基于Infoworks ICM的全流域排水模型构建及分析—以青岛市黄岛区小辛河-长安河流域为例

■ 孙建海 王 琳

一、区域背景及管网现状

小辛河-长安河流域位于青岛市西海岸新区，西起海西中路，东到小辛河、大卢河与小辛河、豆金河之间的分水岭，北起沈海高速，南到风河，面积26.8平方公里。流域总体高程5～50米之间，地形北高南低，北部为低矮丘陵，南部地势平坦。小辛河、长安河是该区域主要排洪河道。长安河干流长2.4公里，坡降0.34%，小辛河全长6.4公里，小辛河西支流全长4.1公里现状长安河、小辛河支流及小辛河上游河道在旱季基本干枯，小辛河下游河道在旱季水深约为1米左右。

图1 小辛河-长安河流域区位图

小辛河-长安河流域作为黄岛区的中心城区，已建成以合流制为主、分流制为辅的排水管网，管网总长130.5公里。根据收集的有关部门管网数据结合现场调研，小辛河-长安河流域现状雨水管线管径管长分布如下：

现状排水系统存在的问题：

1.部分管道建设年代较久远，已经达到使用年限；部分管线在穿越河道处污水管道破损，大量污水直接流入下游的河道，造成污染；部分管段淤积堵塞严重， 排水管渠缺乏有效养护，造成排水出路不畅而形成积水。

2.由于城中村问题非常严重，管线改造和铺设的难度加大，有许多地区目前还没有雨水管线，致使雨水散排，在道路低洼处形成积水。

3.黄岛区现有地块开发时缺少相应的防涝设计，无法在源头实现雨水量削减。竖向规划与排水规划不能有效衔接，造成地块开发时出现局部低点，或者局部低洼点，盆地排水不畅，形成积水点。

4.黄岛区大部分河道直排入海，区内部分雨水管网也直排入海，因此，发生天文大潮时，河道及部分管网容易受到潮水顶托。潮水顶托时，河道内洪水无法及时排走。

图2 小辛河-长安河流域汇水范围

二、排水模型建立与分析

本研究的目标为对黄岛小辛河-长安河流域现状排水管网进行现状水力评估，辅助规划改造方案的制定。

（一）建模基础数据

综合数据收集、调研及现场调查，小辛河-长安河流域排水模型数据包括以下材料：

1.现有排水系统资料：包含了小辛河-长安河流域排水系统的管道和检查井信息；

2.道路规划资料：包括道路规划和排水规划；

3.下垫面资料：包括了用地属性数据，汇水区数据；

4.现场实测资料： 包括现状管线淤塞情况、河流水位等；

5.地面模型资料：包括现状地面模型和规划地面模型；

6.降雨资料：黄岛区最新暴雨强度公式；

7.潮位数据；

8.电子地形图等。

（二）一维模型的建立

1.数据导入及处理

将数据导入软件，并结合现场调研及工程经验对数据进行补充，并修正错误数据，建立管网拓扑结构，划分汇水分区，构建小辛河-长安河流域排水模型。区域面积约30平方公里，北至沈海高速，南到风河北路，东到海西路，西至高城路。汇水范围详见图2。

2.水量模拟

以芝加哥雨型作为设计雨型，根据最新黄岛区暴雨强度，得到不同的暴雨重现期下2小时时长的降雨过程线。

黄岛区暴雨强度公式如下：

式中：q-降雨强度（L/S·Ha）

t-降雨历时（min）

P-重现期（年）

计算得出1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇情况下的2小时时长的降雨过程线，如图3所示。

