InfoWorks ICM在城市排水管網改造中的應用

摘 ?要：隨著城市現代化的發展，越來越多的老城區需要對現狀排水管網提升改造。以西寧市同仁路道路排水管網為例，通過InfoWorks ICM軟件建立改造管道的排水水力模型，利用模型對不同改造方案進行模擬驗證，找出現狀管網系統存在的瓶頸問題，分析積水形成的主要原因，提出改造措施，并用模型評估改善效果，為該排水管網改造的設計方案提供技術支持。

關鍵詞：InfoWorks ICM；排水能力；管網改造

中圖分類號：TP39 ? ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2023）14-0125-05

Application of InfoWorks ICM in Urban Drainage Pipe Network Reconstruction

WANG Xiang

（The 10th Branch of Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Lanzhou ?730000， China）

Abstract： With the development of urban modernization， more and more old urban areas need to upgrade and reconstruct the current drainage pipe network. Taking the Tongren Road drainage pipe network in Xining City as an example， the drainage hydraulic model of the reconstruction pipe is established by InfoWorks ICM software. The model is used to simulate and verify different reconstruction schemes， find out the bottleneck problem of current pipe network system， analyze the main causes of water accumulation， put forward reconstruction measures， and use the model to evaluate the improvement effect， so as to provide technical support for the design scheme of the drainage pipe network reconstruction.

Keywords： InfoWorks ICM; drainage capacity; pipe network reconstruction

0 ?引 ?言

近年來，隨著全球氣候異常，我國各省區極端天氣較多，自然災害頻發，在全國很多城市發生了嚴重的暴雨內澇現象，對社會管理、城市運行和人民群眾生產生活造成了巨大影響，排水設施建設標準低，雨污分流機制不健全的問題引起了各級政府的高度關注。

為了建立健全城市排水防澇體系，提升污水收集效能，2022年住房和城鄉建設部發布《“十四五”黃河流域生態保護盒高質量發展城鄉建設行動方案》，系統推進城鎮水環境治理。要求到2025年，因地制宜確定沿黃城市排水體制，現狀雨污合流區域結合城市更新，具備條件的區域適時進行改造。改造易造成積水內澇問題的排水管網，修復破損和功能失效的排水防澇設施。

為減輕城市洪澇災害、提前采取應對措施，模型模擬已成為分析洪澇風險、減輕城市內澇影響的有效方法[1]。目前，水力模型軟件多用于輔助評估城市排水系統，筆者利用InfoWorks ICM軟件，對處于黃河流域范圍的西寧市同仁路雨污水管網提升改造進行建模分析，結合道路下排水管網實際情況，通過模擬提出合理的改造方案。

1 ?研究改造管網現狀

西寧市同仁路位于主城區中部，現狀道路兩側地塊開發成熟，建筑物密度大，類型包括商業、居住、醫療、行政辦公、公園廣場等用地。道路全長約1.5 km，整體地勢南高北低。道路東、西兩側各敷設有合流排水管道1道，西側現狀合流管道管徑d400～1 000 mm，沿線接納相交道路部分雨、污水，東側現狀合流管道管徑d400～1 200 mm，西側合流管道在勝利路口處接入東側現狀合流管道，并最終接入秀水路現狀污水箱涵。其中，在勝利路下穿同仁路交叉口處，在下穿地道建設過程中，將原有d1 000 mm雨水管道在勝利路與同仁路交叉口處進行遷改，向東頂管繞行下穿段后，繼續向北排入原同仁路d600 mm合流管道，同仁路現狀排水系統圖如圖1所示。

經現場踏勘調研，同仁路合流排水管道建設年代久遠，排水管道設計標準偏低（重現期P = 1年），絕大部分管道腐蝕、破損、滲漏嚴重，沿線混接點較多，現狀排水管徑偏小，無法滿足排水需求，在勝利路口處修建完下穿通道后上游較易出現內澇點。另外道路下大部分雨水主干管道內均有污水，主要是巷道交叉口處污水管道就近混錯接入雨水管道，合流管道又接入污水箱涵，導致部分污水直排河道，雨水進入污水箱涵。

