基于InfoWorks ICM的歷史街區雨水管網系統優化實踐

劉云帆，周琪皓，楊新宇

(中規院規劃設計公司，北京 100044)

歷史街區所呈現的是街區內所有的事物及其環境，隨著時間變換疊加出的具有某一時代鮮明特色的縮影。歷史街區既是一種藝術，也是一種見證，反映某種地域文化、風俗習慣及生活方式，具有獨特的歷史價值。當前，如何延續古城文化，維持其生命力，并打上我們這個時代的烙印，實現以人為本的動態街區保護，是對這個時代提出的課題。隨著居民對生活環境要求的提升，歷史街區內的市政設施短板逐漸凸顯，城市水文循環失衡，內澇頻現，臭水橫流，電路老化，線網雜亂，人與城的矛盾日益加劇。市政基礎設施的更新與建設成為實現歷史街區的動態保護最迫切的一環。

在舊城歷史街區內進行市政基礎設施建設與改造，需要綜合考慮多方面因素。歷史街區的特殊性，老城道路條件的局限性，以及文保建筑對地基擾動的高敏感性，都對市政管線的敷設方式、管線間距、施工工藝等提出了更高要求。要在歷史街區的狹窄街巷中實現給水、污水、雨水、電力、通信、燃氣六種管線的優化排布，盡可能實現全部市政管線入地敷設，解決雨水管線的優化設計是核心。既要滿足城市排水防澇的要求，符合當前古城發展的規劃；又要盡可能優化雨水管線路，合理設計管線規模及埋深，優化管位空間。

我國應用InfoWorks ICM模型的案例較多，如蘇州、棗莊、上海、廈門鼓浪嶼等地的水安全評估或排水管網優化設計，有諸多優勢。InfoWorks ICM模型將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結合在一起，更為真實地模擬地下排水管網系統與地表收納水體之間的相互作用，系統而完整地模擬城市雨水循環過程，對城市區域內澇模擬效果較佳，尤其可應用于歷史街區或有特殊條件限制的道路。本文中的東南某市是國家“雙修”試點城市之一，規劃片區又為國家首批的30個歷史文化街區之一。因此，重振古城功能活力、重鑄古城文化意向、重構古城基礎設施，對于人、城都是亟需的。

本文以東南某市的古城區為例，結合其獨特的歷史文化背景和城市發展規劃，剖析其現狀水安全問題，運用InfoWorks ICM模型軟件對片區雨水管線規劃方案進行模擬，對比不同方案的內澇風險降低能力，結合多因子的層次分析，最終為古城雨水管網系統優化提出可行性設計，以期為該市的“雙修”規劃中的雨水工程提出適應性技術，并為其他歷史街區的雨水管網系統優化提供經驗、范本。

1 規劃背景

東南某市處于亞熱帶海洋性季風氣候地區，其氣候特點為：年平均氣溫在19.5～21℃之間，全年無霜期長，沿海地區基本無霜。年降雨量1000～1800mm，自東南部向西北部遞增。干、濕季分明，3—9月降水量占全年總降水量的80%，且降水量年際間變化大，少雨年份降水量不及多雨年份降水量的一半。

該市歷史悠久，保有較多具有東南地區城市文化特色的古城古建筑，現保留古城區面積約6km2。古城區自唐代起即存有一些內溝河，其原本的排水系統保存比較完善，結構較為完整，錯綜復雜形如蛛網。但隨著時代的變遷，在現代城市的建設過程中，一些原有的內溝河被填埋或被改為暗溝，原始的排水系統被破壞，失去其完整性，導致污水排放不暢，造成城市內澇、水質惡化和河道淤積。

本文規劃涉及的建元路片區位于古城歷史風貌區的核心區，該片區總匯水面積約73hm2，片區內存在寺廟等大量歷史文化保護單位。經過調查，其現狀積水點基本分布于古塘路、零號路、打西巷、丹霞路、益民路等地，上述積水點產生原因除了原有雨水管網設計標準較低而管道溝渠規格較小以外，還有當地地形高低起伏較大，其地勢較低處容易產生積水，以及片區排水下游處水位較高，降雨強度較大時水量過大不能及時排放從而產生回灌現象。

2 雨水排放現有問題

根據對規劃片區內及建元路片區目前排水系統的設計情況、當地高程、排放口水位等多個因素進行的綜合研究，分析可得該區域的雨水排放目前主要存在下述三個問題。

2.1 下游水位較高

片區內現有的雨水排放系統設計將雨水排至該規劃片區下游的草寮街的雨污合流管渠。但是該處水位較高，雖然排向草寮街益民路路段的排水管徑并不小，但與草寮街的排水管渠在豎向不能合理銜接，導致在交匯處排水不通暢，從而容易產生溢流積水的問題。

