Info Works ICM 管網模型在洪澇淹沒分析中的應用

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劃依據,有利于規劃區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,行業中應用較多的商業軟件一般有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勢。本文基于InfoWorks ICM 建立一維及二維耦合的廣州市某規劃區域的排水管網模型,對該區域的排水能力及內澇風險進行評估。

2 研究區域概況

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。

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

圖3 規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,根據規劃范圍及其附近區域內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域現狀地形,見圖6。

圖6 現狀條件下研究區域地形圖

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

圖7 規劃條件下研究區域地形圖

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,參考相關規范對雨水井分布較少的管道進行節點加密,最終得到237 個節點和5 個出水口,根據加密后的節點劃分現狀排水管道,得到現狀下排水管道的節點和出水口布置圖,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

規劃條件下,結合規劃區域內雨水管網規劃圖和規劃區域外排水管網現狀布局圖,得到規劃狀態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 個節點和22 個出水口。根據加密后的節點劃分排水管道,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 規劃條件下管道數據統計表

3.4 河網處理

根據研究區域現狀條件下排水管網布局圖,現狀條件下區域內的地表徑流主要經排水管網排放至陳邊涌中,根據規劃區域雨水管道規劃圖,規劃狀態下規劃區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。考慮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 子匯水分區處理

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

圖8 現狀條件下子匯水區分布圖

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

圖9 規劃條件下子匯水區分布圖

本模型采用固定徑流系數法對子匯水區進行產流計算,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內所占比例,采用加權平均得到各子匯水區的產匯流參數,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點位置及溢流水量,而2D 模型則用來模擬研究區地面洪水流速、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 區間。實現1D 及2D 模型的耦合,將模型中的檢查井節點的洪水類型由Manhole 修改為2D,分別構建得到研究區現狀和規劃狀態下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,研究區域大部分處于無洪澇風險狀態（95.00%）,少部分處于中風險（2.40%）和低風險2.60%狀態。

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,研究區域大部分處于無風險狀態（95.8%）,少部分處于低風險（3.84%）和中風險（0.38%）狀態,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,研究區域內絕大部分處于為無風險或低風險狀態。其中,無風險地區占99%,低風險地區占0.8%,中風險地區占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,才導致了部分區域淹沒深度發生了變化。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

根據區域防洪（潮）排澇規劃,研究區域防洪標準為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。根據研究區域豎向規劃,道路豎向規劃標高7.70 m～13.28 m,均不低于200年一遇洪潮水位。研究區域洪水風險等級評定為“低”級。

在按規劃布設調蓄設施后,研究范圍絕大部分區域遭遇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。規劃條件下區域內澇風險等級評定為“低”級。

綜上,研究區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。