王富帥，安航永，秦玉盼

（1.廣州禺山水務勘測設計股份有限公司,廣東 廣州 511400；2.昌吉回族自治州水利管理總站,新疆 昌吉831100）

1 引言

城市洪澇安全是城市劃建設和發(fā)展過程中十分重要的問題之一,城市排水防澇設施和海綿城市的建設在城市規(guī)劃階段顯得越來越重要,為貫徹落實習近平總書記防災減災救災重要論述,按源頭治理的理念從項目策劃階段開始落實城市內澇治理要求。本文利用Info Works ICM 建立排水管網數學模型對城市現狀和規(guī)劃排水系統能力進行評估,能夠為項目在策劃階段落實城市內澇治理要求提供規(guī)劃依據,有利于規(guī)劃區(qū)域下一步的城市排水管網體系建設和海綿城市建設。

當前國內外已有相關領域的研究,行業(yè)中應用較多的商業(yè)軟件一般有MIKE URBAN 模型、SWMM 模型、HSPF 模型以及InfoWorks ICM 模型等等,其中,InfoWorks ICM 城市綜合流域排水模型軟件[1]是英國WallingFord 公司開發(fā)的一款能夠較為快速、精確地模擬降雨徑流過程的模擬軟件,并在數據的后處理以及結果分析輸出方面具有一定優(yōu)勢。本文基于InfoWorks ICM 建立一維及二維耦合的廣州市某規(guī)劃區(qū)域的排水管網模型,對該區(qū)域的排水能力及內澇風險進行評估。

2 研究區(qū)域概況

本項目地塊地處廣州市番禺北部,東近南沙港快速路,北至三枝香水道,南抵南大干線,西靠員崗下涌,規(guī)劃范圍總面積約378.99 hm2。本次研究范圍面積為85.43 hm2,項目研究區(qū)域范圍見圖1。

圖1 項目研究范圍示意圖

現狀條件下,根據地形資料和航拍圖提取土地利用數據,分為房屋、綠地、道路、裸土、水體五種土地利用類型,見圖2。

規(guī)劃條件下,結合規(guī)劃區(qū)域用地方案劃分不同土地利用類型,得到規(guī)劃狀態(tài)下的土地下墊面分布情況,見圖3。

圖3 規(guī)劃條件下土地下墊面分布

3 排水系統模型的建立

3.1 降雨模型

本次建模考慮的降雨過程共有兩種,第一種為百年一遇二十四小時設計暴雨過程,采用番禺區(qū)暴雨公式（式（1））計算,得到的降雨過程見圖4。

圖4 100年一遇24 小時設計暴雨過程圖

第二種為五年一遇兩小時設計暴雨過程,根據番禺區(qū)暴雨強度公式（式（2））計算,計算得到的降雨過程見圖5。

圖5 5年一遇兩小時設計暴雨過程圖

3.2 地形數據處理

現狀條件下,根據規(guī)劃范圍及其附近區(qū)域內1∶500 地形圖提取高程數據,在Info Works 中經過高程推斷后得到研究區(qū)域現狀地形,見圖6。

圖6 現狀條件下研究區(qū)域地形圖

規(guī)劃條件下,根據規(guī)劃后的路網節(jié)點高程,結合規(guī)劃道路的走向對研究區(qū)域內的高程進行修補,從而得到規(guī)劃后的地表高程,規(guī)劃狀態(tài)下的地表高程見圖7。

圖7 規(guī)劃條件下研究區(qū)域地形圖

3.3 排水管網數據處理

現狀條件下,結合集水范圍內現有排水管網布局圖,參考相關規(guī)范對雨水井分布較少的管道進行節(jié)點加密,最終得到237 個節(jié)點和5 個出水口,根據加密后的節(jié)點劃分現狀排水管道,得到現狀下排水管道的節(jié)點和出水口布置圖,管道數據統計見表1,管道形式均為圓管,最小管徑為300 mm,最大管徑為1800 mm,管道總長度約為1.23 萬m。根據相關文獻資料確定管道曼寧系數取值為0.013。

