基于Infoworks ICM的城市排水（雨水）系統(tǒng)排水能力及內(nèi)澇風險評估

劉華超，梁風超，徐 薇，趙日祥，周民華

[濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南250002]

0 引 言

由于城市中地面硬化比例的不斷增加、城市局部氣候的變化、雨水管網(wǎng)設計標準偏低以及極端天氣的頻繁出現(xiàn)等多因素的綜合作用，導致城市局部區(qū)域暴雨內(nèi)澇災害時常發(fā)生[1-3]。且城市暴雨內(nèi)澇災害出現(xiàn)的頻次、強度等呈逐年增大的趨勢，給人民的生命財產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展帶來了嚴重威脅[4]。2007年7月，由于濟南市城市排水系統(tǒng)排水能力不足以及瞬時雨量過大等多種原因，導致25人死亡、170余人受傷，并造成了重大財產(chǎn)損失；2008年上海市出現(xiàn)洪澇災害，市區(qū)馬路積水最深處達1.5 m，發(fā)生交通事故數(shù)千起，車輛拋錨700多起；2012年首都北京遭遇近60多年來的最強降雨，導致79人死亡，約190萬人受災，經(jīng)濟損失近百億元。

為減輕城市洪澇災害、提前采取應對措施，模型模擬已成為分析洪澇風險、減輕城市內(nèi)澇影響的有效方法[5]。通過模型模擬進行城市排水（雨水）系統(tǒng)排水能力評估與內(nèi)澇風險評估可以為排水防澇風險管理提供相應的理論基礎，并基于模擬結(jié)果分析內(nèi)澇積水原因，提出防災減災、應急搶險措施，為城市應急管理部門相應的提供科學依據(jù)。

當前較常用的城市雨洪模型主要有Infoworks ICM、Mike Flood、SWMM等，這些模型軟件有力的推動了城市排水系統(tǒng)的研究工作[6]。筆者結(jié)合GIS系統(tǒng)與城市綜合流域排水模型Infoworks ICM，通過設定不同模擬情景，進行研究區(qū)域的排水能力及內(nèi)澇風險評估。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選擇J市LSH流域，距離J市市中心約10 km，面積約15 km2。J市屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，雨熱同季，多年平均降雨量685 mm，降雨分配不均，以汛期6～9月份降雨量最多，約占常年降雨量的75%左右。研究區(qū)域位于黃河以南山區(qū)和平原相交處，坡度平緩，海拔高程在23～31 m之間，整個地勢南高北低。研究區(qū)域內(nèi)采用雨污分流制，共含3個雨水分區(qū)，雨水管渠總長度約101.5 km（D500以上），雨水管渠設計標準為2 a一遇，個別重要地段采用3 a一遇，雨水管渠除澇標準為20 a一遇?，F(xiàn)狀雨水系統(tǒng)見圖1。

圖1 現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)圖

2 城市綜合流域排水模型的建立

選用Infoworks ICM與GIS建立研究區(qū)域的綜合流域排水模型，包含一維管網(wǎng)水力模型、河道模型、二維地面洪水演進模型，以及外部降雨事件和邊界條件等。

2.1 設計降雨

該區(qū)域的暴雨強度公式為

式中：i為設計暴雨強度，L/s·hm2；t為降雨歷時，min；P為重現(xiàn)期，a。

排水系統(tǒng)排水能力評估采用根據(jù)暴雨強度公式和芝加哥雨型生成的1 a、2 a、3 a、5 a一遇2 h降雨，峰值系數(shù)取0.4?，F(xiàn)狀雨水系統(tǒng)見圖2，不同重新期下的降雨深度見表1。

圖2 現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)圖

表1 不同重新期下的降雨深度

內(nèi)澇風險評估采用3 h降雨，暴雨重現(xiàn)期分別選擇10 a、20 a、30 a一遇，同樣采用芝加哥雨型和暴雨強度公式生成。

2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)收集、整理的管網(wǎng)、河道、地面高程等相關數(shù)據(jù)資料，建立耦合在一起的排水管網(wǎng)、河道、二維地面洪水演進模型。

首先建立管網(wǎng)模型。將整理后的管網(wǎng)信息如管道、檢查井、排水口等導入模型中，進行拓撲關系檢查、子集水區(qū)劃分，然后根據(jù)研究區(qū)域下墊面實際情況，將徑流表面分為綠地、建筑屋頂與鋪裝3種類型。其中，綠地為可滲透表面，選用Horton滲透模型進行產(chǎn)流計算，建筑屋頂與鋪裝為不透水表面，采用固定徑流系數(shù)法計算。然后以修正后的地面高程數(shù)據(jù)（地勘）為基礎，并充分考慮道路、建筑等對地面積水的阻擋與引導（將道路、建筑物信息一并導入模型中），建立二維地面洪水演進模型，其中道路被設置為網(wǎng)格化區(qū)間，建筑物被設置為空白區(qū)。最后根據(jù)河道中心線以及橫斷面數(shù)據(jù)建立河道模型，并設置河道邊界。

