基于InfoWorks_ICM模型的山地城市老旧建筑小区海绵化改造方案设计及评估

袁绍春，王怀鋆，吕 波，刘 杰

(1.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.重庆市海绵城市建设工程技术研究中心，重庆 400020)

在海绵城市系统构建过程中，雨洪模型已成为不可或缺的设计优化和效果评估工具[1]。InfoWorks_ICM模型的应用更是日趋广泛，它在单个模拟引擎里整合了城市一维(1D)排水管网模型和城市流域二维(2D)洪涝淹没分析模型，相对其他模型而言，其建模便捷、精度更高。王锋[2]借助ICM模型对深圳市南坪快速路海绵改造项目进行量化评价，发现改造方案能较好地达到海绵城市建设的目标效果。孙晓光[3]利用ICM模型对娄底水洋新区海绵城市规划进行评估，指出建立雨水排水模型评估目标地块内海绵化改造效果具有现实意义，可为项目决策提供依据。马旭[4]基于ICM模型建立了北京市马草河流域精细化雨洪模型，量化模拟马草河流域内涝情况，发现海绵改造能有效控制流域内涝问题。黄子千等[5]基于ICM模型研究了不同重现期和雨峰位置的设计降雨对济南市少年路积水的影响，验证了模拟积水过程和深度与区域水位站的实际观测情况较为吻合，模型具有良好的精度和可靠性。

上述基于InfoWorks_ICM模型的海绵城市建设研究主要集中于中、东部的城市，且偏重流域范围的海绵城市建设雨洪过程的整体模拟，鲜有对西部山地城市建筑小区，尤其是单个地块老旧建筑小区海绵化改造方案及效果评估的模拟研究。山地城市建筑小区是西部地区城镇人居环境的重要组成部分[6]，是城市建设与经济发展的主要载体。建筑小区用地一般占城市建设用地的40%，其产生的雨水径流约占城市径流总量的50%[7]。老旧建筑小区通常面临硬化率高、排水标准低、用地紧张等问题。对老旧建筑小区进行海绵化改造、提高雨水径流控制率是海绵城市建设的重要内容之一[8-9]。山地城市地形独特，对暴雨响应更为强烈，海绵城市建设具有特殊性。本文聚焦山地城市老旧建筑小区，以重庆市万州区海绵试点区内某老旧建筑小区海绵化改造为例，通过现状分析，按照因地制宜的原则，开展海绵化改造方案研究。结合InfoWorks_ICM模型模拟改造前后典型年降雨情景下小区径流变化过程，模拟不同重现期设计暴雨强度下改造前后内涝积水情况，并对改造效果进行评估，以期为山地城市老旧建筑小区海绵化改造提供借鉴。

1 山地城市老旧建筑小区海绵化改造特点

山地城市建筑小区具有地势陡、坡度大、硬化程度高、土层薄、土壤渗透能力差、暴雨产流迅速、冲刷效应明显、小雨易积水、大雨易内涝等特征。同时，因老旧小区建设年代久远，普遍存在环境条件差、配套设施落后、排水系统设计暴雨重现期不足1 a、管网溢流频繁、外排雨水污染负荷高等现象。山地城市老旧小区海绵化改造本底条件差，地形与空间限制多，布置大型多样的组合LID设施、构建流域尺度的海绵排水系统难度大。通过布置多数量的小体量LID设施，因地制宜地布置小型梯级LID设施，把小区地表铺装更新、景观绿化升级打造与小区雨水径流的源头控制有机结合起来，形成小区尺度的山地城市立体空间海绵系统。

2 改造方案设计

2.1 现状条件

改造小区为老旧建筑小区，位于重庆市万州区，总建设用地面积13 973.67 m2。区域多年平均降水量1 184 mm，年降水量波动小，最大降水量集中在夏季(6—8月)，雨峰靠前、雨型急促、降雨历时较短，约占全年降水量的43%。小区整体地势南高北低、西高东低；最高点高程204.46 m、最低点高程198.18 m。地形分3个台级，地面高程由西向东逐级递减，各台级平均高程分别为203.42 m、201.13 m、199.66 m，地面坡度3.5%～7.0%。现状下垫面包括硬质屋面、硬质铺装、绿地，分别占比35.79%、52.85%、11.36%，综合径流系数0.848。现状雨水通过管径200～300 mm的雨水管和部分断面尺寸200 mm×350 mm的雨水沟排入市政雨水管网，最终排至龙宝河。