表1 現狀條件下管道數據統計表

規(guī)劃條件下,結合規(guī)劃區(qū)域內雨水管網規(guī)劃圖和規(guī)劃區(qū)域外排水管網現狀布局圖,得到規(guī)劃狀態(tài)下集水范圍內排水管網布置。對雨水井分布較少的管道進行加密,最終得到444 個節(jié)點和22 個出水口。根據加密后的節(jié)點劃分排水管道,管道數據統計見表2,管道形式均為圓管,最小管徑為300 mm,最大管徑為1800 mm,管道總長度約為2.48 萬m,管道曼寧系數取0.013。

表2 規(guī)劃條件下管道數據統計表

3.4 河網處理

根據研究區(qū)域現狀條件下排水管網布局圖,現狀條件下區(qū)域內的地表徑流主要經排水管網排放至陳邊涌中,根據規(guī)劃區(qū)域雨水管道規(guī)劃圖,規(guī)劃狀態(tài)下規(guī)劃區(qū)域內的地表徑流主要經過雨水管網排入員崗下涌和陳邊涌,為考慮河道與排水管道之間的連接關系,將陳邊涌、員崗下涌和陳邊涌概化為明渠管道,排水管道與河涌之間通過排水口連接?？紤]河涌水位對管道排水口的頂托作用,采用陳邊涌和員崗下涌20年一遇設計洪水位作為排水管道出水口的水位邊界。陳邊涌設計水位見表3,員崗下涌設計水位見表4。

表3 陳邊涌設計洪水位（P=5%）

表4 員崗下涌設計洪水位（P=5%）

3.5 子匯水分區(qū)處理

現狀條件下,考慮規(guī)劃區(qū)域的集水范圍,確定模型一維產匯流區(qū)域外邊界,根據排水管道的走向和布局劃分排水分區(qū),在排水分區(qū)內部管道節(jié)點進一步劃分子匯水區(qū),共得到子匯水區(qū)250 個,其分布見圖8。

圖8 現狀條件下子匯水區(qū)分布圖

規(guī)劃條件下,結合規(guī)劃區(qū)域雨水管網布置圖調整規(guī)劃區(qū)域的集水范圍,根據管道走向劃分排水分區(qū),在排水分區(qū)內部結合排水管網節(jié)點分布劃分子匯水區(qū),共得到子匯水區(qū)共445 個,其分布見圖9。

圖9 規(guī)劃條件下子匯水區(qū)分布圖

本模型采用固定徑流系數法對子匯水區(qū)進行產流計算,匯流模型選擇SWMM。根據圖6、圖7 中的土地利用類型分布,計算道路、房屋、綠地、裸土和水體五種下墊面類型在各子匯水區(qū)內所占比例,采用加權平均得到各子匯水區(qū)的產匯流參數,各類型下墊面的產匯流參數參考相關文獻確定,見表5。

表5 產流表面相關屬性參數表

3.6 二維模型構建

InfoWorks ICM 實現了洪水模擬方案一維（1D）與二維（2D）模型的耦合,1D 模型通常使用以評估排水能力以及提供溢流節(jié)點位置及溢流水量,而2D 模型則用來模擬研究區(qū)地面洪水流速、流向以及深度等情況。

將地表高程數據導入在InfoWorks ICM 內,生成地表TIN模型。基于地表TIN 模型在InfoWorks ICM 中劃定用于模擬內澇積水的2D 區(qū)間。實現1D 及2D 模型的耦合,將模型中的檢查井節(jié)點的洪水類型由Manhole 修改為2D,分別構建得到研究區(qū)現狀和規(guī)劃狀態(tài)下InfoWorks ICM 一二維耦合城市洪澇模型,分別見圖10 和圖11。

