水力模型软件在城市排水防涝规划中的应用

许丙未

摘 要：随着城市快速发展，配套排水设施规划滞后，导致部分区域雨天排水不畅，甚至积水严重。通过水力模型软件模拟不同降雨情景，对城市现状排水设施进行评估，依据评估结果可以在排水防涝规划中更加有效地针对相关问题提出解决办法。

关键词：InfoWorks ICM；排水防涝

1 城市排水防涝规划规划思路及方法

（1）进行排水系统分区，合理规划排水防涝分区服务范围及涝水行泄通道；（2）根据内涝风险评估结果，确定重点研究区域；（3）利用模型软件，在相应工况下对规划管网模拟，评估排水管网规划方案实施后，主要积水区域分布及积水淹没情况；（4）根据评估分析的结果，对城市平面及竖向加以控制，优先考虑从汇水源头降低城市内涝发生的可能性；（5）根据模拟得出的积水区域及积水量，在防涝分区内规划雨水行泄通道与雨水调蓄设施；（6）整合集成规划防涝方案，利用模型验证规划方案的实施效果。

2 ICM模型简介

InfoWorks ICM采用分布式模型模拟降雨-径流，基于详细的子集水区空间划分和不同产流特性的表面组成进行径流计算。降雨-径流由三个模型部分组成：初始损失、产流和汇流。[1]。InfoWorks ICM集成世界广泛应用的多种模型选项，可满足不同地区用户的需要。

3 评估方法及相关参数确定

3.1 评估方法

基于ICM模型，借助于GIS技术，建立地形模型、降雨模型、排水模型和地面特征模型，模拟内涝在发生的情景。根据积水深度及积水时间开展内涝风险评估，基于情景模拟内涝风险评估法能直观的、高精度地反映一定概率的致灾因子导致的灾害事件的影响范围与程度，能高精度地反映灾害风险的空间分布特征[2]。

采用不同重现期（0.25，0.5，1，2，3，5年）芝加哥降雨雨型，雨峰位置为r=0.4[3]；

评价指标为管道充满度A模拟值，即

A=[S-DH]

式中，A—为管渠充满度；S—为水位高程（米）；D—为管渠底高程（米）；H—为管渠高度（米）。

评估标准：当A大于1时即超过管道排水设计能力；当A不大于1时即满足管道排水设计能力。

3.2 参数确定

设计降雨：5年、30年、50年一遇2小时降雨。径流系数分别采用0.6、0.65、0.70。出口边界条件：泵站强排系统按照泵站实际能力设定；自排系统设置河道水位边界条件。暴雨强度公式依据保定市气象局提供的《河北省主要城市城区暴雨强度公式技术报告》。

4 计算结果分析

4.1 大于15cm积水时间（交通影响时间）情况分析

（1）P=5

保定市中心区积水深度大于15cm的时间低于30min的区域有48.8ha、积水时间在30min～120min的区域有62.1ha、积水时间大于120min的区域有214.3ha。

（2）P=30

保定市中心区积水深度大于15cm的时间低于30min的区域有120.3ha、积水时间在30min～120min的区域有297.7ha、积水时间大于120min的区域有1224.23ha。

（3）P=50

保定市中心区积水深度大于15cm的时间低于30min的区域有233.62ha、积水时间在30min～120min的区域有521.9ha、积水时间大于120min的区域有2262.26ha。

4.2 大于30cm积水时间（居民财产影响时间）情况分析

（1）P=5

保定市中心區积水深度大于27cm的时间低于30min的区域有17.73ha、积水时间在30min～120min的区域有40.2ha、积水时间大于120min的区域有129.69ha。

（2）P=30

保定市中心区积水深度大于27cm的时间低于30min的区域有52.61ha、积水时间在30min～120min的区域有153.0ha、积水时间大于120min的区域有643.49ha。

（3）P=50

保定市中心区积水深度大于27cm的时间低于30min的区域有75.66ha、积水时间在30min～120min的区域有226.8ha、积水时间大于120min的区域有1301.50ha。

4.3 地势及排水设施分析

利用ArcGIS的分析工具，可以对保定市中心区地势进行分析，从地形分析可以看出，虽然保定市中心区整体地形比较平缓，但是仍存在大量局部低洼区，这些局部低洼区可能成为内涝风险区。

虽然保定市中心区管道及泵站能力均不达标，但相比管道，泵站能力更低，因此，规划对发生30年一遇降雨情况下，有无泵站两种情景进行模拟，以分析泵站能力限制对于内涝积水的贡献。根据模拟结果，如果泵站能力与管道能力匹配，积水程度得到很大缓解，内涝风险区面积可下降80%。因此在不改造管线的情况下，提高泵站能力就可以大幅度缓解积水。

5 结语

5.1 低重现期和高重现期降雨均有较大影响

通过结果分析可以发现：无论是发生5年一遇降雨，还是发生30年一遇、50年一遇降雨时，可能影响交通（低、中风险区）的区域面积很大，进入房屋（高风险区）情况也大量存在。

5.2 积水呈现深度大、时间长、但流速不快

通过结果分析可以发现：20年一遇和50年一遇时，积水深度增大，影响交通和可能侵泡车辆的范围大且时间较长，退水较慢，但基本不发生影响行人和车辆稳定性的情况。内涝灾害主要反映在内涝积水无法排除导致浸泡，人员和车辆被冲走可能性较低。

5.3 设施存在瓶颈

根据管道和泵站评估结果，保定市中心区管道及泵站能力普遍不足0.25年一遇，完全无法应对30年一遇降雨。通过模型分析可以发现，当发生30年一遇降雨时，约有88.2%的管段发生溢流，即使提高泵站能力使其与管线能力一致，也仍有75.1%的管线发生溢流，因此排水能力不足是导致内涝的重要原因。

参考文献：

[1] 谭琼.排水系统模型在城市雨水水量管理中的应用研究[D].同济大学，2007.

[2] 高婷，张发.基于Infoworks ICM模型的排水系统能力分析[J].三峡大学学报（自然科学版），2018（3）：15～18.

[3] 戴有学，王振华，戴临栋，曹巧莲，王通.芝加哥雨型法在短历时暴雨雨型设计中的应用[J].干旱气象，2017（6）：1061～1069.