林美娜，李 超，解智強(qiáng)，侯至群，朱大明

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基于Infoworks的排水管網(wǎng)集水區(qū)優(yōu)化研究

林美娜1，李 超2，解智強(qiáng)3，侯至群3，朱大明1

（1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650000；2. 平度市國土資源局，山東 青島 266000；3. 昆明市城市地下空間規(guī)劃管理辦公室，云南 昆明 650000）

本文利用Infoworks ICM建立排水模型，分別以以自動(dòng)、自動(dòng)結(jié)合手動(dòng)劃分集水區(qū)兩種方式為研究方法，并結(jié)合實(shí)地勘察，從管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在暴雨條件下淹水情況的角度和管網(wǎng)超負(fù)荷的角度對(duì)比分析自動(dòng)劃分與自動(dòng)結(jié)合手動(dòng)劃分集水區(qū)的模型運(yùn)行結(jié)果。結(jié)果表明，自動(dòng)結(jié)合手動(dòng)劃分集水區(qū)相對(duì)于自動(dòng)劃分集水區(qū)所建立的排水模型能更加準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)實(shí)情況，更具科學(xué)性，尤其是在排水模型精度要求比較高時(shí)，采用自動(dòng)結(jié)合手動(dòng)劃分集水區(qū)的方式可使排水模型的分析與應(yīng)用更符合真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

Infoworks ICM；集水區(qū)劃分；排水模型；節(jié)點(diǎn)；超負(fù)荷

0 引言

排水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施之一，是保障城市公共衛(wèi)生安全、排洪防澇和控制水體污染的核心工程，擔(dān)負(fù)著收集城市生活污水、工業(yè)廢水以及排除雨水的重任[1]。隨著城市現(xiàn)代化的推進(jìn)，對(duì)城市排水管網(wǎng)的要求也在逐步提高[2]，如何有效提高排水模型的精度，顯得尤為重要。在20世紀(jì)六七十年代，國外就引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，越來越多的城市通過建立地下排水管網(wǎng)模型，分析評(píng)價(jià)管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀，對(duì)地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)改造提出合理建議并形成體系，以指導(dǎo)該片區(qū)排水管線的規(guī)劃、建設(shè)與管理[3]。

而集水區(qū)的劃分對(duì)排水管網(wǎng)模擬運(yùn)行的精度和模型運(yùn)行結(jié)果的分析產(chǎn)生直接影響，集水區(qū)的合理劃分可以更好的進(jìn)行雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以在模型建立過程中，集水區(qū)的劃分就顯得至關(guān)重要。城市雨水集水區(qū)指匯集雨水和地面水的管渠系統(tǒng)所服務(wù)的區(qū)域[4]。劃分集水區(qū)的方法主要有兩種，分別為系統(tǒng)自動(dòng)劃分方式及手動(dòng)劃分方式。本文通過采用兩種方式劃分集水區(qū)，并將模型在兩種不同劃分方式下運(yùn)行分析，得出手動(dòng)劃分集水區(qū)更能提高模型運(yùn)行準(zhǔn)確性的結(jié)論。

1 InfoWorks ICM簡介

InfoWorks ICM模型，即城市綜合流域排水模型，是由Wallingford軟件公司開發(fā)的世界上第一款城市排水管網(wǎng)及河道的一維水力模型與城市、流域二維洪澇淹沒模型相結(jié)合在一起的獨(dú)立模擬引擎的軟件。采用一維和二維水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，從整體上實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)城市雨水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬，即可以完整的模擬城市雨水循環(huán)過程，雨污水收集系統(tǒng)的工作狀態(tài)，排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表收納水體之間的相互作用[5]。

