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摘 要：以Info-wroks ICM软件为模拟平台，对某排水分区现状排水系统进行了模拟。根据模拟结果，分别分析了不同降雨强度下现状排水系统的排水能力，不同降雨强度及外河水位下城区积水/内涝原因及相应情况。并针对现状排水系统存在的问题，提出了相应的规划改造策略。
关键字： Info works ICM模型；排水防涝规划；决策制定；应用
随着城市化的逐渐推进，城市水文环境恶化，城市地表径流系数普遍提高，不透水地块面积增加导致径流量增加，城市内河调蓄能力下降，城市排水系统负荷增加，引发城市产生严重的内涝问题。当下，洪水造成的城市内涝灾害损失越来越大，已成为阻碍城市化进程推进的制约因素。
《室外排水设计规范》（2016版）局部修订版中提出，当涉及范围的汇水区超过2平方公里时，宜考虑降雨在时空分布不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量。此外，“海绵城市”建设理念中也提出了雨洪精确化管理的要求。上述要求的实现，需要利用模型软件进行具体的量化分析。因此，利用水文模型对排水防涝规划决策制定进行辅助分析，是今后完善雨洪管理体系的一种趋势。
InfoWorks ICM（Intergrated Catchment Management）模型软件作为一个动态的降雨-径流模拟模型，能够在某一单一降雨事件下对城市雨洪系统的雨型情况进行模拟分析。在对城市排水管网进行普查的基础上，Infoworks ICM可以对城市的排水系统能力进行评估，并且直观的反映城市内部积水及内涝情况。
本文结合实际工程案例，评估现状及规划后城区径流特征及符合系统负荷情况，从而指导城市雨洪系统的规划与改造，同时也为其他城镇开展模型构建工作及城市排水防涝规划决策的制定提供技术参考。
1.Infoworks ICM模型软件介绍
Infoworks ICM软件在排水防涝规划的应用中，主要涉及应用三个功能模型板块，分别为排水管网系统水力模型、河道系统水力模型、二维城市/流域洪涝淹没模型。主要可以实现排水管网的能力评估、城市内涝淹没情况分析及单一排水设施运行情况分析等功能。而支撑上述功能板块运作的数学模型，分别包含降雨模型、产流模型、汇流模型、管道流模型、河道模型。
2.模型的建立
2.1 数据来源
测绘单位提供的地形数据比例尺为1：10000。排水管渠数据采用管网物探数据。
2.2 模拟区域概化
根据目标地块的排水管网现状物探数据、目标地块下垫面数据、目标地块雨水排除专项规划及相关CAD图等资料，提取模型建立所需目标地块的雨水管网数据信息、河道信息和区域下垫面信息。在模型中导入区域道路规划图、用地类型划分图等作为模型的底图，建立雨水井、出水口、雨水管沟等对象，把相关数据和参数输入至模型中。之后，确定区域范围，进行区域内雨水管网相应流域的划分。
根据对所搜集资料中相关数据的分析计算结果，本次模型中集水区由ICM软件根据泰森多边形法则自动划分，概化情况如图2所示。
2.3 模型参数设置
① 降雨事件的确定
结合水文部门提供的相关资料，该市降雨雨型75%以上为中锋型，典型降雨历时在60-240min之间。结合当地暴雨强度公式，通过软件降雨模型板块对模拟采用的降雨事件进行概化。降雨雨型r=0.6，降雨历时t=2h下不同重现期降雨历时曲线图如图3所示。
② 目标地块产流模型
不透水面选用Fixed产流模型，结合现状城区的用地情况，选用综合径流系数法进行模拟评估。
③ 目标地块汇流模型
采用SWMM模型作为汇流模型，结合目标地块相关用地组成，对各个下垫面定义曼宁系数及集水区宽度。
④ 管道水力学模型
