基于Infoworks的排水管網集水區優化研究

林美娜，李 超，解智強，侯至群，朱大明

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基于Infoworks的排水管網集水區優化研究

林美娜1，李 超2，解智強3，侯至群3，朱大明1

（1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，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、自動結合手動劃分集水區兩種方式為研究方法，并結合實地勘察，從管網節點在暴雨條件下淹水情況的角度和管網超負荷的角度對比分析自動劃分與自動結合手動劃分集水區的模型運行結果。結果表明，自動結合手動劃分集水區相對于自動劃分集水區所建立的排水模型能更加準確的模擬現實情況，更具科學性，尤其是在排水模型精度要求比較高時，采用自動結合手動劃分集水區的方式可使排水模型的分析與應用更符合真實運行狀態。

Infoworks ICM；集水區劃分；排水模型；節點；超負荷

0 引言

排水管網系統是城市必不可少的基礎設施之一，是保障城市公共衛生安全、排洪防澇和控制水體污染的核心工程，擔負著收集城市生活污水、工業廢水以及排除雨水的重任[1]。隨著城市現代化的推進，對城市排水管網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世紀六七十年代，國外就引入計算機仿真技術，越來越多的城市通過建立地下排水管網模型，分析評價管網運行現狀，對地下排水管網系統改造提出合理建議并形成體系，以指導該片區排水管線的規劃、建設與管理[3]。

而集水區的劃分對排水管網模擬運行的精度和模型運行結果的分析產生直接影響，集水區的合理劃分可以更好的進行雨水管網系統的設計，所以在模型建立過程中，集水區的劃分就顯得至關重要。城市雨水集水區指匯集雨水和地面水的管渠系統所服務的區域[4]。劃分集水區的方法主要有兩種，分別為系統自動劃分方式及手動劃分方式。本文通過采用兩種方式劃分集水區，并將模型在兩種不同劃分方式下運行分析，得出手動劃分集水區更能提高模型運行準確性的結論。

1 InfoWorks ICM簡介

InfoWorks ICM模型，即城市綜合流域排水模型，是由Wallingford軟件公司開發的世界上第一款城市排水管網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合在一起的獨立模擬引擎的軟件。采用一維和二維水動力學計算模型，從整體上實現對整個城市雨水系統的動態模擬，即可以完整的模擬城市雨水循環過程，雨污水收集系統的工作狀態，排水管網系統與地表收納水體之間的相互作用[5]。

通過排水系統中檢查井、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實現序列的仿真模擬[6]，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及冒溢；當降雨量達到多大時，系統無法正常排澇；為了讓系統在規定設計暴雨重現期正常運行，排水系統進行改擴建的規模是多少[7]。軟件采用分布式的模型模擬降雨-徑流的過程，它將管網進行詳細的集水區劃分，并根據地面的位置以及不同組成要素的地面產流特征對集水區進行劃分，以提高模型的準確度[8]。

2 集水區的劃分

2.1 不同方式的集水區劃分

在模型的構建過程中，系統劃分集水區是指利用Infoworks ICM軟件對大范圍的研究區域進行系統自動化分，即根據泰森多邊形將整個研究區域劃分為一個個小片區，在每個小片區內進行降雨的分配[9]。手動劃分集水區不同于以往的系統自動化分方式，它是指將整個研究范圍內的模型網絡通過手動劃分的方式，劃分成一個個小的子集水區，在此基礎上再進行軟件系統的自動劃分，而非完全的手動劃分集水區，以下簡稱手動劃分集水區。采用系統自動劃分的集水區，如圖1所示：

圖1 系統自動劃分集水區方式結果示意圖

根據管網范圍內的正射影像圖與路網圖將整個排水管網進行初步劃分，即結合道路的邊界和管線走向對集水區域進行劃分。與此同時，結合研究區地勢的高低以及雨水篦子的位置在初步劃分的基礎上進行手動劃分。手動劃分的結果如圖2所示。

2.2 不同劃分方式的比較與分析

對于同一個區域采用兩種不同的方式進行劃分，結果必然有所區別。本文選擇具有代表性的區域R，通過對其在不同劃分方式下的集水區分布進行分析，為后期模型的運行及結果分析奠定基礎。如圖2所示。

圖2 手動劃分集水區方式結果示意圖

R區采用自動劃分方式大部分降雨統一流入到一個檢查井，而采用手動方式劃分結果表明，降水會均勻的流入到絕大部分檢查井，如圖3。通過現場核實R地勢較高，自動劃分的集水區絕大部分降雨進入一個檢查井明顯與實際不符，手動劃分的集水區在考慮多方面的實際現場情況下，更符合實際情況。

圖3 R區域在不同劃分方式下其集水區結果對比圖

3 不同劃分方式下淹水點及超負荷的運行分析

集水區的劃分對排水模型的運行及模擬有著至關重要的影響，因此，本文在不同的劃分方式下，對研究范圍內管網中的節點的淹水狀況以及管網中管段的超負荷狀態進行模擬，以論述集水區劃分的重要性。

3.1 淹水點運行結果分析

分別設計一年一遇、五年一遇、五十年一遇三種不同的暴雨強度，其中將暴雨強度設置為一年一遇的情況，其模擬管網中淹水點數量相對較少，對比不明顯；五十年一遇的暴雨強度，模擬管網中淹水點數量又相對較多，采用兩種不同劃分方式進行淹水點模擬的結果并不明顯。因此，本文選取五年一遇的暴雨強度模式，分別對兩種方式劃分結果進行淹水點的模擬。圖4為兩種不同劃分方式下的淹水點模擬結果。

