基于InfoWorks ICM的鎮江市排水管網能力及內澇風險模擬評估

郁竹晶

上海勘測設計研究院有限公司 上海 200000

1 引言

鎮江市屬于“一水橫陳，三面連崗”的河谷盆地，地處典型季風氣候區，特殊的地理位置和城市格局使得鎮江市區面臨外洪與內澇的夾擊，汛期時常出現上有客洪侵襲、下受江潮頂托、南有山洪壓頂、北受臺風威脅的局面。隨著鎮江市城市建設的不斷推進,城市下墊面發生了較大的變化,植被、湖泊等被不透水面替代[1]，加上城市化工程中水域被改道或填埋，調蓄量減少，加劇了城市暴雨洪澇災害。為了深入研究并解決城市內澇問題,國內外研究人員已采用Mike、SWMM、InfoWorks ICM 等水文水動力模型軟件對城市現狀排水系統進行模擬評估,并對工程方案的目標可達性進行分析[2]。

本文利用InfoWorksICM 軟件,建立鎮江市雨水系統水力模型,評估不同重現期下管網的排水能力與城市積水的淹沒深度，并分析管網系統存在的問題與城市內澇成因,為排水管網的改造、建設、城市的防洪排澇系統規劃提供科學依據與數據支撐。

2 研究區域概況

2.1 研究區域劃分

此次評估范圍約139.4km2,涵蓋潤州區、京口區、丹徒區共3個城區,將評估范圍劃分為5個排水片區。

2.2 現狀排水系統

本次評估的排水系統為研究區域范圍內的市政雨水管網、合流制管網以及上游污水管混接入的雨水管網，并整合現狀排水泵站的調度規則。

經過分析處理,最終確定的排水管網總長約為648.8km（雨水管道585.2km，混接污水管道32.7km，合流制管道30.9km），雨水泵站（含污水、合流泵站）13座。

3 模型構建

3.1 總體技術路線

圖1 技術路線圖

3.2 模型構建過程

（1）管線、節點數據錄入：將主城區排水管道的管長、管徑、管底高程以及檢查井的地面高程、檢查井深度等空間數據與屬性數據導入 ICM城市排水管網模擬系統。

（2）附屬設施數據錄入：通過實地勘察、資 料室查閱等方式收集鎮江市主城區13座雨水（含合流）泵站的基本信息和運行狀況，將泵站概化為泵和前池，錄入泵的控制規則、工作曲線以及前池的尺寸、液位等參數。同時錄入29個堰的堰高、堰寬、溢流系數等空間屬性數據，完成鎮江市主城區排水系統骨架模型搭建。

（3）拓撲檢查與修正：對管網拓撲關系并進行檢查與修正，拓撲錯誤主要包括管道反向、管道缺失、管道逆坡、雨污混接等。

（4）子匯水區劃分：利用天然流域、用地分類、路網架構與雨水口分布把建模區域劃分為多個泰森多邊形，結合人工進行邊界修正，完成匯水區劃分，共劃分子匯水區19858個。

（5）模型管網概化：考慮模型計算效率和以滿足規劃需求為目的，采用排水管網簡化算法，對原始管網數據進行了簡化，去除道路雨水篦、綠化隔離帶內的雨水井與管徑低于300mm雨水支管，保留在道路上的主干雨水管道。

（6）研究區范圍主要為平原河網，整體上呈南高北低的地形，由南部山丘區逐漸向北部沿江傾斜，根據現狀基礎地理信息數據,利用ArcGIS中3DAnalystTools等工具,建立研究區域的地面數字高程模型,從而獲得模型耦合地表的二維地表模型。

3.3 用地分析

根據鎮江市總體規劃用地分類數據，對鎮江市主城區不同用地進行歸類，劃分為水體、路網、綠地、居住用地、商業用地、工業用地六類，再根據各用地性質及上位規劃分配下墊面如屬于不透水表面的硬地、道路、房屋與屬于透水表面的綠地，鋪裝的比例用于計算產流。

3.4 排口邊界條件

排水管網末端的水位邊界條件源自河道的水位數據,利用河道基礎數據搭建河道模型,以此來反映管網末端水位邊界的動態變化及對管網系統的影響情況。由于條件限制，未能獲取相關河道的真實斷面數據，此研究根據河道常水位值及城市河道控制斷面的水位作為排水管網的下游邊界條件。

3.5 模型參數設置與率定驗證

在模型搭建的基礎上，設置模型產匯流參數，參數基于鎮江市海綿城市建設示范區參數率定結果，并最終通過多場實際場次降雨結合中山橋排口的監測數據進行率定驗證，具體結果如表1[3,4]。

表1 模型模擬產匯流參數取值

3.6 設計降雨

根據《鎮江市城市設計暴雨雨型研究與應用》成果，推薦采用K.C法的雨型成果作為鎮江市區設計暴雨雨型，暴雨強度公式采用新編暴雨強度公式，為滿足長歷時雨型需求，研究推求了120min＜歷時≤1440min的暴雨強度公式。K.C法暴雨雨型峰前、峰后降雨強度計算公式如下：