管道流过程变化相对地面径流产汇流过程较小，选取最常规的非线性水库SWMM进行管道水流的计算。
⑤ 河道参数设定
目标区域现状外河防洪堤设计标准为20年一遇河道水位。目标区域外河下游控制常水位、10年、20年一遇水位如表1所示。
降雨发生时，目标区域雨水系统超负荷运行，未能及时排除雨水径流，目标区域多个地块出现河道顶托及积水情况。将模型模拟结果与实际调研收集信息进行对比校核，发现所得模拟结果中城区积水位置、积水深度与实际调研资料获取的积水位置及积水深度基本能够匹配，模拟结果相似度较高，因此可以认为模型可靠，模型中相关参数设定较为准确。
3.2 管道排水能力分析
根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006）（2016年版）中的规定，大城市（人口100万～500万）的城市，中心城区雨水管网设计重现期应满足2～5年一遇，重要地区应该满足5～10年一遇设计标准。按照上述要求，现在重现期为2年、5年、10年，降雨历时120min，雨型参数r=0.6的降雨情况下对现状管网系统进行评估分析。
分析结果显示，城区超负荷的管段首先出现在西南部分、中部及北部部分区域，随重现期增大，周边管段的负荷能力逐渐不足。根据统计结果，各重现期下满负荷管段的比例分布在63%-67%之間，超负荷管段在18%-24%之间，并且随重现期的增大而增大。说明研究区域大部分管道设计标准较低，排水系统不能满足既有规范的要求，这是造成研究区域内涝的主要原因之一。
2.3 城区内涝风险分析
由于目标区域地形地貌较为复杂，产生积水或内涝现象主要存在三种因素：地形低洼、管道排水能力不足及河道水位过高河水倒灌。为了识别不同的积水或内涝类型，研究采用不同外河水位重现期及不同降雨重现期的边界条件对目标区域内涝产生原因进行模拟分析。
由模拟结果可以看出，内河起端、中段，北部区域及中部区域均有部分积水点，而积水周边均有管网敷设，因此该部分积水主要是由于管网能力不足引起；当外河为20年一遇边界条件时，片区中部部分区域由于下游顶托，导致积水程度加深，而南部大部分片区由于河道洪水倒灌导致内涝。内涝分布区域具体信息如图6、表5所示。 2.4 规划决策制定
根据前文对目标区域现状雨洪系统存在的问题分析，可总结为如下几类：1.防洪堤标准不足，易造成外河倒灌内涝灾害；2.东南侧雨水直排口标高过低，河道水位过高时造成严重顶托；3.城区内河河道排水能力不足，降雨高重现期时会产生溢流，导致周边区域受到内涝灾害影响；4.管网排水能力不足，局部地区因管网不能及时排除雨水而导致积水；5.径流峰值流量大，城区雨水调蓄设施匮乏。
针对上述总结的目标区域现状雨洪系统问题，现提出以下规划改造策略。
① 建成区（下游）以扩建为主，提高灰色设施规模
西南片区、北部及中部部分管道排水能力不足，按重现期5年扩建。此外，城区内部存在4000×2000及3000×2000排水暗渠，负责北部片区雨水转输，是貫穿目标区域的主要排水通道，该暗渠应按重现期10～20年进行扩建。
② 外围规划区（上游）以新建为主，兼顾海绵设施对雨峰的削减效应
梳理外围既有冲沟通道，沿途设置水塘或绿地等设施，从源头削减径流峰值。北部规划区域存在部分山塘及天然水体，在现状基础上进行改造，增大上游径流削峰能力。此外，新建规划区域采用绿色建筑、道路植草沟及下凹式绿地等绿色设施，增加对雨水径流的调蓄能力。
③ 利用既有公园、广场及停车场，改造下垫面，增加雨水调蓄能力
改善城区内部既有地块透水性，降雨过程中削减径流峰值。利用城区中部空地及池塘进行改造，将上游两条排水暗渠与其相接，形成天然调蓄池。利用既有空地，改造为雨水花园或绿地，增大下垫面透水性，削弱径流峰值。
