基于InfoWorks ICM模型的陕西省咸阳市 排水系统能力及内涝风险评估

吴彦成，丁 祥，杨利伟，张 乾

(1. 长安大学 基建处，陕西 西安 710064； 2. 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061； 3. 同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引 言

随着社会经济和城市化的发展，地面的硬化程度越来越高，加上近年来气候反常、暴雨频发,城市内涝问题日趋严重[1-5]。2018年7月12日，渭河咸阳段迎来了当年度最大的洪峰，洪水倒灌入陕西省咸阳市主城区排雨管道(简称“管道”)中，导致一处超过200 m路段出现内涝，积水最深处甚至达到了1.3 m[6-7]。由此可见，对城市现有排水系统能力和内涝风险进行评估十分重要[8-10]。

InfoWorks ICM模型是一个十分成熟的雨洪模拟软件，被广泛应用到工程实践和学术研究中[11-12]。1998～2001年，Wallingford公司研发了InfoWorks系列软件[13]；随后，学者们基于该软件开展了一系列研究。例如，郭芝瑞等建立了InfoWorks ICM模型优选定位调蓄池位置[14]；汉京超基于InfoWorks ICM模型建立了上海市福建北片区排水管网模型，并优化排水系统提标方案[15]；魏忠庆等基于InfoWorks ICM模型建立了F市排水系统耦合模型，明确了积水原因，提出了相应的改造措施[16]；高婷等利用InfoWorks ICM模型评估了新生态城起步区排水系统的能力[17]；曾娇娇等采用InfoWorks ICM模型分析了珠海机场被淹原因并提出治理方案，保证了机场的安全运行[18]。综上所述，InfoWorks ICM模型能够耦合模型，发挥一维管网模型和二维地表模型的优点，系统地模拟从降雨开始到内涝产生、演进的全过程，为城市排水与城市内涝关系分析、城市内涝的灾害分析等提供有力工具[19-23]。

本文基于InfoWorks ICM模型建立了陕西省咸阳市主城区的一维耦合水动力学模型、二维耦合水动力学模型，对咸阳市主城区排水系统现状进行分析，并使用英国洪涝灾害指数评价体系对咸阳市主城区的内涝风险进行评估，以实现对排水系统能力的评估。

1 研究区概况

1.1 排水分区现状

研究区位于陕西省咸阳市主城区，地处关中平原腹地，面积为523 km2。目前，咸阳市主城区共分为5个排水分区，分别为西高新区、老城区西片区、老城区北片区、老城区东片区和东部化工区。各分区的排水面积分别为31.7、8.6、21.2、17.9和7.0 km2。具体分区情况和部分排水泵站位置如图1所示。

图1 陕西省咸阳市主城区排水分区现状Fig.1 Current Situation of Drainage Division in Main Urban Area of Xianyang City, Shaanxi Province

1.2 下垫面现状

陕西省咸阳市主城区下垫面类型各不相同。老城区建筑密度高，不透水地面占比较大；新城区按照新的城市规划标准建设，建筑密度相对较低，地面硬化程度也比老城区低。

根据地面透水特性，将下垫面划分为草地、树林、裸土、道路、广场、屋顶和小区铺装7种，其径流系数分别为0.15、0.10、0.30、0.85、0.90、0.95和0.50[24-25]。对7种下垫面径流系数进行加权平均计算，可得到研究区汇水面积的综合径流系数，据此可将咸阳市主城区重新划分为9个排水分区(图2)。

图例中数值表示各排水分区的综合径流系数图2 综合径流系数分布Fig.2 Distribution of Comprehensive Runoff Coefficient

1.3 高程和地形坡度现状

高程对地表的产汇流过程和InfoWorks ICM模型耦合时的积水二维演进都有很大的影响；地形坡度在一定程度上也可以反映地表径流的流速和流向。因此，分析研究区高程和地形坡度十分必要。

在ArcGIS软件中，利用克里金插值法可将高程点制作成1.5 m×1.5 m的高精度栅格，借助这种高精度数字高程模型，可具体化展现研究区高程(图3)。由图3可以看出，咸阳市主城区整体为北高南低、西高东低，地势从西北到东南呈阶梯形下降，落差为20～40 m，居于黄土塬与渭河之间的狭长地带，暴雨灾害是威胁该地区的主要安全因素。渭河以北地区地势从北到南同样呈阶梯形下降，高程为385～480 m。使用Arc GIS软件中3D Analyst工具可获得研究区地形坡度(图4)。从图4可以看出，研究区地势起伏比较大，坡度为0°～7°，其中最高坡度位于研究区中线附近。

图3 高程分布Fig.3 Distribution of Elevation

图4 地形坡度分布Fig.4 Distribution of Topographic Slope

2 模型构建

2.1 一维管网模型

2.1.1 设计暴雨

陕西省咸阳市的暴雨强度公式是20世纪80年代组织编制的。通过对咸阳市1984～2013年暴雨量进行皮尔逊(Pearson)Ⅲ型曲线[26]拟合，发现现有暴雨强度公式已不能很好地反映咸阳市近年来的降雨规律。咸阳市极端降水事件与年降水量的变化和西安市近乎一致，且暴雨事件的分布频率和暴雨强度也趋于一致[27]。因此，本文考虑采用西安市的暴雨雨型来模拟咸阳市的降雨规律。根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)[28]，长安大学建筑工程学院利用数理统计法得出西安市暴雨强度公式为

