王詩(shī)婧

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，上海 200092)

1 引言

城市雨水管網(wǎng)擔(dān)負(fù)著收集和排出雨水的重責(zé)，是重要城市基礎(chǔ)設(shè)施，而近年來(lái)我國(guó)許多城市與地區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響著人民生活與社會(huì)經(jīng)濟(jì)，因此對(duì)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進(jìn)行診斷與評(píng)估，分析現(xiàn)狀排水能力，有助于進(jìn)一步對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行改造與優(yōu)化[1]。同時(shí)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50014-2006)》(2016版)中要求當(dāng)匯水面積超過(guò)2 km2時(shí)，宜采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算雨水流量[2]。

排水系統(tǒng)模型經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展歷程，現(xiàn)如今已涌現(xiàn)出大量成熟的商業(yè)化或開源化排水系統(tǒng)水力水質(zhì)模型，如MIKE URBAN(MOUSE)、SWMM等，這些模型推動(dòng)了城市水環(huán)境治理的研究工作[3, 4]。綜合國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)研究及工程表明，應(yīng)用較為廣泛的排水系統(tǒng)模型主要包括：SWMM、DR3M-QUAL、HSPF、MIKE URBAN(MOUSE)和InfoWorks ICM。其中SWMM、MIKE URBAN、InfoWorks ICM三種綜合性集成模型，包含水文、水力、水質(zhì)模塊。因而三種模型具備準(zhǔn)確模擬排水系統(tǒng)水文水動(dòng)力過(guò)程等優(yōu)勢(shì)，可為城市水資源的可持續(xù)利用、污染控制、排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)與管理以及城市防洪提供綜合決策方案，因而成為城市排水系統(tǒng)治理與研究的主要模型。

2 排水能力分析方法

2.1 Infoworks ICM模型簡(jiǎn)介

Infoworks ICM是由英國(guó)Wallingford模型公司開發(fā)的一款綜合流域排水系統(tǒng)模型，可以進(jìn)行一維和二維模擬，廣泛用于排水系統(tǒng)現(xiàn)狀評(píng)估、城市洪澇災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)估、城市降雨徑流控制及調(diào)蓄設(shè)計(jì)評(píng)估，由一維城市排水管網(wǎng)排水系統(tǒng)水力模型、一維河道系統(tǒng)水力模型、二維城市/流域洪澇淹沒模型組成，系統(tǒng)完整模擬城市雨水循環(huán)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合，更為真實(shí)的模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表收納水體之間的相互作用[5]。

其主要模塊包括：排水管網(wǎng)水力模型(水文模塊，管道水力模塊，污水量計(jì)算模塊)、河道水力模型、二維城市/流域洪澇淹沒模型、實(shí)時(shí)控制模塊、水質(zhì)模塊、可持續(xù)構(gòu)筑物模塊。

水力模塊中水流在管道內(nèi)部以一維圣維南方程組為基礎(chǔ)依據(jù)進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)計(jì)算，它們是一對(duì)質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒等式，可以完整的模擬管道或渠道內(nèi)的水力學(xué)狀態(tài)，精確模擬回水和溢流現(xiàn)象。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Q：流量(m3/s)；A：橫截面積(m2)；g：重力加速度(m/s2)；θ：水平夾角(度數(shù))；S0：床層坡度；K：輸送量(采用柯列勃洛克-懷特或曼寧公式計(jì)算)。

水文模塊中采用分布式模型模擬降雨-徑流，基于詳細(xì)的子集水區(qū)空間劃分和不同產(chǎn)流特性的表面組成進(jìn)行徑流計(jì)算，主要計(jì)算單元包括：初期損失、產(chǎn)流計(jì)算、匯流計(jì)算。模型中產(chǎn)流模塊分為固定比例徑流模型、WallingFord固定徑流模型、新英國(guó)徑流模型、美國(guó)SCS模型、Green-Ampt滲透模型、Horton滲透模型、固定滲透模型。匯流模型分為雙線性水庫(kù)模型、大型貢獻(xiàn)面積徑流模型、SPRINT徑流模型、Desbordes徑流模型、SWMM徑流模型。