式中：

i——瞬時雨強（mm/min）

t——降雨歷史（min）

TM——設計重現期（年）

b、n、A、c——暴雨強度公式的參數

r——雨峰位置系數

公式中的參數值：

（1）歷時≤120min時

A=38.3623，c=1.0173，b=19.1377，n=0.975，r=0.354

（2）120min＜歷時≤1440min時

A=12.5596，c=1.17，b=10.6421，n=0.7436，r=0.776

短歷時降雨模型用于評估排水管網排水能力，降雨分配詳見圖2。

圖2 鎮江市短歷時2h降雨雨型

長歷時降雨評估研究區設計防洪排澇標準下的內澇風險情況，降雨分配詳見圖3：

圖3 鎮江市長歷時24h降雨雨型

4 評估標準與結果分析

4.1 管道負荷評估標準

我國排水系統設計時雨水管道內流態按滿管均勻流考慮，計算設計流量時設計水力坡度取管底坡度。管道內水深H與管道直徑D之比H/D=1時為滿管流；H/D＞1時，管道則承壓，管道排水能力受到影響。因此，可以以管道發生滿管流作為標準評估管道的排水能力，分析現有管道的最大排水能力。

另外，重力管渠中，也可以形成壓力流但尚未溢出地面造成洪災的水力狀態定義為“超載”，一般當出現超載狀態時，可以認為管段流量超過設計能力。考慮到鎮江市河網縱橫、生態用地豐富等特點，以暴雨條件下的檢查井溢流作為評估指標（即管道水頭線是否超過地面線）評估鎮江市城區現狀排水能力。當檢查井出現溢流時，可認為管段不滿足相應重現期標準。以此作為標準指導現狀管道的改造。

4.2 現狀管網排水能力評估

利用搭建好的模型,分別模擬計算城市發生重現期為1、2、3年和5年短歷時降雨情況下的排水情況,模擬時間為2h。

鎮江市主城區、谷陽、諫壁部分片區的管網設計標準偏低，排水能力小于1年一遇的管道約為84.86km，占比13.08%，分布于華園路、興園路、盛園路、蔡家路、江濱路、古城路、東吳路、朱方路、長江路、潤州路、京江路、檀山路、丁卯橋路、黃山南路、南門大街、學府路、官塘橋路、漕河路等道路沿線。

排水能力1～2年一遇的管道長68.971km，占比10.59%。主要分布于大西路、電力路、黃山南路等道路的部分路段。

排水能力2～3年一遇的管道長44.12km，占比6.8%。主要分布于北府路、烈士路、愛民路等道路沿線的部分路段。

排水能力3～5年一遇的管道長49.57km，占比7.64%。主要分布于金谷路、駙馬街部分路段。

排水能力大于等于5年一遇的管道長401.54km，占比61.89%。

統計模型內現狀管網管徑，由于老城區的排水管網建設時間較早,采用的排水標準較現行標準有差異,且隨著城市的發展城市下墊面也發生了較大的變化,因此評估結果顯示排水管網排水能力較差的管道大部分就集中于老城區的合流制系統[5]。

另外，當地建設規范規定取值上限3年一遇降雨下的超過30%的管道超載嚴重。主要由于團結河，古運河，運糧河沿線排口受河道頂托嚴重，自排不暢。

結合現狀情況，建議綜合考慮源頭控制，增加管網承載能力，降低末端排放口水位。對管道方面，除翻排，增排雨水管道外，還應針對超載嚴重地區，新建分流干管，增加排水通道。其他如針對管網覆蓋率和服務面積，合理分配排水分區，改建雨水泵站，結合綠地系統規劃和地下空間開發利用規劃，擬新建調蓄設施，蓄排結合。

4.3 城市內澇風險評估

鎮江市內澇防治標準設計重現期為30年一遇，針對30年一遇長歷時降雨情景進行動態模擬，基于模擬結果采用情景模擬評估法進行內澇風險評估與區劃。

通過模擬，獲得雨水徑流的水位變化、積水范圍和淹沒時間等信息，參照國內內澇防治的相關法規有《室外排水設計規范》（2021版）和《城市內澇防治規劃規范》（2016版），綜合評估城市內澇災害的危險性；結合城市區域重要性和敏感性，對城市進行內澇風險等級劃分。

城市內澇風險等級被劃分為以下三個等級，每個等級對應了不同的積水深度和積水時間，同時也代表了影響的嚴重程度。

積水深度超過0.5m或0.3m以上積水累積超過30min，視作高風險，對城市交通、基礎設施和各類建筑物構成威脅；積水深度0.3m-0.5m或0.15m以上積水累積超過30min，視作中風險，嚴重影響城市交通；0.15m-0.3m積水視作低風險，為一般城市積水，其余則可認為無顯著內澇風險。

30年一遇設計降雨工況下。約6km2的區域屬于內澇中風險區，占比4.31%；內澇高風險區面積為0.83km2，占比0.6%。內澇高風險區主要位于金潤大道、象山大道、大西路、宜春路、興園路、江濱路、谷陽路寶平路交界、潤州路、潤興路、長江路、官塘橋路等城市主次干道附近；部分居民區、城中村或未開發區域，如李家山新村、江蘇科技大學夢溪校區等區域，由于所處局部地勢較低，也易產生積水，屬于內澇高風險區。

5 結語

通過對研究區排水系統進行模型模擬評估,進一步了解和掌握了研究區現狀排水管網的排水能力和城市的內澇風險區域[6,7]。從評估結果可以看出,排水管網排水能力較差區域與內澇高風險的區域基本是合流制老城區與部分臨河處，其建設標準低、管網銜接問題與下游水位的頂托等是主要排水不暢的因素。未來市政建設重點不僅要對老城區進行相關改擴建，同時要注重源頭控制削減徑流量，并進一步拓寬城市水面，降低內河水位，做好相關防澇減災的關鍵工作。