(1)

式中：q为暴雨强度；t为降雨历时；P为设计重现期。

本研究中，雨峰系数为0.4，降雨历时为120 min。

2.1.2 管网水力模型

通过现阶段城区管道、检查井、调蓄设施、排水泵站的地理坐标、地面及管网高程构建模型网络数据库，由设计暴雨构建降雨数据库，借助ArcGIS软件分析得到地面高程模型数据库，以上共同构成管网水力模型的基本数据库要素框架。建模采用的降雨径流模型参考排水系统在城市雨水水量管理中的应用研究结果；产流模型中，不透水地面采用固定径流系数法，透水地面选用Horton渗透公式；汇流模型采用SWMM非线性水库法[29]。最后，基于InfoWorks ICM模型建立管网水力模型(图5)。

图5 管网水力模型Fig.5 Hydraulic Model of Pipe Network

2.2 二维地表模型

二维地表模型的地面高程数据取自CAD测绘图，后又经过实际测量对高程的误差进行修正。以地面高程模型为基础，综合考虑道路、建筑物等对水流的引导和阻挡，以及地面上不同类型地块的糙率对城市内涝的影响，得到研究区二维地表模型。

2.3 模型率定

使用蒙特卡洛法对模型进行率定。本文选用2018年6月14日、15日(历时15 h，总降水量为51.3 mm)的降雨与新兴路、秦皇路、上林路3个排水泵站(位置见图1)的监测水位对模型的参数进行率定。经校核，3个排水泵站的纳什系数分别为0.89、0.93、0.88(纳什系数越接近1表示越好，大于0.7表示模拟值与实测值较吻合)。因此，该模型的模拟结果可靠，可用于后续的分析工作。

3 结果分析

3.1 城市排水系统评估

3.1.1 总体评估

根据管网摸查资料，陕西省咸阳市主城区现已覆盖了一定数量的合流管网及雨污分流管网。咸阳市主城区建成区面积为86.4 km2，已建管道总长为117.3 km，每平方千米管道为1.998 km(表1)。管道主要采用钢筋混凝土管，大部分管径为DN400～DN800，部分管径为DN800～DN1800。

表1 管道达标率统计结果Tab.1 Statistical Results of the Compliance Rate of Pipes

咸阳市主城区雨水进水口大多采用单篦式或多篦式平篦雨水口，间距多为30～40 m，其覆盖程度满足《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)的要求(雨水口间距宜为25～50 m)[28]。但咸阳市主城区雨水口存在着一定的破损、移位及淤堵现象，堵塞率为15%～20%。管道敷设年代比较久远，部分管道淤堵现象十分严重。如图6、7所示，清泰路及秦皇路、人民路与渭阳西路中间区段等管道达标率比较低。

图6 清泰路管网淤堵示意图Fig.6 Schematic View of Pipe Network Silting in Qingtai Road

图7 秦皇路、人民路与渭阳西路中间区段管网淤堵示意图Fig.7 Schematic View of Pipe Network Silting in Qinhuang Road, Renmin Road and Middle Section of Weihexi Road

3.1.2 排水能力评估

基于InfoWorks ICM模型，采用重现期分别为0.5年、1年、3年、5年的降雨对管网水力模型进行模拟。模拟结果表明：不同暴雨强度下，管道的负荷状况小于1，即非满管流时，满足该管道对应暴雨强度的排水需求。管网排水能力详见表2及图8。从表2可以看出：排水管网满足3年一遇暴雨强度的管道达标率(即3～5年一遇和大于5年一遇的管道达标率之和)仅为21.4%。由图8可知，现状排水管网设计重现期以0.5～1年为主，遇到3年一遇暴雨时，管网均呈现满管流，仅位于防洪渠的各排水断面仍满足排水需求，管道呈现非满管流。

表2 管网排水能力评估Tab.2 Evaluation of Drainage Capacity of Pipe Network

管道管径偏小(DN400～DN600)造成管网排水能力不足，管道呈现不同程度的淤积。因此，咸阳市主城区上游管网排水受下游管网水位顶托而排水不畅，造成雨水未能顺利排入管网，而沿地表形成径流，并沿地形坡度向城区地势较低的区域汇集。

3.1.3 积水深度评估

由图8可知：低重现期下(重现期为0.5年和1年)，排水管网节点的溢流现象不明显；但是，高重现期下，绝大多数节点都会发生溢流。综合考虑，本文选用3年一遇暴雨分析积水深度。研究区的积水深度分布见图9。

