基于Infoworks ICM的城市排水（雨水）系統排水能力及內澇風險評估

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、雨水管網設計標準偏低以及極端天氣的頻繁出現等多因素的綜合作用，導致城市局部區域暴雨內澇災害時常發生[1-3]。且城市暴雨內澇災害出現的頻次、強度等呈逐年增大的趨勢，給人民的生命財產安全和社會經濟發展帶來了嚴重威脅[4]。2007年7月，由于濟南市城市排水系統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，并造成了重大財產損失；2008年上海市出現洪澇災害，市區馬路積水最深處達1.5 m，發生交通事故數千起，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）系統排水能力評估與內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，并基于模擬結果分析內澇積水原因，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。

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的研究工作[6]。筆者結合GIS系統與城市綜合流域排水模型Infoworks ICM，通過設定不同模擬情景，進行研究區域的排水能力及內澇風險評估。

1 研究區域概況

研究區域選擇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，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。研究區域位于黃河以南山區和平原相交處，坡度平緩，海拔高程在23～31 m之間，整個地勢南高北低。研究區域內采用雨污分流制，共含3個雨水分區，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。現狀雨水系統見圖1。

圖1 現狀雨水系統圖

2 城市綜合流域排水模型的建立

選用Infoworks ICM與GIS建立研究區域的綜合流域排水模型，包含一維管網水力模型、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為重現期，a。

排水系統排水能力評估采用根據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，峰值系數取0.4。現狀雨水系統見圖2，不同重新期下的降雨深度見表1。

圖2 現狀雨水系統圖

表1 不同重新期下的降雨深度

內澇風險評估采用3 h降雨，暴雨重現期分別選擇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 模型構建

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

首先建立管網模型。將整理后的管網信息如管道、檢查井、排水口等導入模型中，進行拓撲關系檢查、子集水區劃分，然后根據研究區域下墊面實際情況，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滲透模型進行產流計算，建筑屋頂與鋪裝為不透水表面，采用固定徑流系數法計算。然后以修正后的地面高程數據（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格化區間，建筑物被設置為空白區。最后根據河道中心線以及橫斷面數據建立河道模型，并設置河道邊界。

2.3 模型參數確定

根據相關文獻及模型手冊，初步確定模型初始參數，同時結合研究區域的綜合徑流系數，進行參數率定，調整初始參數數值。最終參數取值為管道曼寧系數0.013；綠地匯流參數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0.02，徑流量類型選擇Fixed，徑流系數0.9，建筑物匯流參數0.015，徑流系數0.85。

3 結果與分析

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域現狀管網進行模擬。

模擬結果表明：在短歷時降雨（2 h，重現期1～5 a）條件下，研究區域雨水系統運行狀況良好。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域。主要原因是東南部區域雨水管網不完善，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。管道達標率統計見表2。

表2 管道達標率統計

圖3 雨水管網排水能力分布圖

3.2 內澇風險評估

城市中內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，綜合評估內澇風險，見表3。

表3 城市內澇風險等級劃分

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

圖4 20 a一遇內澇風險區域分布圖

風險等級較高的區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域，其他區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域的排水設施。積水深度統計見表4。積水情況見圖5～圖7。

表4 積水深度統計

圖5 10 a一遇部分區域積水情況

圖6 20 a一遇部分區域積水情況

圖7 30 a一遇部分區域積水情況

3.2 改造方案效果評估

現根據排水能力評估和內澇風險評估結果，并結合區域重要程度，對東廣場區域進行管網改造方案評估。

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

改造方案為沿齊州路東側敷設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 東廣場區域規劃、現狀、改造管網示意圖

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，東廣場區域改造前檢查井溢流量為3 956 m3；改造后，該區域不再產生積水，峰值時管道充滿度為0.9，排水效果較高，可有效解決該區域的內澇積水問題，見圖9。

圖9 東廣場區域改造前、改造后積水情況對比

5 結語

（1）J市LSH流域的排水管網（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導致該區域內澇風險等級較高。后期需重點完善或改造風險等級較高區域的排水設施。

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