2.2 設計標準較低

建元路片區的雨水排放系統采取的是雨污合流的排放方式，如圖1所示，匯水流域78 hm2，匯水面積大。由于片區內現存排水管渠系統建設時期較早，設計時仍采用建國后設定的排澇標準。而早期標準更加適用于干燥寒冷的北方地區，其標準重現期僅為0.3年一遇，不能適應我國東南地區城市的排澇需求，也不能滿足現有GB 50014—2006《室外排水設計規范》中對于暴雨強度重現期規定應取2～5年的要求。另外，在一方面現存排水用的道路邊溝規格較小，且老城區的街巷往往較為狹窄、空間較為局促而匯水面積較大，另一方面，隨著我國城市的發展，原有雨水排放路徑、老城區的道路邊溝等在城市建設中遭到不同程度的阻斷，因此現有的低設計標準下建設的雨水排放系統已無法滿足排水需求。且邊溝的設置形式隨著地形起伏，其低洼地帶容易產生積水。片區內現狀積水點主要分布于未進行改造的路段及其下游區域。

2.3 局部地勢低洼

根據對于該片區的高程分析，該片區總體而言地勢高低起伏較大，呈現北高南低的趨勢。建元路以南的街巷總體地勢較低，如圖2所示，而其中元光南路、水仙大街等街巷局部高程最低，形成區域洼地，本片區大多采取街巷邊溝排水的形式，其排水邊溝隨著地勢起伏，因此地勢低處排水條件差。對益民路、打西巷兩條排水路徑的地形縱斷面進行分析，分析結果如圖3—4所示，圖中可見，兩條主要排水路徑中均存在若干處地勢低洼區域，雨水容易在此聚積，且可以看到益民路雖然總體排水條件較好，其下游段地勢也過于平緩，水力條件依然不佳，而當以丹霞路-打西巷路段管線為匯流主通道時，受西溪北岸現狀建筑的空間分布影響，管線的管徑和埋深都受到限制，不能采用過大埋深，較難大規模改造。

圖1 建元路東段管網現狀

圖2 建元路東段片區高程分析圖

圖3 丹霞路-打西巷地形縱斷面圖(單位：m)

圖4 益民路地形縱斷面圖(單位：m)

3 方案概述

針對片區排水系統現存問題進行規劃設計，由于規劃片區東側悅港路的排水管道設計重現期不足1年一遇，故不考慮向悅港路分流進一步加大其排水負荷。根據目前建元路路段排水管渠的排水條件，初步提出兩個方案：方案一是保持原有徑流路徑，沿原有路徑對排水管渠進行擴大或新建；方案二是以建元路-騰飛路-元江路做徑流分流減小原有排水路徑的排水壓力，如圖5所示。以下對2個方案的優勢及劣勢進行詳細分析。

圖5 古城排水改造的兩個規劃方案

3.1 方案1

方案簡述：保留古城片區原有的排水路徑，不采用分流或人為改變雨水匯流通道，具體為保留騰飛路、丹霞路、打西巷、益民路等徑流排放雨水管渠，保留建元路現狀排水邊溝。此外，沿益民路南段、新華東路、打西巷和丹霞路新建排水方涵。方案設計詳細情況如圖6所示。

圖6 方案1管網規劃圖

方案優勢：元江路路段可以保持原狀不進行改造，相對來說建元路雨水管徑較小，從而更易于施工。

方案劣勢：草寮街的水位限制了打西巷與益民路路段管道溝渠的排出口高程。工程所需改造的管道溝渠所處路段大多位于歷史文化保護街區范圍內，若改造則需拓寬打西巷，受建筑保護影響，改造難度較大。

3.2 方案2

方案簡述：高地勢的雨水排向高處，具體為將建元路收集的雨水引流至騰飛路、元江路，改造后降低了建元路以南街巷的排水壓力。同時實行多點分流的措施，保留建元路的邊溝雨水排放系統，并新建向騰飛路、丹霞路、益民路等進行雨水分流的管道溝渠，保證雨水排出暢通。規劃方案設計重現期為2年一遇，于建元路、騰飛路新建雨水管道，并接入于元江路的新建管道，最后排至下游的草寮街。詳細規劃方案及管道規格如圖7所示。

圖7 方案2(建元路-元江路分流)管網規劃

方案優勢：該方案可以最大程度降低建元路南部片區的排水壓力，減小地區的內澇風險，增加歷史街區各專業管線的入地空間。方案提出的需改造管道所處路段基本為較寬主干道路，改造難度相對較低。

方案劣勢：不能設置過大的管道坡度，使建元路及元江路需要采用的管徑較大，產生較高支護費用。

4 方案建模

為了進一步量化對比上述兩個方案，本文根據規劃片區降水現狀用Info Works ICM軟件對降雨過程進行建模分析，建模基于規劃片區所在地30年一遇24h降雨數據，如圖8所示，以及該市的新編暴雨強度公式。