图8 管网排水能力分布Fig.8 Distribution of Drainage Capacity of Pipe Network

图9 管网积水深度分布Fig.9 Distribution of Water Depth of Pipe Network

咸阳市主城区积水主要发生在地势较低的区域，包括人民路七厂什子到大剧院之间、陕棉八厂及抗战路火车站周边区域。其中，咸通路陕中附院门口、文汇路联盟二路周边、金旭路东郊加油站及上林桥西部的积水深度为0.15～0.30 m；毕塬路、民生路、渭阳路人民政府周边积水深度为0.3～0.5 m，积水严重。结合管网水力模型模拟降雨过程，并计算雨水径流的流经范围，结果显示上述积水主要是北部地区降雨汇流并在低洼地区汇集形成。其中，乐育路、新兴路、西兰路下穿陇海铁路地道桥区域受北部滚坡水下汇影响积水严重。管网水力模型模拟计算得到3个排水泵站下穿部分汇水水量分别为2 373、7 099、2 324 m3，且存在2次显著汇水过程。因此，咸阳市主城区现状排水泵站能够满足研究区降雨汇水水量的需求，但在北部滚坡水下汇时，排水泵站无法及时排除下穿地道部分的积水。

3.2 城市内涝风险评估

目前，内涝风险评估的指标及其等级划分并无统一规定。《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)[28]虽然有关于地面积水设计标准的界定，但是对于规划层面的内涝风险评估尚难以操作。针对咸阳市主城区的实际情况和特点，为简化计算和评估的复杂性，本文借鉴英国洪涝灾害指数评价体系开展城市内涝风险评估。

3.2.1 洪涝灾害指数阈值

2000年，Karvonen等通过实践阐明了洪涝灾害指数与洪水深度、流速的密切相关[30]。据此，本文管网水力模型主要考虑用洪水深度和流速计算洪涝灾害指数。其表达式为

Hr=d(v+0.5)+df

(2)

式中：Hr为洪涝灾害指数；d为洪水深度；v为洪水流速；df为水深危害参数，可取值0、0.5、1.0，这取决于废墟、瓦砾等会附加产生的风险，且与用地性质有关。

结合咸阳市主城区的实际情况，本文水深危害参数取值为：当d≤0.15 m时，df=0.5；当d>0.15 m时，df=1.0。

洪涝灾害指数阈值[31]及分配详见表3、4。在此基础上，考虑咸阳市主城区地块敏感性系数，包括人口密度及用地性质，对城市内涝风险评估进行校核。

表3 洪涝灾害指数阈值Tab.3 Threshold Values of Flood Disaster Index

3.2.2 内涝风险评估与区划

将风险评估范围划分成单元格，再根据以上确定风险因素、风险指数和各风险因素的权重，对每个单元格计算其洪涝灾害指数。

根据管网水力模型，计算每个单元格的洪涝灾害指数，同时对照历史洪灾情况进行内涝风险评估区划。城市内涝风险评估区划结果详见表5和图10。由图10可以看出，咸阳市主城区中内涝高风险区域主要发生在人民路—东风路—渭河—咸通路围成的地块和东风路—河堤路—福银高速公路—金旭路围成的地块。人民路—东风路—渭河—咸通路围成的地块具有以下特点：地块地势低洼；地面硬化程度比较高，径流系数较高；排水系统建设不完善，道路下管道管径偏小，部分管道没有出路，同时下游沿渭河排放口封堵后，下游排水不畅；地块地处城市中心，人口密度较大，同时为市政府及区政府所在地，商业、金融业较为发达。对上述各项因子得出的风险指数进行加权平均，得知该地块为内涝高风险区域。东风路—河堤路—福银高速公路—金旭路围成的地块由于地势低洼，地面高程低于渭河常水位，降雨时极易发生内涝灾害，故该地块也为内涝高风险区域。

图10 内涝风险评估区划Fig.10 Evaluation Division of Waterlogging Risk

表4 洪涝灾害指数阈值分配结果Tab.4 Allocation Results of Threshold Values for Flood Disaster Index

表5 城市内涝风险评估Tab.5 Evaluation of Urban Waterlogging Risk

4 结 语

(1)陕西省咸阳市主城区采用平篦雨水口，覆盖程度满足设计要求，部分雨水口有破损、移位及淤堵现象。而且由于管道敷设年代比较久远，部分管道淤堵现象十分严重，整体管道达标率比较低。

(2)咸阳市主城区现状排水管网管径偏小，在4种降雨强度(设计重现期分别为0.5、1、3、5年)的模拟中，管网排水能力绝大多数都在0.5年一遇之下，满足3年一遇暴雨重现期的管道达标率仅为21.3%。

(3) 咸阳市主城区内涝风险评估发现，内涝高风险区域是位于地势低洼处、地面硬化程度高且排水管网管径较小的人民路—东风路—渭河—咸通路围成的地块和东风路—河堤路—福银高速公路—金旭路围成的地块。

(4) 根据对现有排水系统的分析，建议提高已建地区排水标准，包括翻排雨水管道管径，改建排水泵站，新建分流干管，近期以提高干管排水标准为主，远期需要结合道路及城区改造翻排支管。