④ 内河处采取多样化改造设施，解决河道漫流内涝
内河沿岸地势较低，高重现期降雨时间发生时，下游泵站未及时排除雨水，上游形成严重顶托，从而导致漫流内涝。在内河河段附近低洼处设置天然水塘，增大径流调蓄能力；扩展河道断面规格，增大行洪能力；提高下游泵站排水能力，缓解下游顶托压力。
⑤ 防洪堤提标，新建排涝泵站，减少倒灌内涝概率
当外河重现期高时，区域东南侧存在倒灌内涝现象。提高堤防设计标准，设置拍门及排涝泵站，减少倒灌内涝几率。
4.结论
① 基于Infoworks ICM模型软件，建立了目标区域雨洪系统模型。并且结合历史内涝数据对模型进行了率定。率定结果与实际历史情况大部分吻合。
② 在降雨重现期分别为2年、5年、10年的情况下对现状模型进行了模拟分析，排水系统出现满负荷情况的管网占整个管网系统的比例分别为63.69%、64.90%、66.91%，出现超负荷情况的管网占整个管网系统的比例分别为18.67%、21.39%、23.23%。
③ 在外河水位及洪水量为20年一遇的情况下，现状防洪设施无法满足需求，内河以南区域产生了严重的外河倒灌内涝现象。
④ 针对上述问题进行了相应的成因分析，并结合分析结果制定了规划改造方案。模拟分析过程为排水防涝规划策略的制定提供了参考。
参考文献：
[1] 室外排水设计规范（GB50014-2006 2016版）[S].
[2] 海绵城市建设技术指南[S].
[3] 魏臻.Infoworks ICM在城市雨水防洪排涝风险评估中的应用[J].建筑工程技术与设计，2016，（15）：2019-2020.DOI：10.3969/j.issn.2095-6630.2016.15.066.
[4] 郑国栋.Infoworks ICM在市政道路雨水管道设计中的应用[J].科技视界，2015，（36）：276，308.DOI：10.3969/j.issn.2095-2457.2015.36.221.
[5] 黄瑾，周京春，解智强等.InfoWorks ICM应用于实测排水管网建模的数据处理研究[C].2014：294-297.
关键字： Info works ICM模型；排水防涝规划；决策制定；应用
随着城市化的逐渐推进，城市水文环境恶化，城市地表径流系数普遍提高，不透水地块面积增加导致径流量增加，城市内河调蓄能力下降，城市排水系统负荷增加，引发城市产生严重的内涝问题。当下，洪水造成的城市内涝灾害损失越来越大，已成为阻碍城市化进程推进的制约因素。
《室外排水设计规范》（2016版）局部修订版中提出，当涉及范围的汇水区超过2平方公里时，宜考虑降雨在时空分布不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量。此外，“海绵城市”建设理念中也提出了雨洪精确化管理的要求。上述要求的实现，需要利用模型软件进行具体的量化分析。因此，利用水文模型对排水防涝规划决策制定进行辅助分析，是今后完善雨洪管理体系的一种趋势。
InfoWorks ICM（Intergrated Catchment Management）模型软件作为一个动态的降雨-径流模拟模型，能够在某一单一降雨事件下对城市雨洪系统的雨型情况进行模拟分析。在对城市排水管网进行普查的基础上，Infoworks ICM可以对城市的排水系统能力进行评估，并且直观的反映城市内部积水及内涝情况。
本文结合实际工程案例，评估现状及规划后城区径流特征及符合系统负荷情况，从而指导城市雨洪系统的规划与改造，同时也为其他城镇开展模型构建工作及城市排水防涝规划决策的制定提供技术参考。
1.Infoworks ICM模型软件介绍