考慮到西寧市暴雨強度公式的修訂調整和近些年的極端降雨現象，為保證雨污分流效果的完整性，同仁路雨污水管網提升改造方案為廢除現狀排水管道，新建雨水管道2趟，雨水管道按3年一遇重現期的標準進行設計，新建污水管道1趟。若按此改造方案，維持原排水系統不變的情況下進行改造，勝利路與同仁路交叉口處繞行的雨水管道因為遷改施工時坡度較小，經計算現狀d1 000 mm管徑無法滿足上游雨水的排水需求，但此段雨水管道受已建下穿通道影響已無法拆除進行擴容改造。需結合排水系統，利用模型分析，提出合理的雨水管網改造方案。

2 ?模型構建

模型的構建和應用過程總體可分為數據整理、模型搭建、質量控制和模型應用四個步驟。

模型需要輸入的數據非常多，包括集水區用地性質和地形情況、檢查井、管網、排放口以及長短歷時降雨雨型的詳細信息。僅管網的信息就需要包括長度、管型、管徑、管材、坡度、流向、粗糙系數、起始端和終端位置等。將收集到的數據進行整理，整合形成城市排水防澇設施的數據庫，用于后期模型的構建以及數據管理。

2.1 ?管網模型建立

排水管網的數據來自于所在區域的地下管網普查項目數據，數據包括排水管道的類型（含雨水管道和合流管道）、斷面形式、管徑、管材、管長、管底標高，及相應檢查井類型、編號、路面高程。在重點模擬區域，對排水管線信息數據進行人工校核。將改造區域概劃為149個節點，7.9 km管線，145個子集水區。

2.2 ?降雨數據

2.2.1 ?短歷時設計雨型成果

根據《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》要求，短歷時暴雨雨型確定的降雨歷時采用30、60、90、120、150、180 min共6個歷時。本次建模利用西寧市氣象局2019年7月發布的暴雨強度公式，建立降雨歷時t= 180 min，雨峰系數r = 0.27，以5 min為時間步長的3年一遇的短歷時降雨雨型。

2.2.2 ?長歷時設計雨型成果

由于暫未收集到西寧近30年的暴雨雨型資料，因此無法根據實際情況確定長歷時降雨雨型。本次研究參考2022年3月住房和城鄉建設部發布的《城市排水防澇標準及對應降雨量》，確定西寧市內澇防治標準為50年一遇，對應降雨量為53.5 mm/d。結合《青海省東部地區暴雨洪水圖集》，采用淺山腦山區1 h主雨峰對齊的24 h時程分配過程，按照設計暴雨成果，計算50年一遇重現期對應降雨量的24 h分配過程。

2.3 ?模型參數設置

西寧市主城區已建成區域大多為城市道路、廣場、商業區、住宅區，硬化地面急劇增加，道路仍為傳統結構，排水主要依賴于道路排水設施。本次根據模擬區域最新實測地形圖，將下墊面劃分為道路、綠地、小區建筑用地3大類型，并確定各類下墊面的比例、綜合徑流系數、匯流模型等[2]。不同下墊面類型產匯流屬性具體參數如表1所示。

3 ?管網改造方案模擬結果分析

應用水力模型InfoWorks ICM軟件，建立了改造區域相應的水文及排水管網一維水動力計算模型，并結合二維地面模型進行耦合模擬，針對3年一遇的短歷時（3 h）降雨和50年一遇長歷時（24 h）條件，對地表產匯流及排水系統水動力過程進行演算，模擬排水管網的水動力過程，獲得管網系統節點的溢出情況及管道充滿度、壓力、流量等情況，得出在該工況下改造區范圍內雨水管道排水能力和積水情況[3]。

3.1 ?改造方案管網模型評估

改造方案按原有雨水排水系統保持不變，將同仁路雨水管道管徑改造為d1 000 mm，管網末端按規劃自南向北最終接入七一路雨水管道。沿線西關大街及五四大街部分路段雨水由同仁路排水管道進行轉輸。

得出模擬評估結果如圖2所示。圖中：實線表示管渠運行較差、排水能力嚴重不足即管渠嚴重過載；虛線表示管渠能運行，排水能力已滿即管渠已經滿載；點劃線表示管渠運行良好、排水能力滿足要求即管渠達標[4]。

模擬結果表明（同仁路原改造方案排水管網剖面圖如圖3所示），在降雨條件下（3年一遇暴雨強度），同仁路（西關大街到勝利路）段雨水管道為滿載狀態，當流行經過同仁路與勝利路交叉路口處變坡點后，向東繞行下穿通道的現狀d1 000 mm雨水管道處于一個超負載狀態，管道承壓，輸水能力不滿足要求，降雨發生后1小時5分時管道輸水量達到最高負荷，在交叉路口東南角處出現雨水管冒井現象，冒水水頭約為20～30 cm。

