICM模型，建立包含河道的排水系统模型，评估系统在不同降雨下的排水能力，得出以下结论：1)3年一遇降雨时，过流管道得比例达到70%～80%，管网排水的能力不足；2)20年一遇降雨时，蓟运河故道的水位超过亲水平台高程，影响其安全；3)超过内涝设计标准的面积为77.81 hm2，最大积水深度1.45 m，最长淹没时间36 h；其中64%的积水地面最大积水深度在0.15～0.3 m，53%的积水地面积水时间在2～6 h之间．

为提高系统的排水能力，提出以下建议：1)提高管网的设计标准，增大管径；2)增加透水面积，加大下渗，减小径流量，如透水铺装、植草沟、雨水花园等；3)增设调蓄设施，保证管网排水能力的同时，对蓟运河水位进行错峰调节；4)对长时间积水的区域进行地形处理或增设雨水泵站、管道等措施，快速排除积水，保障城市安全．

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