Infoworks ICM软件在排水防涝规划的应用中，主要涉及应用三个功能模型板块，分别为排水管网系统水力模型、河道系统水力模型、二维城市/流域洪涝淹没模型。主要可以实现排水管网的能力评估、城市内涝淹没情况分析及单一排水设施运行情况分析等功能。而支撑上述功能板块运作的数学模型，分别包含降雨模型、产流模型、汇流模型、管道流模型、河道模型。
2.模型的建立
2.1 数据来源
测绘单位提供的地形数据比例尺为1：10000。排水管渠数据采用管网物探数据。
2.2 模拟区域概化
根据目标地块的排水管网现状物探数据、目标地块下垫面数据、目标地块雨水排除专项规划及相关CAD图等资料，提取模型建立所需目标地块的雨水管网数据信息、河道信息和区域下垫面信息。在模型中导入区域道路规划图、用地类型划分图等作为模型的底图，建立雨水井、出水口、雨水管沟等对象，把相关数据和参数输入至模型中。之后，确定区域范围，进行区域内雨水管网相应流域的划分。
根据对所搜集资料中相关数据的分析计算结果，本次模型中集水区由ICM软件根据泰森多边形法则自动划分，概化情况如图2所示。
2.3 模型参数设置
① 降雨事件的确定
结合水文部门提供的相关资料，该市降雨雨型75%以上为中锋型，典型降雨历时在60-240min之间。结合当地暴雨强度公式，通过软件降雨模型板块对模拟采用的降雨事件进行概化。降雨雨型r=0.6，降雨历时t=2h下不同重现期降雨历时曲线图如图3所示。
② 目标地块产流模型
不透水面选用Fixed产流模型，结合现状城区的用地情况，选用综合径流系数法进行模拟评估。
③ 目标地块汇流模型
采用SWMM模型作为汇流模型，结合目标地块相关用地组成，对各个下垫面定义曼宁系数及集水区宽度。
④ 管道水力学模型
管道流过程变化相对地面径流产汇流过程较小，选取最常规的非线性水库SWMM进行管道水流的计算。
⑤ 河道参数设定
目标区域现状外河防洪堤设计标准为20年一遇河道水位。目标区域外河下游控制常水位、10年、20年一遇水位如表1所示。
降雨发生时，目标区域雨水系统超负荷运行，未能及时排除雨水径流，目标区域多个地块出现河道顶托及积水情况。将模型模拟结果与实际调研收集信息进行对比校核，发现所得模拟结果中城区积水位置、积水深度与实际调研资料获取的积水位置及积水深度基本能够匹配，模拟结果相似度较高，因此可以认为模型可靠，模型中相关参数设定较为准确。
3.2 管道排水能力分析
根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006）（2016年版）中的规定，大城市（人口100万～500万）的城市，中心城区雨水管网设计重现期应满足2～5年一遇，重要地区应该满足5～10年一遇设计标准。按照上述要求，现在重现期为2年、5年、10年，降雨历时120min，雨型参数r=0.6的降雨情况下对现状管网系统进行评估分析。
分析结果显示，城区超负荷的管段首先出现在西南部分、中部及北部部分区域，随重现期增大，周边管段的负荷能力逐渐不足。根据统计结果，各重现期下满负荷管段的比例分布在63%-67%之間，超负荷管段在18%-24%之间，并且随重现期的增大而增大。说明研究区域大部分管道设计标准较低，排水系统不能满足既有规范的要求，这是造成研究区域内涝的主要原因之一。
2.3 城区内涝风险分析
由于目标区域地形地貌较为复杂，产生积水或内涝现象主要存在三种因素：地形低洼、管道排水能力不足及河道水位过高河水倒灌。为了识别不同的积水或内涝类型，研究采用不同外河水位重现期及不同降雨重现期的边界条件对目标区域内涝产生原因进行模拟分析。
由模拟结果可以看出，内河起端、中段，北部区域及中部区域均有部分积水点，而积水周边均有管网敷设，因此该部分积水主要是由于管网能力不足引起；当外河为20年一遇边界条件时，片区中部部分区域由于下游顶托，导致积水程度加深，而南部大部分片区由于河道洪水倒灌导致内涝。内涝分布区域具体信息如图6、表5所示。 2.4 规划决策制定
