基于Infoworks ICM的全流域排水模型構建及分析—以青島市黃島區小辛河-長安河流域為例

■ 孫建海 王 琳

一、區域背景及管網現狀

小辛河-長安河流域位于青島市西海岸新區，西起海西中路，東到小辛河、大盧河與小辛河、豆金河之間的分水嶺，北起沈海高速，南到風河，面積26.8平方公里。流域總體高程5～50米之間，地形北高南低，北部為低矮丘陵，南部地勢平坦。小辛河、長安河是該區域主要排洪河道。長安河干流長2.4公里，坡降0.34%，小辛河全長6.4公里，小辛河西支流全長4.1公里現狀長安河、小辛河支流及小辛河上游河道在旱季基本干枯，小辛河下游河道在旱季水深約為1米左右。

圖1 小辛河-長安河流域區位圖

小辛河-長安河流域作為黃島區的中心城區，已建成以合流制為主、分流制為輔的排水管網，管網總長130.5公里。根據收集的有關部門管網數據結合現場調研，小辛河-長安河流域現狀雨水管線管徑管長分布如下：

現狀排水系統存在的問題：

1.部分管道建設年代較久遠，已經達到使用年限；部分管線在穿越河道處污水管道破損，大量污水直接流入下游的河道，造成污染；部分管段淤積堵塞嚴重， 排水管渠缺乏有效養護，造成排水出路不暢而形成積水。

2.由于城中村問題非常嚴重，管線改造和鋪設的難度加大，有許多地區目前還沒有雨水管線，致使雨水散排，在道路低洼處形成積水。

3.黃島區現有地塊開發時缺少相應的防澇設計，無法在源頭實現雨水量削減。豎向規劃與排水規劃不能有效銜接，造成地塊開發時出現局部低點，或者局部低洼點，盆地排水不暢，形成積水點。

4.黃島區大部分河道直排入海，區內部分雨水管網也直排入海，因此，發生天文大潮時，河道及部分管網容易受到潮水頂托。潮水頂托時，河道內洪水無法及時排走。

圖2 小辛河-長安河流域匯水范圍

二、排水模型建立與分析

本研究的目標為對黃島小辛河-長安河流域現狀排水管網進行現狀水力評估，輔助規劃改造方案的制定。

（一）建模基礎數據

綜合數據收集、調研及現場調查，小辛河-長安河流域排水模型數據包括以下材料：

1.現有排水系統資料：包含了小辛河-長安河流域排水系統的管道和檢查井信息；

2.道路規劃資料：包括道路規劃和排水規劃；

3.下墊面資料：包括了用地屬性數據，匯水區數據；

4.現場實測資料： 包括現狀管線淤塞情況、河流水位等；

5.地面模型資料：包括現狀地面模型和規劃地面模型；

6.降雨資料：黃島區最新暴雨強度公式；

7.潮位數據；

8.電子地形圖等。

（二）一維模型的建立

1.數據導入及處理

將數據導入軟件，并結合現場調研及工程經驗對數據進行補充，并修正錯誤數據，建立管網拓撲結構，劃分匯水分區，構建小辛河-長安河流域排水模型。區域面積約30平方公里，北至沈海高速，南到風河北路，東到海西路，西至高城路。匯水范圍詳見圖2。

2.水量模擬

以芝加哥雨型作為設計雨型，根據最新黃島區暴雨強度，得到不同的暴雨重現期下2小時時長的降雨過程線。

黃島區暴雨強度公式如下：

式中：q-降雨強度（L/S·Ha）

t-降雨歷時（min）

P-重現期（年）

計算得出1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇情況下的2小時時長的降雨過程線，如圖3所示。