圖10 現狀條件下InfoWorks ICM 模型

圖11 規(guī)劃條件下InfoWorks ICM 模型

4 計算工況

本次研究計算共考慮3 種計算工況,分別見表6。

表6 計算工況統計表

5 計算結果

5.1 工況一計算結果

工況一條件下模型模擬所得最大淹沒水深（圖12）、最大水流流速（圖13）分布情況,得到洪澇風險等級分布情況,見圖14。經分析,現狀條件下,研究區(qū)域大部分處于無洪澇風險狀態(tài)（95.00%）,少部分處于中風險（2.40%）和低風險2.60%狀態(tài)。

圖12 工況一最大淹沒水深分布圖

圖13 工況一最大水流流速分布圖

圖14 工況一洪澇風險等級分布圖

5.2 工況二計算結果

工況二條件下,得到最大淹沒水深和最大水流流速分布圖,見圖15、圖16,此工況下,研究區(qū)域大部分處于無風險狀態(tài)（95.8%）,少部分處于低風險（3.84%）和中風險（0.38%）狀態(tài),洪澇風險等級分布見圖17。

圖15 工況二最大淹沒水深分布圖

圖16 工況二最大水流流速分布圖

圖17 工況二洪澇風險等級分布圖

5.3 工況三計算結果

工況三模擬得到的百年一遇二十四小時設計暴雨下研區(qū)域最大淹沒水深分布情況見圖18,最大水流流速分布情況見圖19。

圖18 工況三最大淹沒水深分布圖

在布設調蓄設施后,研究區(qū)域內絕大部分處于為無風險或低風險狀態(tài)。其中,無風險地區(qū)占99%,低風險地區(qū)占0.8%,中風險地區(qū)占0.2%,洪澇等級風險圖分布見圖20。

圖20 工況三洪澇風險等級分布圖

5.4 模型驗證

根據以往資料整理,研究區(qū)域所在排澇片共2 處歷史積水點。2018年的超強臺風“山竹”,引起的風暴潮水位超過了以往記錄,珠江河道水位達 8.07 m～8.27 m,造成全市多處堤段漫堤及倒灌。經過與工況一模擬結果相比較,部分區(qū)域淹沒程度不同,原因可能是模型所采用的基礎地形資料局部高程與歷史高程不同,才導致了部分區(qū)域淹沒深度發(fā)生了變化。另考慮到2018年以來,全市防洪排澇體系和海綿設施建設更加完善,模型工況一的模擬結果與歷史淹沒情況相比,區(qū)域被淹沒面積有所減少,是合理的,從而說明了模型模擬結果是可靠的。

5.5 洪澇風險等級評定

根據區(qū)域防洪（潮）排澇規(guī)劃,研究區(qū)域防洪標準為200年一遇,堤防級別為1 級。根據《西、北江下游及其三角洲網河河道設計洪潮水面線》（試行）,本項目所在堤段200年一遇設計洪（潮）水位為7.70 m。根據研究區(qū)域豎向規(guī)劃,道路豎向規(guī)劃標高7.70 m～13.28 m,均不低于200年一遇洪潮水位。研究區(qū)域洪水風險等級評定為“低”級。

在按規(guī)劃布設調蓄設施后,研究范圍絕大部分區(qū)域遭遇100年一遇24 小時暴雨時最大淹沒水深小于0.5 m,為低內澇風險狀態(tài)。規(guī)劃條件下區(qū)域內澇風險等級評定為“低”級。

綜上,研究區(qū)域洪澇風險等級綜合評定為“低”級。

6 結語

利用Info Works ICM 建立排水管網數學模型,能夠有效的對城市排水系統的排水能力進行模擬和評估,得到更為直觀的淹沒深度和風險等級分布情況,便于項目在策劃階段參照《城市防洪應急預案編制導則》（SL 754-2017）確定項目洪澇風險等級,便于提高城市內澇防治能力,減輕因內澇帶來的損失,進一步提升城市水安全。