Infoworks ICM模型在市政污水管網工程設計中的應用

龐 紅 璐， 郝 韶 楠

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

城市排水系統是城市基礎設施的重要組成部分，對居民居住環境有著重要的意義[1]。隨著經濟發展、人口增長和城市化進程的加快，城市污水量隨之增加，現狀排水系統已無法滿足當前發展以及環境保護的需求，因此，對現狀排水系統進行評估和診斷具有十分重要的意義。對于排水方案的評估與診斷常采用傳統分析方法，與之相比，數學模型分析具有速度快、效率高、通用性強等優點，分析計算更加精準[2-3]。目前，國內外應用較多的模型主要包括Infoworks ICM[4-6]、Mike Urban[7-8]、SWMM[9-10]等。其中Infoworks ICM功能最為齊全，可實現管網系統與河網系統的耦合，能較為真實地模擬地下排水管網系統與地表受納水體之間的相互作用，且擁有強大的前后處理能力，已廣泛地應用于排水系統現狀評估、城市內澇積水模擬及城市洪澇災害風險分析等。

1 研究區域——獅嶺村

獅嶺村位于廣東省佛山市南海區獅山鎮西北部，總面積約13.58 km2。獅嶺村現狀污水收集管網覆蓋率不高，生活污水和工業廢水大多直接排入河道，造成周邊河道水體黑臭，影響城市環境。除部分主干市政道路為分流制外，區域內現狀基本為合流制排水體制。獅嶺村西片區為獅嶺村管網相對獨立的一個區域，存在大量管網空白區，污水直接排入附近的水塘渠系，主要問題是污水收集系統不完善。

2 模型構建

2.1 Infoworks ICM模型

Infoworks ICM模型是由英國Wallingford軟件公司開發的排水模型，是首款實現在單個模擬引擎內將城市排水管網及河道的一維水力模型同城市/流域二維洪澇淹沒模型、海綿城市的低影響開發系統(包括雨水資源的利用)模擬、洪水風險評估等有機整合的軟件。Infoworks ICM可以實現城市排水管網系統模型與河道模型的整合，更為真實地模擬地下排水管網系統與地表受納水體之間的相互作用[11]。多應用于城市排水系統的現狀評估、改造規劃和新建城市化排水系統的設計與規劃等方面[12]。

Infoworks ICM排水模型主要包括水文模型、水力模型和綜合模型三類，其中水文模型主要是模擬降雨的匯流過程；水力模型主要是模擬坡面和雨污水管網中流速、流量等水力要素的變化；綜合模型則是水文和水力模型的結合，應用于雨污水中污染物的排放和傳輸規律的模擬運用。

2.2 排水模型構建

2.2.1 基本信息導入

利用ICM模型構建獅嶺村污水系統相對獨立的西片區的排水模型。在基本信息導入模型之前，需要對已有數據進行識別，轉換為ICM模型可以識別的數據格式，如CSV、shapefile等。本研究以前期勘察摸排數據為基礎，轉換為CSV格式文件進行導入。導入的文件基本信息包括管道上下游的高程、管道形狀、管徑、管道系統類型、流向、檢查井坐標、井地面高程等數據。

2.2.2 管網拓撲結構檢查及簡化

利用ICM模型中的“新縱斷面”或者“選擇對象的縱斷面視圖”工具，對管網拓撲結構進行修改、檢查和完善，并在翔實的管網摸排數據基礎上，對管網進行合理簡化，如刪除雨水篦子和小區內部管線等，但需要注意的是，要保留小區出戶管。對管網進行適當簡化的目的，是對污水系統進行瘦身，降低模型計算工作量，提高模型計算速度。

2.2.3 集水區劃分

集水區包括雨水分區和污水分區兩大類。雨水分區的劃分，是根據下墊面類型和管道走向進行初步劃分，隨后可借助ICM工具生成泰森多邊形，該區域共劃分雨水分區317個，最小雨水分區60 m2，最大雨水分區1 249 680 m2；污水分區需結合居民點進行劃定，根據污水管線分布及走向，通過“連接性”字段分別指向附近的污水管或者就近散排到河網中。