（三）二維模型的建立

1地面高程模型的建立

本次地面高程模型的原始數據主要來自于CAD測繪數據中的高程點，并結合實際測量對誤差點進行修正。

2.全流域2D模擬

圖3 不同暴雨重現期下降雨過程線

通過現場勘查，結合電子地形圖，將包括路邊石，擋墻和河道等在內的2D 輔助模擬對象添加至模型中，得到全流域的2D模擬模型，如圖4。

3.河道潮位模擬

流域內小辛河及長安河均經風河入海，區內部分雨水管網也直排入海，因此，發生天文大潮時，河道及部分管網容易受到潮水頂托，加劇內澇。本次評估將潮位數據作為管網系統末端邊界水力條件來模擬，進行內澇分析時，考慮潮位對內澇的影響。

（四）現狀排水管網評估

以現狀排水管線的尺寸、坡度為原始數據，結合匯水面積，對小辛河-長安河流域內現狀排水管網排水能力進行評估。引入重現期分別為1、2、3、5年120 分鐘的設計降雨，分別計算不同重現期下各管網的管道充滿度，以此得到管道的管道充滿或超負荷評價。根據計算結果，將流域內現狀排水管道分為排水能力小于1年一遇、1到2年一遇、2到3年一遇、3到5年一遇、大于5年一遇五類，其各類占比見下表2，在流域內的分布情況見下圖5。

圖4 全流域的2D 模擬模型

表2 流域內不同排水能力管道占比

圖5 不同排水能力管道在流域內分布圖

由表2得知，小辛河-長安河流域內現狀排水管網中，約 50%的管道不滿足1年一遇設計重現期，大約70%的管道不滿足2年一遇設計重現期，整體排水能力差。

由圖5可以看出，不滿足1年一遇重現期的管道大部分位于西側老城區及城中村內，這些區域建設較早，排水管線配套不完善，管徑較小，且區域內硬化的土地占比較大，地勢較為起伏，影響了雨水的行泄。

（五）現狀管網內澇積水評估

1.內澇標準

黃島區城市建設用地、區域交通設施用地、區域公共設施用地和特殊用地發生以下情況時，即可認為發生內澇：

（1）發生50年一遇的降雨時，在降雨停止30min后道路中一條車行道的積水深度超過15cm，積水面積超過150m2；

（2）發生50年一遇的降雨時，在降雨停止30min后道路中心積水，且積水面積超過150m2；

（3）發生50年一遇的降雨時，在降雨過程中或者降雨停止后居民住宅和工商業建筑物的底層進水。

圖6 長歷時雨型分配

圖7 50年一遇長歷時降雨過程線

2.內澇分析

由于黃島目前還沒有長歷時的市政雨型，50年一遇的降雨采用水利行業的長歷時雨型，總降雨245mm，歷時18小時，最大雨強196mm/h。雨型分配及降雨過程線見圖6、圖7所示。

根據模擬50年一遇長歷時暴雨數據和模型分析，在長歷時暴雨18小時的情況下（降雨量達到245mm），超過20%的街道積水超過20cm。大約 60%的檢查井滿管。

50年一遇長歷時暴雨下小辛河-長安河流域內內澇積水情況模擬見圖8。

圖8 現狀50年一遇長歷時降雨內澇情況

圖9 規劃改造后不同排水能力管道在流域內分布情況

三、管網規劃方案及評估

（一）管網規劃方案

針對現狀小辛河-長安河流域現狀管網存在的問題，根據青島西海岸新區排水（雨水）防澇綜合規劃，對流域內管網進行規劃設計，以解決流域內存在的內澇問題。

將流域分為16個匯水分區，結合各區域的實際特點及管網現狀，結合地形地貌進行針對性地管網改造。最終排水采用雨污分流制，新建137km 的雨水管網，將雨水就近排入小辛河、長安河，最后匯入風河入海。

（二）規劃管網排水能力評估

根據規劃的雨水管網，建立水力模擬模型。采用1、2、3、5年一遇降雨的芝加哥雨型線，對規劃管網排水能力進行評估。通過模擬發現，規劃排水管網僅有8.8%管道不滿足3年一遇設計重現期，大約46%的管道能滿足5年一遇設計重現期標準。規劃改造后不同排水能力管道在流域內分布情況見圖9，規劃改造前、改造后不同排水能力管道占比對比見下表3。

表3 規劃改造前后不同排水能力管道占比對比