通過排水系統(tǒng)中檢查井、管道、泵站以及其他排水構(gòu)筑物的流量、水位、流速、充滿度以及泵的啟閉等實(shí)現(xiàn)序列的仿真模擬[6]，排水模型提供的結(jié)果可為用戶分析現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。借助這些分析可了解排水管網(wǎng)是否出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行及冒溢；當(dāng)降雨量達(dá)到多大時(shí)，系統(tǒng)無法正常排澇；為了讓系統(tǒng)在規(guī)定設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期正常運(yùn)行，排水系統(tǒng)進(jìn)行改擴(kuò)建的規(guī)模是多少[7]。軟件采用分布式的模型模擬降雨-徑流的過程，它將管網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)的集水區(qū)劃分，并根據(jù)地面的位置以及不同組成要素的地面產(chǎn)流特征對(duì)集水區(qū)進(jìn)行劃分，以提高模型的準(zhǔn)確度[8]。

2 集水區(qū)的劃分

2.1 不同方式的集水區(qū)劃分

在模型的構(gòu)建過程中，系統(tǒng)劃分集水區(qū)是指利用Infoworks ICM軟件對(duì)大范圍的研究區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)化分，即根據(jù)泰森多邊形將整個(gè)研究區(qū)域劃分為一個(gè)個(gè)小片區(qū)，在每個(gè)小片區(qū)內(nèi)進(jìn)行降雨的分配[9]。手動(dòng)劃分集水區(qū)不同于以往的系統(tǒng)自動(dòng)化分方式，它是指將整個(gè)研究范圍內(nèi)的模型網(wǎng)絡(luò)通過手動(dòng)劃分的方式，劃分成一個(gè)個(gè)小的子集水區(qū)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行軟件系統(tǒng)的自動(dòng)劃分，而非完全的手動(dòng)劃分集水區(qū)，以下簡稱手動(dòng)劃分集水區(qū)。采用系統(tǒng)自動(dòng)劃分的集水區(qū)，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)自動(dòng)劃分集水區(qū)方式結(jié)果示意圖

根據(jù)管網(wǎng)范圍內(nèi)的正射影像圖與路網(wǎng)圖將整個(gè)排水管網(wǎng)進(jìn)行初步劃分，即結(jié)合道路的邊界和管線走向?qū)畢^(qū)域進(jìn)行劃分。與此同時(shí)，結(jié)合研究區(qū)地勢(shì)的高低以及雨水篦子的位置在初步劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)劃分。手動(dòng)劃分的結(jié)果如圖2所示。

2.2 不同劃分方式的比較與分析

對(duì)于同一個(gè)區(qū)域采用兩種不同的方式進(jìn)行劃分，結(jié)果必然有所區(qū)別。本文選擇具有代表性的區(qū)域R，通過對(duì)其在不同劃分方式下的集水區(qū)分布進(jìn)行分析，為后期模型的運(yùn)行及結(jié)果分析奠定基礎(chǔ)。如圖2所示。

圖2 手動(dòng)劃分集水區(qū)方式結(jié)果示意圖

R區(qū)采用自動(dòng)劃分方式大部分降雨統(tǒng)一流入到一個(gè)檢查井，而采用手動(dòng)方式劃分結(jié)果表明，降水會(huì)均勻的流入到絕大部分檢查井，如圖3。通過現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)R地勢(shì)較高，自動(dòng)劃分的集水區(qū)絕大部分降雨進(jìn)入一個(gè)檢查井明顯與實(shí)際不符，手動(dòng)劃分的集水區(qū)在考慮多方面的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況下，更符合實(shí)際情況。

圖3 R區(qū)域在不同劃分方式下其集水區(qū)結(jié)果對(duì)比圖

3 不同劃分方式下淹水點(diǎn)及超負(fù)荷的運(yùn)行分析

集水區(qū)的劃分對(duì)排水模型的運(yùn)行及模擬有著至關(guān)重要的影響，因此，本文在不同的劃分方式下，對(duì)研究范圍內(nèi)管網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)的淹水狀況以及管網(wǎng)中管段的超負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行模擬，以論述集水區(qū)劃分的重要性。