2.2.4 基本參數設置

獅嶺村西片區約有5 230人，根據人口密度，給予每個污水分區人口；人均綜合生活用水量取270 L/(人·天)，日均旱流污水量按照日均用水量的85%進行折算，污水定額為229.5 L/(人·天)。

3 市政工程設計應用

3.1 現狀污水系統問題診斷

市政污水管網屬地下隱蔽工程，建設過程中通常是分片區和分期實施，由于建設時序不同，建設標準不統一，通常難以準確掌握地下污水管網數據。通過各種途徑收集得到的管網數據類型多樣，常見的有CAD設計圖紙、竣工圖、勘探圖、excel表格等，數據的質量也參差不齊，且對勘探過程中發現的設計質量問題無法直觀判斷[13]。Infoworks ICM 軟件可對現狀管網進行初步的診斷和分析，如利用SQL工具可快速識別出系統中混、錯接的數量和位置，利用縱斷面檢查工具可識別管道是否存在大管接小管、逆坡等不合理的區域，并針對該區域優先復勘摸排，為勘察摸排提供重點工作范圍，減少摸排工作量，同時根據摸排數據對現狀管網系統數據進行復核修正，使管網模型與真實情況更為接近。

3.2 規劃污水管網截污效果評估

獅嶺西片區面積約4.6 km2，居住人口約5 230人，污水管網建設長度約3.60 km，管網密度為0.78 km/km2，存在大量管網空白區，污水多直排入附近的溝塘渠系。根據源頭污染物的產生量以及末端管網污染物的通量，評估該片區污水管網截污效果。經估算，旱季源頭污染物產生量COD、氨氮、總磷約為9 562.71 kg/30 d、956.26 kg/30 d、127.47 kg/30 d，末端污水管網通量約為2 516.42 kg/30 d、265.53 kg/30 d、37.21 kg/30 d，污水截污率較低，約為26.31%。

規劃工況下，新建污水管網約5.34 km，完善現有截污工程，填補現狀管網空白區，大大降低了污水直排入河的水量，規劃工況下，旱季污水截污率可達到94.87%，截污效果顯著。現狀及規劃工況獅嶺西片區污水收集率見表1。

3.3 污水管網輸水能力評估

管道的負荷狀態指管道內水流的充滿程度，Infoworks ICM定義“超負荷狀態”來反映管道的負荷狀態[14]。本文選取3個超負荷狀態的閾值(0.8，1，2)對管網輸水能力進行評估，超負荷狀態閾值表示的含義見表2。

表2 超負荷狀態閾值表示的含義

規劃工況下，污水管道超負荷狀態統計見表3。當S<0.8時，運行的管道比例為82.97%，具有應對水量變化的能力，排水高峰期污水溢流風險低；當0.8≤S<1時，運行的管道比例為2.72%，滿載運行的管道比例為14.60%，主要是由于下游管道過流能力限制而導致的超負荷；區域不存在管道流量大于管道設計能力而導致超負荷的情況。管道最不利情況和超負荷斷面示意圖分別見圖1、2。

表3 污水管道超負荷狀態統計

圖1 管道最不利情況

圖2 超負荷斷面示意圖

4 結 語

通過對獅嶺村西片區管網、截污系統以及過流能力進行系統的研究，為該區域日后污水管網的運行管理和未來管線規劃設計提供模型依據。

(1)采用Infoworks ICM 模型構建獅嶺村西片區管網模型，通過模型檢查工具，可清晰直觀的對現狀管網系統進行關鍵問題診斷，為現場勘察摸排階段提供優先復勘點，降低摸排工作量。

(2)現狀污水管網系統存在大量管網空白區，旱季截污率較低，僅為26.31%，規劃截污工程順利完工的情況下，旱季污水截污率可達到94.87%，大大降低了污水直排入河的水量。

(3)規劃工況下，約82.97%的管道充滿度小于0.8，具有應對水量變化的能力，排水高峰期污水溢流風險較低；約17.30%的管子應對水量變化的能力較弱，其中14.60%的管子主要是由于下游管道過流能力限制而導致的超負荷，不存在管道流量大于管道設計排泄能力的情況。