根据前文对目标区域现状雨洪系统存在的问题分析，可总结为如下几类：1.防洪堤标准不足，易造成外河倒灌内涝灾害；2.东南侧雨水直排口标高过低，河道水位过高时造成严重顶托；3.城区内河河道排水能力不足，降雨高重现期时会产生溢流，导致周边区域受到内涝灾害影响；4.管网排水能力不足，局部地区因管网不能及时排除雨水而导致积水；5.径流峰值流量大，城区雨水调蓄设施匮乏。
针对上述总结的目标区域现状雨洪系统问题，现提出以下规划改造策略。
① 建成区（下游）以扩建为主，提高灰色设施规模
西南片区、北部及中部部分管道排水能力不足，按重现期5年扩建。此外，城区内部存在4000×2000及3000×2000排水暗渠，负责北部片区雨水转输，是貫穿目标区域的主要排水通道，该暗渠应按重现期10～20年进行扩建。
② 外围规划区（上游）以新建为主，兼顾海绵设施对雨峰的削减效应
梳理外围既有冲沟通道，沿途设置水塘或绿地等设施，从源头削减径流峰值。北部规划区域存在部分山塘及天然水体，在现状基础上进行改造，增大上游径流削峰能力。此外，新建规划区域采用绿色建筑、道路植草沟及下凹式绿地等绿色设施，增加对雨水径流的调蓄能力。
③ 利用既有公园、广场及停车场，改造下垫面，增加雨水调蓄能力
改善城区内部既有地块透水性，降雨过程中削减径流峰值。利用城区中部空地及池塘进行改造，将上游两条排水暗渠与其相接，形成天然调蓄池。利用既有空地，改造为雨水花园或绿地，增大下垫面透水性，削弱径流峰值。
④ 内河处采取多样化改造设施，解决河道漫流内涝
内河沿岸地势较低，高重现期降雨时间发生时，下游泵站未及时排除雨水，上游形成严重顶托，从而导致漫流内涝。在内河河段附近低洼处设置天然水塘，增大径流调蓄能力；扩展河道断面规格，增大行洪能力；提高下游泵站排水能力，缓解下游顶托压力。
⑤ 防洪堤提标，新建排涝泵站，减少倒灌内涝概率
当外河重现期高时，区域东南侧存在倒灌内涝现象。提高堤防设计标准，设置拍门及排涝泵站，减少倒灌内涝几率。
4.结论
① 基于Infoworks ICM模型软件，建立了目标区域雨洪系统模型。并且结合历史内涝数据对模型进行了率定。率定结果与实际历史情况大部分吻合。
② 在降雨重现期分别为2年、5年、10年的情况下对现状模型进行了模拟分析，排水系统出现满负荷情况的管网占整个管网系统的比例分别为63.69%、64.90%、66.91%，出现超负荷情况的管网占整个管网系统的比例分别为18.67%、21.39%、23.23%。
③ 在外河水位及洪水量为20年一遇的情况下，现状防洪设施无法满足需求，内河以南区域产生了严重的外河倒灌内涝现象。
④ 针对上述问题进行了相应的成因分析，并结合分析结果制定了规划改造方案。模拟分析过程为排水防涝规划策略的制定提供了参考。
参考文献：
[1] 室外排水设计规范（GB50014-2006 2016版）[S].
[2] 海绵城市建设技术指南[S].
[3] 魏臻.Infoworks ICM在城市雨水防洪排涝风险评估中的应用[J].建筑工程技术与设计，2016，（15）：2019-2020.DOI：10.3969/j.issn.2095-6630.2016.15.066.
[4] 郑国栋.Infoworks ICM在市政道路雨水管道设计中的应用[J].科技视界，2015，（36）：276，308.DOI：10.3969/j.issn.2095-2457.2015.36.221.
[5] 黄瑾，周京春，解智强等.InfoWorks ICM应用于实测排水管网建模的数据处理研究[C].2014：294-297.