3.1 淹水點(diǎn)運(yùn)行結(jié)果分析

分別設(shè)計(jì)一年一遇、五年一遇、五十年一遇三種不同的暴雨強(qiáng)度，其中將暴雨強(qiáng)度設(shè)置為一年一遇的情況，其模擬管網(wǎng)中淹水點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，對(duì)比不明顯；五十年一遇的暴雨強(qiáng)度，模擬管網(wǎng)中淹水點(diǎn)數(shù)量又相對(duì)較多，采用兩種不同劃分方式進(jìn)行淹水點(diǎn)模擬的結(jié)果并不明顯。因此，本文選取五年一遇的暴雨強(qiáng)度模式，分別對(duì)兩種方式劃分結(jié)果進(jìn)行淹水點(diǎn)的模擬。圖4為兩種不同劃分方式下的淹水點(diǎn)模擬結(jié)果。

藍(lán)色節(jié)點(diǎn)的深淺表示該節(jié)點(diǎn)淹水的嚴(yán)重情況。在五年一遇的暴雨強(qiáng)度模式下，采用自動(dòng)劃分集水區(qū)的方式模擬結(jié)果表明只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)存在積水的情況，且淹水相對(duì)嚴(yán)重；而手動(dòng)劃分集水區(qū)的方式模擬結(jié)果顯示R區(qū)域周圍節(jié)點(diǎn)都有不同程度的積水現(xiàn)象。不同的劃分方式影響模擬的結(jié)果，通過實(shí)地勘察從模擬暴雨強(qiáng)度下管網(wǎng)中淹水點(diǎn)的角度證明了手動(dòng)劃分集水區(qū)的科學(xué)性。

3.2 管網(wǎng)超負(fù)荷運(yùn)行結(jié)果及分析

管道的負(fù)荷狀態(tài)是指管道內(nèi)水流的充滿程度，一般用管道內(nèi)水深與管道高度的比值來描述[10]。Infoworks ICM中，用“超負(fù)荷狀態(tài)”來反應(yīng)管道中的充水程度，即管道的負(fù)荷狀態(tài)。在從管網(wǎng)在暴雨情況下的淹水點(diǎn)角度證明了手動(dòng)劃分的科學(xué)性，另外將從管網(wǎng)超負(fù)荷的角度對(duì)不同的劃分方式進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步證明在手動(dòng)劃分的科學(xué)性。本文中選取3個(gè)超負(fù)荷狀態(tài)的閾值，分別為0.8，1，2。它們表示的含義，如表1所示。

其中，在對(duì)管網(wǎng)超負(fù)荷進(jìn)行模擬之前，需對(duì)其進(jìn)行主題設(shè)置。在進(jìn)行主題設(shè)置時(shí)，閾值為0.8的管道，其管道顏色顯示為綠色；閾值為1的管道，其管道的顏色顯示為淺紅色；閾值為2的管道，其管道的顏色顯示為深紅色。通過在Infoworks ICM中對(duì)管網(wǎng)不同閾值顏色的主題設(shè)置，得到R區(qū)域管網(wǎng)超負(fù)荷主題圖。選取五年一遇的暴雨強(qiáng)度進(jìn)行管網(wǎng)超負(fù)荷情況分析[11]。

圖4 不同劃分方式下暴雨強(qiáng)度模擬

表1 管網(wǎng)超負(fù)荷狀態(tài)及其含義

Tab.1 Pipeline overload status and its meaning

在R區(qū)域，如果采用系統(tǒng)自動(dòng)劃分方式，則僅在左側(cè)的幾條管段中存在超負(fù)荷狀態(tài)；而采用手動(dòng)劃分的方式，在R區(qū)域的周圍管段中不同程度的出現(xiàn)了管網(wǎng)超負(fù)荷狀態(tài)，如圖5。經(jīng)實(shí)地考察，由于R區(qū)域地勢(shì)較高，該區(qū)域內(nèi)周圍的管道不同程度的存在超負(fù)荷情況[12]。經(jīng)此驗(yàn)證，采用手動(dòng)劃分的方式劃分集水區(qū)更能滿足建模的準(zhǔn)確性，且以實(shí)地考察為依據(jù)，更具集水區(qū)劃分的科學(xué)性。