2.3 模型參數(shù)確定

根據(jù)相關文獻及模型手冊，初步確定模型初始參數(shù)，同時結(jié)合研究區(qū)域的綜合徑流系數(shù)，進行參數(shù)率定，調(diào)整初始參數(shù)數(shù)值。最終參數(shù)取值為管道曼寧系數(shù)0.013；綠地匯流參數(shù)0.05，徑流量類型選擇Horton，初期入滲率280 ml/hr，極限入滲6.3 ml/hr，衰減因子取4；鋪裝匯流參數(shù)0.02，徑流量類型選擇Fixed，徑流系數(shù)0.9，建筑物匯流參數(shù)0.015，徑流系數(shù)0.85。

3 結(jié)果與分析

3.1 排水能力評估

分別在1 a、2 a、3 a、5 a一遇（2 h）的降雨條件下對研究區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)進行模擬。

模擬結(jié)果表明：在短歷時降雨（2 h，重現(xiàn)期1～5 a）條件下，研究區(qū)域雨水系統(tǒng)運行狀況良好。排水能力滿足2 a一遇降雨（66.149 6 mm）的管道達標率約為68.4%，排水能力小于1 a一遇的管道占18.5%，介于1 a一遇到2 a一遇之間的占13.1%。由圖3可知，排水能力不滿足2 a一遇的管道多集中在東南部區(qū)域。主要原因是東南部區(qū)域雨水管網(wǎng)不完善，雨水管道收納雨水的面積過大，超過了雨水主干管的排水能力所致。管道達標率統(tǒng)計見表2。

表2 管道達標率統(tǒng)計

圖3 雨水管網(wǎng)排水能力分布圖

3.2 內(nèi)澇風險評估

城市中內(nèi)澇風險的大小受氣候、排水能力、地表高程、下墊面類型以及河道水位等多因素的影響，可以根據(jù)單一指標或多個指標（如積水時間、積水深度）疊加，綜合評估內(nèi)澇風險，見表3。

表3 城市內(nèi)澇風險等級劃分

分別在10 a、20 a、30 a一遇（3 h）的降雨條件下對研究區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)進行模擬（見圖4）。

圖4 20 a一遇內(nèi)澇風險區(qū)域分布圖

風險等級較高的區(qū)域多集中在東南部排水管渠不完善及個別未按設計施工的區(qū)域，其他區(qū)域整體排水效果較好。因此在后期的建設中，需重點完善或改造風險等級較高區(qū)域的排水設施。積水深度統(tǒng)計見表4。積水情況見圖5～圖7。

表4 積水深度統(tǒng)計

圖5 10 a一遇部分區(qū)域積水情況

圖6 20 a一遇部分區(qū)域積水情況

圖7 30 a一遇部分區(qū)域積水情況

3.2 改造方案效果評估

現(xiàn)根據(jù)排水能力評估和內(nèi)澇風險評估結(jié)果，并結(jié)合區(qū)域重要程度，對東廣場區(qū)域進行管網(wǎng)改造方案評估。

該區(qū)域積水原因：原齊州路雨水通過橫支7、8號路上的規(guī)劃管道接入LS河，因其他原因橫支7、8號路被廢除，致使該區(qū)雨水無出路。

改造方案為沿齊州路東側(cè)敷設1.2 m×1.2 m雨水管渠，坡度1/1000，向北接入威海路，見圖8。

圖8 東廣場區(qū)域規(guī)劃、現(xiàn)狀、改造管網(wǎng)示意圖

通過模型驗證該方案的合理性。在2 a一遇（2 h）降雨條件下，東廣場區(qū)域改造前檢查井溢流量為3 956 m3；改造后，該區(qū)域不再產(chǎn)生積水，峰值時管道充滿度為0.9，排水效果較高，可有效解決該區(qū)域的內(nèi)澇積水問題，見圖9。

圖9 東廣場區(qū)域改造前、改造后積水情況對比

5 結(jié)語

（1）J市LSH流域的排水管網(wǎng)（雨水）達標率（滿足2 a一遇）為68.4%，整體管道達標率較高。

（2）在4種降雨條件下，管道排水能力多集中在2～3 a一遇；排水能力不達標的管道多集中在東南部區(qū)域。

（3）LSH流域東南部由于排水管渠不完善、個別管道未按設計施工等原因?qū)е略搮^(qū)域內(nèi)澇風險等級較高。后期需重點完善或改造風險等級較高區(qū)域的排水設施。

（4）通過對沿齊州路東側(cè)敷設1.2 m×1.2 m雨水管渠的改造方案進行模擬驗證，結(jié)果表明該方案能較好的解決東廣場區(qū)域的內(nèi)澇積水問題。