（三）二维模型的建立

1地面高程模型的建立

本次地面高程模型的原始数据主要来自于CAD测绘数据中的高程点，并结合实际测量对误差点进行修正。

2.全流域2D模拟

图3 不同暴雨重现期下降雨过程线

通过现场勘查，结合电子地形图，将包括路边石，挡墙和河道等在内的2D 辅助模拟对象添加至模型中，得到全流域的2D模拟模型，如图4。

3.河道潮位模拟

流域内小辛河及长安河均经风河入海，区内部分雨水管网也直排入海，因此，发生天文大潮时，河道及部分管网容易受到潮水顶托，加剧内涝。本次评估将潮位数据作为管网系统末端边界水力条件来模拟，进行内涝分析时，考虑潮位对内涝的影响。

（四）现状排水管网评估

以现状排水管线的尺寸、坡度为原始数据，结合汇水面积，对小辛河-长安河流域内现状排水管网排水能力进行评估。引入重现期分别为1、2、3、5年120 分钟的设计降雨，分别计算不同重现期下各管网的管道充满度，以此得到管道的管道充满或超负荷评价。根据计算结果，将流域内现状排水管道分为排水能力小于1年一遇、1到2年一遇、2到3年一遇、3到5年一遇、大于5年一遇五类，其各类占比见下表2，在流域内的分布情况见下图5。

图4 全流域的2D 模拟模型

表2 流域内不同排水能力管道占比

图5 不同排水能力管道在流域内分布图

由表2得知，小辛河-长安河流域内现状排水管网中，约 50%的管道不满足1年一遇设计重现期，大约70%的管道不满足2年一遇设计重现期，整体排水能力差。

由图5可以看出，不满足1年一遇重现期的管道大部分位于西侧老城区及城中村内，这些区域建设较早，排水管线配套不完善，管径较小，且区域内硬化的土地占比较大，地势较为起伏，影响了雨水的行泄。

（五）现状管网内涝积水评估

1.内涝标准

黄岛区城市建设用地、区域交通设施用地、区域公共设施用地和特殊用地发生以下情况时，即可认为发生内涝：

（1）发生50年一遇的降雨时，在降雨停止30min后道路中一条车行道的积水深度超过15cm，积水面积超过150m2；

（2）发生50年一遇的降雨时，在降雨停止30min后道路中心积水，且积水面积超过150m2；

（3）发生50年一遇的降雨时，在降雨过程中或者降雨停止后居民住宅和工商业建筑物的底层进水。

图6 长历时雨型分配

图7 50年一遇长历时降雨过程线

2.内涝分析

由于黄岛目前还没有长历时的市政雨型，50年一遇的降雨采用水利行业的长历时雨型，总降雨245mm，历时18小时，最大雨强196mm/h。雨型分配及降雨过程线见图6、图7所示。

根据模拟50年一遇长历时暴雨数据和模型分析，在长历时暴雨18小时的情况下（降雨量达到245mm），超过20%的街道积水超过20cm。大约 60%的检查井满管。

50年一遇长历时暴雨下小辛河-长安河流域内内涝积水情况模拟见图8。

图8 现状50年一遇长历时降雨内涝情况

图9 规划改造后不同排水能力管道在流域内分布情况

三、管网规划方案及评估

（一）管网规划方案

针对现状小辛河-长安河流域现状管网存在的问题，根据青岛西海岸新区排水（雨水）防涝综合规划，对流域内管网进行规划设计，以解决流域内存在的内涝问题。

将流域分为16个汇水分区，结合各区域的实际特点及管网现状，结合地形地貌进行针对性地管网改造。最终排水采用雨污分流制，新建137km 的雨水管网，将雨水就近排入小辛河、长安河，最后汇入风河入海。

（二）规划管网排水能力评估

根据规划的雨水管网，建立水力模拟模型。采用1、2、3、5年一遇降雨的芝加哥雨型线，对规划管网排水能力进行评估。通过模拟发现，规划排水管网仅有8.8%管道不满足3年一遇设计重现期，大约46%的管道能满足5年一遇设计重现期标准。规划改造后不同排水能力管道在流域内分布情况见图9，规划改造前、改造后不同排水能力管道占比对比见下表3。

表3 规划改造前后不同排水能力管道占比对比