圖5 不同劃分方式下R區(qū)域管網(wǎng)超負(fù)荷情況圖

4 結(jié)語

在利用Infoworks ICM建立排水模型的過程中，著重研究了自動(dòng)化分集水區(qū)與手動(dòng)劃分集水區(qū)對(duì)模型運(yùn)行的精度影響。通過采用自動(dòng)、手動(dòng)兩種方法對(duì)集水區(qū)進(jìn)行劃分，并分別進(jìn)行模擬運(yùn)行，從以下兩方面驗(yàn)證了手動(dòng)劃分集水區(qū)可以有效的提高運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確性：

（1）對(duì)研究范圍內(nèi)管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的淹水情況進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，在自動(dòng)化分集水區(qū)方式下雨水全部集中在圖4中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)且嚴(yán)重積水；而在手動(dòng)的方式劃分集水區(qū)的方式下，研究區(qū)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)存在不同程度的積水，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，手動(dòng)劃分集水區(qū)方法下的模擬結(jié)果與實(shí)際相符。

（2）從管道的負(fù)荷狀態(tài)角度對(duì)不同劃分方式下的運(yùn)行結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果表明，在自動(dòng)化分集水區(qū)方式下僅有左側(cè)管道存在超負(fù)荷的情況，而在手動(dòng)的方式劃分集水區(qū)的方式下，研究范圍內(nèi)的管道均存在不同程度的超負(fù)荷的情況。

通過上述分析結(jié)果,得出采用手動(dòng)劃分集水區(qū)的方式模擬的結(jié)果更準(zhǔn)確的結(jié)論。在模型建設(shè)要求較高的情況下，采用手動(dòng)劃分集水區(qū)的方式更能提高模型的準(zhǔn)確性；對(duì)于建模質(zhì)量要求不高，或受項(xiàng)目成本限制時(shí)，采用系統(tǒng)自動(dòng)劃分方式更能節(jié)省時(shí)間，減少人力物力投入，從而節(jié)約成本。本文研究成果為模型更準(zhǔn)確模擬真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為今后提高排水模型的模擬結(jié)果提供思路。

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Research on Optimization of Water Collection Area of Drainage Pipe Network Based on Hydraulic Model

LIN Mei-na1, LI Chao2, XIE Zhi-qiang3, HOU Zhi-qun3, ZHU Da-ming1

(1. Kunming University of Science and Technology Faculty of Land Resources Engineering, Kunming 650000; 2. Pingdu city land and resources bureau, Qingdao 266000;3. Kunming Urban Underground Space Planning Management Office, Kunming 650000)

This article uses Infoworks ICM to establish a drainage model, which is based on two methods of the automatic and automatically combining manual division of catchment areas, and combines field surveys, from the point of view of the situation of the flooding of the pipe network node in the rainstorm condition and the overload of the pipe network, compared the results of the model operation of the watershed by automatically divides and a automatically combining manual division of catchment areas. The results show that the drainage model established by automatically combining manually dividing the catchment area relative to the automatic distribution catchment area can more accurately simulate the actual situation and is more scientific, especially when the drainage model accuracy requirements are relatively high, the automatic combination manual is adopted. The way of dividing the catchment area can make the analysis and application of the drainage model more in line with the real operation status.

InfoWorks ICM; Watershed division rainstorm intensity; Drainage model; Node; Overload

TP302.7

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.028

林美娜(1992-)，女，昆明理工大學(xué)國土資源與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)?s集成與應(yīng)用。

本文著錄格式：林美娜，李超，解智強(qiáng)，等. 基于Infoworks的排水管網(wǎng)集水區(qū)優(yōu)化研究[J]. 軟件，2018，39（7）：134-137