該市新編暴雨強度公式：

式中，q—降雨強度；t—降雨歷時；P—重現期。

接著分別對原始管網、方案一管網改造結果、方案二管網改造結果建立管網模型。管網建模結果如圖9所示。管網建模完成后，從管網雨水排放能力、局部淹沒情況、洪澇風險應對能力等若干方面對兩個方案進行評估。

4.1 管網雨水排放能力

原始管網系統的道路邊溝雨水管渠等在片區收集的雨水主要沿丹霞路、打西巷向南排放，部分在益民路下游產生積水。建模分析結果證明積水點主要存在于古塘路、丹霞路、打西巷、新華東路等街巷路段，除益民路建模結果顯示積水深度較淺外，其余積水點積水深度均與現狀情況相符。如圖10—11所示。

圖8 30年一遇24h降雨過程線

圖9 管網改造情況圖

圖10 現狀模擬排水路徑分析

圖11 30年一遇24h降雨積水分析

對比原始管網、方案1及方案2的管網的設計重現期來評估管網的雨水排放能力，對比情況如圖12所示?？梢钥闯觯c原始管網相比，方案1與方案2的管網改造方式均能大幅提高規劃區段管網雨水排放能力，但是方案2對管網的排水能力提升效果更加明顯，新建管渠的設計重現期可達10年一遇及以上，在雨水排放能力上具有明顯優勢。

4.2 管網淹沒分析

接著在不同的降雨條件下對原始管網、方案1及方案2改造管網進行淹沒分析：當設計降雨強度為2年一遇2h降雨時，降水為小雨，規劃片區內方案1和方案2的改造方式均無局部淹水情況，具體分析結果如圖13所示。

在30年一遇降雨24h的降雨條件下，規劃片區內方案1和方案2的改造方式仍能解決大部分內澇問題，但丹霞路局部地勢較低處仍有積水，如圖14所示。

4.3 管網洪澇風險

接著依據積水深度以及積水時間對洪澇風險進行評價： 洪澇風險分級依據見表1，建模評估結果如圖15所示。相比之下，方案2洪澇風險更小，基本不產生積水，或積水深度小于0.15m，在洪澇風險方面，相較而言方案2改造效果更優。

4.4 內澇點積水情況

綜合考慮規劃區內各自然因素對降水排放過程的影響，結合已知資料，總結出片區內內澇問題的內澇點，如位于打西巷、益民路、古塘路的內澇點。并對上述內澇點進行水位過程線模擬比對，各內澇點積水情況及地面高程情況如圖16所示?？梢钥闯觯桨?與方案2均能對內澇點的積水問題有所改善，對于打西巷的內澇點，方案1與方案2的積水情況相近，而對于益民路和古塘路的內澇點，顯而易見，方案2比方案1的效果更突出，能解決大部分內澇問題，且產生的徑流峰值明顯低于方案1。綜合考慮，方案2的排澇效果更優。

圖12 管網能力分析圖

圖13 2年一遇2h降雨淹沒分析圖

圖14 30年一遇24h降雨淹沒分析圖

表1 洪澇風險分級一覽表

4.5 施工效果

結合近期項目經驗分析，方案1改造后內澇問題能基本得到解決，但末端管線埋深過深，容易對文保建筑基礎產生干擾。相比之下，方案2涉及到的改造路段更少，埋深也比較淺，更符合對歷史街區基礎設施的改造原則。而且從上述建模結果來看，以方案2改造后可分流歷史街區雨水流量，內澇防治效果優于方案1，但是方案2改造費用高。方案對比情況詳見表2。

圖15 洪澇風險分析圖

圖16 內澇點積水情況分析圖

最后，利用層次分析法(AHP)，以排澇效果、施工條件、建設成本為主要評價指標，由項目各利益相關方共同確定指標權重。帶入AHP模型后計算確定推薦方案。

表2 方案對比表

5 結論

本文針對我國西南地區某歷史街區的雨水管網改造項目，分析了現有雨水排放系統存在的問題，并對兩個方案的優勢及劣勢進行分析?；谝巹澋亟涤赀^程數據、暴雨強度公式及地區高程分布等要素，分別對不同降雨條件下提出改造方案的地區積水深度、積水時間及內澇風險進行了評估，同時，根據已知內澇點進行了降雨水位過程線模擬比對，得出量化結果即方案2的排水效果更好，內澇問題能得到更徹底解決。結合AHP等多因子決策模型，進一步量化分析各方案在排澇效果、對歷史街區建筑基礎擾動程度、施工難度、工程費用等多指標的優勢度，為綜合比選最優方案提供可靠參考。