藍色節點的深淺表示該節點淹水的嚴重情況。在五年一遇的暴雨強度模式下，采用自動劃分集水區的方式模擬結果表明只有兩個節點存在積水的情況，且淹水相對嚴重；而手動劃分集水區的方式模擬結果顯示R區域周圍節點都有不同程度的積水現象。不同的劃分方式影響模擬的結果，通過實地勘察從模擬暴雨強度下管網中淹水點的角度證明了手動劃分集水區的科學性。

3.2 管網超負荷運行結果及分析

管道的負荷狀態是指管道內水流的充滿程度，一般用管道內水深與管道高度的比值來描述[10]。Infoworks ICM中，用“超負荷狀態”來反應管道中的充水程度，即管道的負荷狀態。在從管網在暴雨情況下的淹水點角度證明了手動劃分的科學性，另外將從管網超負荷的角度對不同的劃分方式進行對比分析，進一步證明在手動劃分的科學性。本文中選取3個超負荷狀態的閾值，分別為0.8，1，2。它們表示的含義，如表1所示。

其中，在對管網超負荷進行模擬之前，需對其進行主題設置。在進行主題設置時，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中對管網不同閾值顏色的主題設置，得到R區域管網超負荷主題圖。選取五年一遇的暴雨強度進行管網超負荷情況分析[11]。

圖4 不同劃分方式下暴雨強度模擬

表1 管網超負荷狀態及其含義

Tab.1 Pipeline overload status and its meaning

在R區域，如果采用系統自動劃分方式，則僅在左側的幾條管段中存在超負荷狀態；而采用手動劃分的方式，在R區域的周圍管段中不同程度的出現了管網超負荷狀態，如圖5。經實地考察，由于R區域地勢較高，該區域內周圍的管道不同程度的存在超負荷情況[12]。經此驗證，采用手動劃分的方式劃分集水區更能滿足建模的準確性，且以實地考察為依據，更具集水區劃分的科學性。

圖5 不同劃分方式下R區域管網超負荷情況圖

4 結語

在利用Infoworks ICM建立排水模型的過程中，著重研究了自動化分集水區與手動劃分集水區對模型運行的精度影響。通過采用自動、手動兩種方法對集水區進行劃分，并分別進行模擬運行，從以下兩方面驗證了手動劃分集水區可以有效的提高運行結果的準確性：

（1）對研究范圍內管網中節點的淹水情況進行模擬，結果表明，在自動化分集水區方式下雨水全部集中在圖4中的兩個節點且嚴重積水；而在手動的方式劃分集水區的方式下，研究區內的每個節點都會存在不同程度的積水，經實地調查，手動劃分集水區方法下的模擬結果與實際相符。

（2）從管道的負荷狀態角度對不同劃分方式下的運行結果對比分析，結果表明，在自動化分集水區方式下僅有左側管道存在超負荷的情況，而在手動的方式劃分集水區的方式下，研究范圍內的管道均存在不同程度的超負荷的情況。

通過上述分析結果,得出采用手動劃分集水區的方式模擬的結果更準確的結論。在模型建設要求較高的情況下，采用手動劃分集水區的方式更能提高模型的準確性；對于建模質量要求不高，或受項目成本限制時，采用系統自動劃分方式更能節省時間，減少人力物力投入，從而節約成本。本文研究成果為模型更準確模擬真實運行狀態奠定基礎，同時也為今后提高排水模型的模擬結果提供思路。

[1] 高勝普. 城市燃氣管網安全運行存在的問題及解決措施[J]. 城市建設理論研究: 電子版, 2014(2).

[2] 周小莉. 基于InfoWorks水力模型在排水管網運行管理中的應用[D]. 廣州大學, 2012.

[3] 張小偉, 解智強, 侯至群, 朱大明. 一種基于BP神經網絡耦合排水管線信息的城市河道風險評價研究[J]. 測繪通報, 2014(12): 93—96.

[4] 梁騫, 俞露. GIS空間分析在城市排水防澇規劃中的應用[C]// 2014中國城市規劃年會. 2014.

[5] 王賽男, 邢冬梅. 基于MATLAB 的小波閾值濾波與應用[J]. 軟件, 2015, 36(10): 102-104

[6] 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(8): 21-24.

[7] 卓廣平. 數據挖掘開發及應用研究[J]. 軟件, 2015, 36(5): 81-83

[8] 鄭國棟. Infoworks ICM在市政道路雨水管道設計中的應用[J]. 科技視界, 2015(36): 276-276.

[9] 李超. 基于Infoworks的城市排水模型的建立及應用[D]. 昆明理工大學, 2017.

[10] 黃國如, 王欣. 基于城市雨洪模型的市政排水與水利排澇標準銜接研究[J]. 水資源保護, 2017, 33(2): 1-5.

[11] 劉志生, 李晶, 崔凱, 等. 基于ArcGIS與InfoWorks的城市排水系統模擬研究[J]. 中國給水排水, 2013, 29(21): 144-147.

[12] 全雪峰. 直覺模糊熵計算公式的改進[J]. 軟件, 2015, 36(10): 40-42

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，昆明理工大學國土資源與工程學院碩士研究生，研究方向為3s集成與應用。

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