而內澇分析（50年一遇暴雨強度）結果顯示，轉輸西關大街部分雨水后，在同仁路與五四大街交叉路口處及五四大街處存在積水內澇風險點位，積水深度最大達30 cm。通過對歷史內澇點與模擬內澇結果相對照，發現內澇情況基本吻合，這也驗證了模型的可靠性。

3.2 ?改造路段積水原因分析

根據以上分析結果，改造后的同仁路雨水管道在勝利路以南全線基本處于滿載運行狀態，而勝利路以北處于非滿管狀態，其主要原因為勝利路路口處的現狀d1 000 mm雨水管道輸水能力從路口南側的變坡點由2.23 m3/s降為1.92 m3/s，為整個區域的“卡脖子”管段。道路產生內澇的原因是該改遷段雨水管道管徑不足，并且管段坡降較緩，導致該段排水能力受限，從而使得上游段的管網壅水[5]。因此必須將上游西關大街處雨水進行分流，才能繼續利用該段現狀雨水管道對雨水進行轉輸排放。

3.3 ?優化改造方案管網模型評估

將西關大街雨水在同仁路口分流后，重新對同仁路雨水排水系統進行排水能力分析，優化方案后同仁路主要轉輸五四大街部分路段雨水，同仁路優化改造方案排水管網排水能力評估圖如圖4所示。

分析結果顯示（同仁路優化改造方案排水管網剖面圖如圖5所示），在同仁路與勝利路交叉路口處，現狀已遷改完成的d1 000 mm雨水管道的輸水能力，在3年一遇降雨條件下，雨水管道內水流為承壓狀態，但不存在冒井風險。隨著后期勝利路雨水管道更新改造，勝利路新建雨水管道輸水能力增強，在已遷改完成的現狀d1 000 mm雨水管道（向勝利路方向）設置溢流管溢流部分雨水至勝利路雨水管道，進而繼續對同仁路該管段的部分雨水進行分流，確保排水系統安全。

模擬結果表明，按優化改造方案實施后，在降雨條件下（3年一遇暴雨強度），同仁路與勝利路交叉路口處現狀d1 000 mm雨水管道在運行過程中雖處于承壓流狀態，但承壓水頭不超1.3 m，無冒井風險發生。改造道路上游區域積水情況明顯改善，不存在積水深度超15 cm的澇點。

4 ?結 ?論

通過InfoWorks ICM軟件對西寧同仁路排水管網改造方案進行模擬評估，進一步驗證改造區域現狀排水管網的排水能力和內澇風險區域。從模型評估結果可以發現，受現狀雨水管道條件制約，原有雨水管道改造方案雨水系統走向不合理，改造后路段仍存在內澇風險。而優化改造方案后，管道雍水情況有所改善，降低城市內澇風險。

借助模型手段進行排水能力和內澇風險評估可為內澇原因分析提供科學支持。對老城區排水管道提升改造或雨污分流改造的不同方案綜合分析后，從而比選出最優的技術方案，有效解決了傳統水力計算及經驗法與實際情況誤差大，缺乏全局性和經濟性的問題。

參考文獻：

[1] 周天澤，梁騫，王藝穎.基于InfoWorks ICM模型的內澇風險評估及綜合整治方案構建 [J].中國防汛抗旱，2021，31（5）：12-19.

[2] 李永坤，薛聯青，邸蘇闖，等.基于Infoworks ICM模型的典型海綿措施徑流減控效果評估 [J].河海大學學報：自然科學版，2020，48（5）：398-405.

[3] 袁紹春，王懷鋆，呂波，等.基于InfoWorksICM模型的山地城市老舊建筑小區海綿化改造方案設計及評估 [J].水資源保護，2020，36（5）：43-49+70.

[4] 吳彥成，丁祥，楊利偉，等.基于InfoWorks ICM模型的陜西省咸陽市排水系統能力及內澇風險評估 [J].地球科學與環境學報，2020，42（4）：552-559.

[5] 鄭旭強.基于遺傳算法的城市雨水排水管網改造優化 [J].陜西水利，2021（6）：22-24+27.

作者簡介：王翔（1989—），男，漢族，甘肅蘭州人，工程師，本科，研究方向：市政給排水設計。