2.2 问题分析

小区主要存在以下4点问题：①下垫面硬化率高，坡度陡，暴雨地表径流量大，小区东侧存在较大内涝积水风险；②雨水系统过流能力不足，排水不畅，井管溢流现象频发；③小区绿地及开敞空间局促，绿地率仅11.36%，大型渗透性LID设施不适用；④小区现状屋面承重、排水条件差，不宜采用绿色屋顶。

2.3 改造方案

根据《万州区城市规划区海绵城市专项规划(2016—2020年)》，通过指标分解，确定该小区海绵化改造指标：实现年径流总量控制率53.15%，年径流污染物去除率(以SS计)39.86%。改造以降低小区雨水径流外排总量，削减暴雨峰值流量，减少老城区合流制管网溢流频次，缓解管网排水压力，解决内涝、积水等问题和改善小区环境为导向，融入海绵元素，以生态化改造代替传统的大拆大建，将海绵化改造与小区有机更新、功能提升相结合[7，10-11]。

2.3.1雨水管控分区和地面高程分级

在自然汇水分区基础上，结合雨水系统、建设用地和道路布局，将小区划分为12个雨水管控分区(图1)，用于海绵指标分解及雨水分区控制。结合山地城市建筑小区地形情况，将小区划分为4个高程系(图2)，A高程系代表屋面高程、B高程系代表平均高程203.42 m地块、C高程系代表平均高程201.13 mm地块、D高程系代表平均高程199.66 m地块，用于LID设施布局指引，实现分层级雨水源头控制，尽可能削减分区间大高差地形造成的客水影响。

图1 雨水管控分区Fig.1 Service zone of rainwater control

图2 地面高程分级Fig.2 Ground elevation classification

2.3.2设施布置

研究表明，在海绵城市建设中采用多种措施结合、注重竖向设计的方式比大量建设单一设施更为有效[12]。结合小区现有建设条件，本方案在小区A高程系，布置11座小型雨水花台、5座现状花台原位改造为雨水花台；B高程系人行道改为透水砖铺装、北侧绿地增设1座雨水花园处理路面雨水；C高程系布置3条生物滞留带对停车坝雨水进行控制；D高程系主车道路面改造为透水沥青削弱地表径流(图3)。通过分区、分层级进行LID设施布置，实现雨水源头滞蓄和净化。各分区具体LID设施设计见表1。

表1 LID设施设计Table 1 LID facility design

3 改造方案效能评估模型

3.1 模型建立

InfoWorks_ICM模型整合了1D排水系统和2D地面高程模型，1D用于评估管网过流能力、提供溢流位置及溢流水量，2D用来模拟地面积水的深度、流速和流向。1D系统的节点出现溢流工况时，模型启动堰流公式，将节点溢出水流与2D地面网格化高程模型进行关联，实现1D/2D耦合计算。

图3 LID设施平面布置Fig.3 LID facility layout

3.1.1LID设施模型

LID设施模型的建立是通过对各子集水区的属性及其对应的参数表格设置实现的，把海绵化改造方案确定的LID设施类型与模型中创建的子集水区对应，对LID设施面积及其服务面积进行赋值，再对各子集水区的产流表面类型、比例进行设置。子集水区产流表面分不透水表面、透水表面和绿地3种类型，不透水表面产流模型采用固定径流系数模型(fixed PR model)，透水表面和绿地产流模型采用霍顿渗透模型(Horton infiltration model)；汇流模型采用SWMM模型(非线性水库法)。管道计算采用圣维南方程组。

3.1.21D排水模型

小区实测雨水系统的井编号、井坐标、井底高程、地面高程、管段编号、管径、上下游管底标高等属性数据，经ArcGIS软件处理成shp格式后，导入InfoWorks_ICM模型，在模型中，把研究区域排水系统概化为12个子集水区，36条雨水管道，37座雨水井。