2.2 排水能力判定標(biāo)準(zhǔn)確定

我國(guó)傳統(tǒng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)管道內(nèi)流態(tài)按滿管均勻流考慮，計(jì)算設(shè)計(jì)流量時(shí)的水力坡度等于管底坡度，如圖1(a)所示。重力管渠中，形成壓力流但尚未溢出地面形成澇水的水力狀態(tài)分為2種：第1種是管渠的水力坡度小于管底坡度，如圖1(b)所示，根據(jù)水力學(xué)原理，該種狀態(tài)表明管道已充滿，水力坡度小于等于管道坡度，管道排水能力未達(dá)到設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，且管道的排水能力主要受到下游管道頂托的限制；第2種是管渠的水力坡度大于管底坡度，如圖1(c)所示，此時(shí)管道排水能力未達(dá)到設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，且管道的排水能力受自身管徑的限制。因此，這兩種狀態(tài)都被視為“超載狀態(tài)”，在評(píng)估中，若管道出現(xiàn)“超載”狀態(tài)，則視為該段雨水管道的排水能力不能滿足相應(yīng)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 排水能力判定標(biāo)準(zhǔn)

InfoWorks ICM(城市綜合流域排水模型系統(tǒng))軟件可以較為有效準(zhǔn)確地對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行管道排水能力評(píng)估，對(duì)于上述超載狀態(tài)1，軟件中以值1表示，超載狀態(tài)2，以值2表示。因此不論超載狀態(tài)是1或是2，均表示管道不能滿足水流排放要求，即達(dá)到超負(fù)荷狀態(tài)。

2.3 排水能力分析流程

基于Infoworks ICM的管網(wǎng)排水能力分析的主要流程如圖2所示。

圖2 排水能力分析流程

3 模型構(gòu)建

3.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于我國(guó)某東部沿海城市Y市核心區(qū)C，Y市位于蘇北平原中部，屬于北亞熱帶向暖溫帶氣候過(guò)渡地帶，地勢(shì)平坦，區(qū)域面積108.73 km2，區(qū)內(nèi)雨水管道總長(zhǎng)406 km，區(qū)域外河包圍、區(qū)內(nèi)河道縱橫，屬于典型的平原水網(wǎng)城市，采用圩區(qū)排水與局部強(qiáng)排相結(jié)合排水模式。

3.2 地形與下墊面解析

區(qū)域內(nèi)下墊面情況復(fù)雜，建立片區(qū)C地理信息系統(tǒng)利用ArcGIS對(duì)區(qū)域C進(jìn)行下墊面解析與高程分析，解析結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 高程分布情況

圖4 下墊面解析結(jié)果

研究區(qū)域地貌形態(tài)屬堆積平原，境內(nèi)地勢(shì)平坦低洼，地面高程大部分在1.8～2.4 m；進(jìn)行下墊面解析后，得出以下結(jié)論：研究區(qū)域?yàn)槌鞘忻芗ǔ蓞^(qū)，居民房屋、商業(yè)用地為主，建筑密度高，占總面積的30%，總不透水地面占比接近總面積的60%，綠地率僅為總面積的24.6%，根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)(2016版)中給出的不同地表類型徑流系數(shù)取值推薦，按照加權(quán)平均算法得出研究范圍綜合徑流系數(shù)為0.65。

3.3 模型參數(shù)確定

根據(jù)模型手冊(cè)以及相關(guān)文獻(xiàn)得到一定的參數(shù)取值范圍，根據(jù)研究區(qū)域綜合徑流系數(shù)，進(jìn)行參數(shù)率定得到最終參數(shù)取值(表1)。

3.4 管網(wǎng)模型構(gòu)建

管網(wǎng)模型構(gòu)建包括檢查井坐標(biāo)、拓?fù)潢P(guān)系、管道管徑、管底標(biāo)高、管頂標(biāo)高等基本數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于最新管線普查資料，利用地理信息系統(tǒng)ArcGIS軟件將信息整合并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。InfoWorks模型軟件與ArcGIS高度耦合，可以直接將ArcGIS數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入模型，形成研究區(qū)域雨水管網(wǎng)模型(圖5)。

