Infoworks ICM在市政道路雨水管道設計中的應用

鄭國棟

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京210019）

關于雨水設計流量的計算方法，我國目前采用恒定均勻流推理公式，即Q=Ψ·q·F計算。恒定均勻流推理公式基于以下假設：降雨在整個匯水面積上的分布是均勻的；降雨強度在選定的降雨時段內均勻不變；匯水面積隨集流時間增長的速度為常數，因此推理公式適用于較小規模排水系統的計算，當應用于較大規模排水系統的計算時會產生較大誤差。隨著技術的進步、管渠直徑的放大和水泵能力的提高，排水系統、匯水流域面積逐步擴大應該修正推理公式的精確度。發達國家已采用數學模型模擬降雨過程，把排水管渠作為一個系統考慮，并用數學模型對管網進行管理。

1 模型簡介

Infoworks ICM(Integrated Catchment Manage—ment)模型，即城市綜合流域排水模型，是由Wall—ingford軟件公司開發的，實現了城市排水管網系統模型與河道模型的整合，更為真實的模擬地下排水管網系統與地表受納水體之間的相互作用。它在一個獨立模擬引擎內，完整的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結合在一起，是世界上第一款實現在單個模擬引擎內組合這些模型引擎及功能的軟件。

2 排水系統模型構建

通過對排水系統中檢查井、管道、泵站以及其他排水構筑物的流量、水位、流速、充滿度以及泵的啟閉等時間序列的仿真模擬，排水模型提供的結果可為用戶分析現狀排水管網系統的工作狀態。借助這些分析，可了解排水管網是否出現超負荷運行或冒溢；當降雨量達到多大時，系統無法正常排澇；為了讓系統達到規定設計暴雨重現期的雨水，排水系統進行改擴建的規模是多少。

2.1 研究對象概況

模型以江蘇如東縣洋口港臨港工業區二期南北向道路東堤路為研究對象，東堤路為新建道路，連接北堤路和海堤路，總長2.38km，路寬24m，雙側布置雨水管道。

東堤路西側為經七河，東側為地塊，雨水系統主要收東側地塊雨水排入經七河。經七河為現狀河道，河底標高：中心河以南為-0.69m(85高程，下同)，中心河以北為-1.19m；經七河最高水位為2.01m，常水位1.81m。

2.2 建模所需數據（圖1）

模型建立需要的數據如下：（1）管道材料、管徑、坡度及管內底標高；（2）匯水面積圖；（3）道路范圍線以及河道范圍線；（4）規劃豎向或控制參數；（5）規劃徑流系數；（6）當地最新暴雨強度公式；（7）河道水位數據等。

圖1 東堤路雨水匯水面積圖

2.3 構建模型網絡

2.3.1 管道、檢查井鴻業格式的管道、檢查井數據包括設計管道編號、管徑、設計地面標高、設計管內底標高、檢查井X、Y坐標等，將這些數據處理成CSV格式，方可導入Infoworks ICM。

2.3.2 子流域集水區

方案階段所繪制的匯水面積圖，可直接以dwg格式導入。

2.3.3 道路、河道匯水面積圖中所包含的道路、河道等信息同樣可直接以dwg格式導入Infoworks ICM。

2.3.4 規劃地形高程根據地塊豎向規劃或控制參數制作地形文件，以txt格式（包含散點的X、Y坐標及高程值）導入Infoworks ICM。

2.4 降雨事件

由于缺少詳細的降雨觀測資料，無法建立當地的雨型，故選擇目前被廣泛運用的“芝加哥雨型”結合當地暴雨強度公式，生成方案的設計雨型。方案對2年一遇常規降雨和20年一遇特大暴雨分別進行模擬。

2年一遇降雨，降雨歷時取2小時，最大降雨強度為112mm/h（圖2）。

圖2 兩年一遇2h設計雨型

20年一遇降雨，降雨歷時取24小時，最大降雨強度為200mm/h（圖3）。

圖3 二十年一遇24h設計雨型

2.5 河道水位

河道水位來源于該地區防洪規劃。

2.5.1 常水位

應對2年一遇短歷時降雨工況，設定水位為常水位1.81m。

2.5.2 汛期排澇水位

應對20年一遇長歷時排澇工況，設定水位如圖4所示。控制水位2.01m，汛期之前預降至0.31m。

圖4 二十年一遇設定水位

2.6 模擬結果

本項目雨水流量按推理公式法計算，現采用Infoworks ICM模型校核，結果如圖5；可見發生2年降雨的情況下，雨水不會溢出地面，說明本方案設計的雨水管道符合要求。

圖5 二年一遇雨水管縱斷面圖

對20年一遇長歷時降雨的情況下采用Infoworks ICM進行模擬，結果如圖6；可見雨水仍然不會溢出地面，說明本方案設計的雨水管道滿足20年一遇長歷時降雨的排澇要求。

圖6 二十年一遇雨水管縱斷面圖

3 結論

模型能夠計算流量過程線，采用非恒定流非均勻流計算，使排水情況更接近實際。

通過引入河道水位和地面高程，能夠耦合雨水管道、河道、地面積水，真實地模擬雨水管道淹沒出流和檢查井溢水地面漫流的情況。

Infoworks ICM不僅可以用于新建道路的雨水方案設計，評估管道設計的合理性，還可以用于老路改造方案設計，對現狀管道進行排水能力評估并提出解決方案。另外，《室外排水設計規范（2014版）》已經明確提出當匯水面積超過2km2時，雨水設計流量宜采用數學模型進行確定。可見，排水模型在市政道路雨水設計中的應用必定越來越廣泛。

［1］寧靜.上海市短歷時暴雨強度公式與設計雨型研究[D].上海:同濟大學,2006.

［2］鄧培德.城市雨水溝道容量平衡法設計流量的研究[J].給水排水,2006,32(2):21-26.

［3］李建勇.Infoworks ICM在城市排水系統分析中的應用[J].中國給水排水,2014,30(8):21-24.