3.1.32D积水模型

小区实测地形高程数据在ArcGIS软件中筛选、插值处理后，导入ICM模型，生成地面高程模型(TIN模型)，创建2D模拟区间，屋面设为空白区，对模拟区间进行网格化(图4)，生成1 136个网格三角形，216个网格元素(最大网格元素面积100 m2，最小25 m2)。再将模型网络中节点的洪水类型由“Stored”设为“2D”,实现1D/2D耦合。

图4 地面高程网格化Fig.4 Gridding of ground elevation

3.2 模型参数的选择及率定

模型参数的选择主要依据模型手册及相关文献[13-15]。因缺乏模型率定所需的实测数据，模型参数率定选用基于径流系数的城市降雨径流模型参数校准方法。刘兴坡[16]对此方法进行过研究，证明其能够达到模型参数率定要求。采用万州区2013—2015年实测降雨数据，模拟小区降雨及径流情况，获得径流系数模拟值，模拟结果见表2。

表2 小区模拟径流总量及综合径流系数Table 2 Total simulated runoff and comprehensiverunoff coefficient of the area

模拟结果表明，小区径流系数模拟平均值为0.819，与按分类下垫面面积加权平均求得的经验综合径流系数值0.848接近，表明模型参数取值较符合小区实际情况。具体参数取值如下：LID设施模型构建中，雨水花台、生物滞留带和雨水花园的护壁高度设置为200 mm；设施表面粗糙度(曼宁n值)0.05；设施表面坡度分别取0.02、0.03、0.015。产汇流和设施土壤模型参数取值见表3～5。

表3 ICM产流表面参数取值Table 3 ICM runoff surface parameters

表4 ICM汇流模型参数取值Table 4 Parameter value of ICM concentration model

表5 LID设施土壤参数取值Table 5 Soil parameter value of lid facilities

3.3 设计降雨曲线

雨型主要用于反映暴雨强度随时间的变化过程，雨型不同，得到的降雨径流结果也有很大差异。凯弗(Keifer)和丘(Chu)基于暴雨强度公式提出芝加哥雨型(简称K．C法)，短历时雨洪模拟一般采用K．C法2 h设计暴雨雨型[17-18]。本研究选用万州区典型年2009年(单年年降雨总量、累计降雨频率曲线与多年的相近程度均较高，且与多年年均降水量相对误差较小的年份)实测5 min降雨数据序列合成典型年降雨曲线(图5)，对小区改造前后年径流总量控制率和年径流污染去除率进行模拟评估。采用K．C法，基于万州区2017年修订暴雨强度公式，综合雨峰位置系数r取0.35，合成1年一遇、3年一遇、5年一遇、10年一遇、30年一遇、50年一遇2h暴雨过程线(图6)，对小区改造前后内涝积水风险进行模拟评估。

图5 典型年实测5 min降雨曲线Fig.5 5 min rainfall curve measured in typical years

图6 设计2 h历时K．C雨型曲线Fig.6 Design of 2 h duration K.C rain pattern curve

4 模拟结果与效能评估

4.1 改造指标评估

在基于InfoWorks_ICM软件建立的小区海绵系统模型网络中，采用万州区典型年5 min降雨曲线，进行一年的连续降雨模拟，评估全年雨水径流、蒸发、下渗等情况。模拟结果表明：改造后小区典型年峰值降雨径流量削减明显(图7)；小区年降水量 16 544.83 m3，改造前年径流总量13 384.7 m3，改造后年径流总量6 358.7 m3；改造后年径流总量控制率由改造前的19.10%提升至61.57%，满足规划指标(图8)。

图7 典型年峰值降雨径流模拟过程Fig.7 Simulation process of typicalannual peak rainfall runoff

(a) 改造前

(b) 改造后图8 改造前后典型年径流模拟结果对比Fig.8 Comparison of simulation results of typicalannual runoff before and after reconstruction