表1 模型參數(shù)取值

圖5 雨水管網(wǎng)模型

3.5 子匯水區(qū)劃分

對(duì)于平原河網(wǎng)區(qū)域，河網(wǎng)密布，地勢(shì)較為平坦，豎向高程分布均勻，因此在這種研究區(qū)域基本采用基于傳統(tǒng)DEM法和Voronoi圖法(通常被成為泰森多邊形法)進(jìn)行子匯水區(qū)劃分[6]。本文根據(jù)地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)的整合，利用GIS對(duì)地塊的數(shù)字高程圖(DEM)進(jìn)行水文分析，劃分出局部流域之后利用泰森多邊形再進(jìn)行劃分(圖6)。

3.6 降雨雨型設(shè)計(jì)

Y市最新暴雨強(qiáng)度公式如下：

(3)

式(3)中：i—暴雨強(qiáng)度(mm/min)；P—重現(xiàn)期，a；t—降雨歷時(shí)，min。

設(shè)計(jì)暴雨的降雨過(guò)程(降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的分配)稱為設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配雨型。根據(jù)國(guó)內(nèi)外雨型研究論文及試驗(yàn)結(jié)果，平均雨強(qiáng)以往研究較多，而對(duì)降水時(shí)空分布變化的研究較少。在小流域洪水計(jì)算的推理公式中，常把雨強(qiáng)作均勻概化，即采用均勻雨型，這與絕大多數(shù)實(shí)際降雨不符，因此本文按照當(dāng)?shù)赝扑]的同頻率不同歷時(shí)平均雨強(qiáng)擬定設(shè)計(jì)暴雨雨型，及芝加哥法[7, 8]確定Y市暴雨雨型，根據(jù)《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》(GB51222-2017)中的推薦采用降雨歷時(shí)為3h以設(shè)計(jì)雨型(圖7)。

圖6 子匯水區(qū)劃分結(jié)果

圖7 不同降雨重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)降雨

4 結(jié)果與討論

4.1 不同降雨重現(xiàn)期下溢流點(diǎn)位分析

在以上不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)降雨，分別對(duì)排水管網(wǎng)模型進(jìn)行模擬運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)其在不同降雨重現(xiàn)期下溢水節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，分析結(jié)果如表2。

表2 不同降雨重現(xiàn)期下溢水點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以上表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出，在設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期為1年時(shí)，就有28.9%的節(jié)點(diǎn)存在溢水現(xiàn)象，而在現(xiàn)狀管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期2年的設(shè)計(jì)降雨下，高達(dá)64.91%的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)存在溢水現(xiàn)象，現(xiàn)狀管網(wǎng)實(shí)際排水能力遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，導(dǎo)致較大重現(xiàn)期降雨條件下會(huì)有城市內(nèi)澇的危險(xiǎn)存在。

4.2 管網(wǎng)排水能力分析

在InfoWorks中分別對(duì)以上四種降雨情景進(jìn)行一維管網(wǎng)水力模擬，得出在不同降雨重現(xiàn)期下管道管道的排水能力，將模擬結(jié)果導(dǎo)出至ArcGIS中，根據(jù)排水能力判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選與整理，得到如下管網(wǎng)排水能力評(píng)估圖8。

圖8 排水能力評(píng)估

同時(shí)利用ArcGIS分別對(duì)管網(wǎng)排水能力在降雨重現(xiàn)期小于1年一遇、大于等于1年一遇小于2年一遇、大于等于2年一遇小于3年一遇、大于等于3年一遇小于5年一遇以及大于5年一遇的管線長(zhǎng)度進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

表3 現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力分析

現(xiàn)狀排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期以1～2年居多，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，排水管網(wǎng)的排水能力逐步下降，若現(xiàn)狀排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3年，則有約89%的管段沒有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)本文通過(guò)Infoworks ICM水力模型軟件結(jié)合產(chǎn)匯流方式的選擇，建立片區(qū)排水系統(tǒng)雨水模型，可以較為精確的模擬現(xiàn)實(shí)排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了排水系統(tǒng)更加精確與直觀的模擬計(jì)算。

(2)本文在不同設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期下分別對(duì)研究區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)進(jìn)行模擬分析，通過(guò)以上方法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行管網(wǎng)排水能力分析，明確了現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，研究結(jié)果可以為實(shí)際判斷管網(wǎng)排水能力提供有力的參考依據(jù)，分析不達(dá)標(biāo)管段，從而為進(jìn)一步的管網(wǎng)改造提供依據(jù)。