SS和COD是地表径流中主要污染物，且SS通常与COD、氮、磷等指标具有一定相关性，本设计采用SS作为径流污染物控制指标[19-20]。根据LID设施对SS的平均去除率和对应的年径流总量控制率的乘积计算年径流污染物负荷削减率。参考《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》，透水沥青SS去除率范围80%～90%，本方案取80%；雨水花园、雨水花台和生物滞留带属于复杂型生物滞留设施，SS去除率范围70%～95%，本方案取85%；普通屋面和硬质铺装SS去除忽略不计；绿地SS去除率取73%[21]。计算结果表明，改造后年径流污染物负荷削减率由改造前的7.12%提升至49.69%，满足规划指标。

4.2 不同重现期下内涝积水评估

在基于InfoWorks_ICM软件构建的1D/2D耦合模型，以设计1年一遇、3年一遇、5年一遇、10年一遇、30年一遇、50年一遇2h历时K．C降雨过程线作为降雨事件，对小区改造前后内涝积水情况进行模拟和评估。

4.2.1海绵化改造前

1年一遇降雨强度下，小区雨水系统过流能力严重不足，一半以上的雨水管道处于超负荷状态，2座雨水井发生溢流，溢流深度0～0.1 m，小区东南侧出现小面积内涝积水，积水深度小于0.2 m；3年一遇、5年一遇降雨强度下，处于超负荷状态的雨水管道比例上升至2/3，共4座雨水井发生溢流，溢流深度介于0.1～0.2 m，东南侧内涝积水面积大幅增加，大部分积水深度超过0.2 m；10年一遇、30年一遇、50年一遇降雨强度下，处于超负荷状态的雨水管道比例达到3/4，小区东侧的雨水井几乎全部发生不同程度溢流，东南侧内涝积水面积急剧增加，大部分点位积水深度超过0.3 m(图9(a)～(f))。

(a) 1年一遇降雨模拟(改造前)

(b) 3年一遇降雨模拟(改造前)

(c) 5年一遇降雨模拟(改造前)

(d) 10年一遇降雨模拟(改造前)

(e) 30年一遇降雨模拟(改造前)

(f) 50年一遇降雨模拟(改造前)

(g) 1年一遇降雨模拟(改造后)

(h) 3年一遇降雨模拟(改造后)

(i) 5年一遇降雨模拟(改造后)

(j) 10年一遇降雨模拟(改造后)

(k) 30年一遇降雨模拟(改造后)

(l) 50年一遇降雨模拟(改造后)图9 海绵改造前后内涝积水模拟结果Fig.9 Simulation results of waterlogging and ponding before and after sponge reconstruction

4.2.2海绵化改造后

1年一遇降雨强度下，小区约1/4雨水管道仍存在超负荷状态，但程度较改造前明显减弱，溢流和内涝积水现象未见发生；3年一遇降雨强度下，雨水管道超负荷状态略有增加，仅1座雨水井开始出现轻微溢流，小区地面未出现内涝积水现象；5年一遇降雨强度下，仍仅有1座雨水井发生溢流，小区地面开始出现小面积内涝积水现象，局部最大积水深度0.2 m；10年一遇降雨强度下，小区发生溢流的雨水井增加至2座，地面内涝积水现象变化不大；30年一遇、50年一遇降雨强度下,小区雨水管道超负荷状态有所增加，小区发生溢流的雨水井增加至3座，但最大溢流深度均未超过0.1 m，地面内涝积水现象增加较为明显，局部最大内涝积水深度超过 0.3 m(图9(g)～(l))。

5 结 论

a. 改造后小区年径流总量控制率和年径流SS负荷削减率均达到规划指标要求。

b. 改造后小区内涝积水现象改善显著，低暴雨重现期雨水减控效果尤为明显。内涝积水暴雨重现期由改造前不足1年一遇提高至5年一遇，大于5年一遇暴雨重现期小区仍会发生轻微内涝积水，但内涝积水面积已大幅缩减至改造前的1/5以下，暴雨重现期与内涝积水程度具有显著相关性。

c. 基于InfoWorks_ICM构建的1D/2D耦合小区排水模型能够准确地模拟山地城市老旧建筑小区全年雨水径流、蒸发、下渗等过程，并对改造后不同设计暴雨重现期下内涝积水情况进行直观有效的评估。