Infoworks ICM在市政道路雨水管道设计中的应用

【摘 要】Infoworks ICM集成了城市地上地下所有的雨水系统，采用一维和二维水动力学计算模型，从整体上实现对整个城市雨水系统的动态模拟。此软件已成功运用于《城市排水（雨水）防涝综合规划》的编制，可对城市或片区雨水管网系统进行排水能力评估，分析积水、溢流等产生的原因，并找出解决这些问题的方法。基于Infoworks ICM的强大功能，其同样可以被运用到单一市政道路的雨水方案设计中，以评估传统恒定均匀流理论公式的计算结果，通过模拟以判定实际淹没出流状态下方案的合理性。

【关键词】Infoworks ICM；数学模式；雨型；雨水管道；河道

关于雨水设计流量的计算方法，我国目前采用恒定均匀流推理公式，即Q=Ψ・q・F计算。恒定均匀流推理公式基于以下假设：降雨在整个汇水面积上的分布是均匀的；降雨强度在选定的降雨时段内均匀不变；汇水面积随集流时间增长的速度为常数，因此推理公式适用于较小规模排水系统的计算，当应用于较大规模排水系统的计算时会产生较大误差。随着技术的进步、管渠直径的放大和水泵能力的提高，排水系统、汇水流域面积逐步扩大应该修正推理公式的精确度。发达国家已采用数学模型模拟降雨过程，把排水管渠作为一个系统考虑，并用数学模型对管网进行管理。

1 模型简介

Infoworks ICM （Integrated Catchment Manage―ment）模型，即城市综合流域排水模型，是由Wall―ingford软件公司开发的，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用。它在一个独立模拟引擎内，完整的将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市流域二维洪涝淹没模型结合在一起，是世界上第一款实现在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能的软件。

2 排水系统模型构建

通过对排水系统中检查井、管道、泵站以及其他排水构筑物的流量、水位、流速、充满度以及泵的启闭等时间序列的仿真模拟，排水模型提供的结果可为用户分析现状排水管网系统的工作状态。借助这些分析，可了解排水管网是否出现超负荷运行或冒溢；当降雨量达到多大时，系统无法正常排涝；为了让系统达到规定设计暴雨重现期的雨水，排水系统进行改扩建的规模是多少。

2.1 研究对象概况

模型以江苏如东县洋口港临港工业区二期南北向道路东堤路为研究对象，东堤路为新建道路，连接北堤路和海堤路，总长2.38km，路宽24m，双侧布置雨水管道。

东堤路西侧为经七河，东侧为地块，雨水系统主要收东侧地块雨水排入经七河。经七河为现状河道，河底标高：中心河以南为-0.69m（85高程，下同），中心河以北为-1.19m；经七河最高水位为2.01m，常水位1.81m。

2.2 建模所需数据（图1）

模型建立需要的数据如下：（1）管道材料、管径、坡度及管内底标高；（2）汇水面积图；（3）道路范围线以及河道范围线；（4）规划竖向或控制参数；（5）规划径流系数；（6）当地最新暴雨强度公式；（7）河道水位数据等。

图1 东堤路雨水汇水面积图

2.3 构建模型网络

2.3.1 管道、检查井

鸿业格式的管道、检查井数据包括设计管道编号、管径、设计地面标高、设计管内底标高、检查井X、Y坐标等，将这些数据处理成CSV格式，方可导入Infoworks ICM。

2.3.2 子流域集水区

方案阶段所绘制的汇水面积图，可直接以dwg格式导入。

2.3.3 道路、河道

汇水面积图中所包含的道路、河道等信息同样可直接以dwg格式导入Infoworks ICM。

2.3.4 规划地形高程

根据地块竖向规划或控制参数制作地形文件，以txt格式（包含散点的X、Y坐标及高程值）导入Infoworks ICM。

2.4 降雨事件

由于缺少详细的降雨观测资料，无法建立当地的雨型，故选择目前被广泛运用的“芝加哥雨型”结合当地暴雨强度公式，生成方案的设计雨型。方案对2年一遇常规降雨和20年一遇特大暴雨分别进行模拟。

2年一遇降雨，降雨历时取2小时，最大降雨强度为112mm/h（图2）。

图2 两年一遇2h设计雨型

20年一遇降雨，降雨历时取24小时，最大降雨强度为200mm/h（图3）。

图3 二十年一遇24h设计雨型

2.5 河道水位

河道水位来源于该地区防洪规划。

2.5.1 常水位

应对2年一遇短历时降雨工况，设定水位为常水位1.81m。

2.5.2 汛期排涝水位

应对20年一遇长历时排涝工况，设定水位如图4所示。控制水位2.01m，汛期之前预降至0.31m。

图4 二十年一遇设定水位

2.6 模拟结果

本项目雨水流量按推理公式法计算，现采用Infoworks ICM模型校核，结果如图5；可见发生2年降雨的情况下，雨水不会溢出地面，说明本方案设计的雨水管道符合要求。

图5 二年一遇雨水管纵断面图

对20年一遇长历时降雨的情况下采用Infoworks ICM进行模拟，结果如图6；可见雨水仍然不会溢出地面，说明本方案设计的雨水管道满足20年一遇长历时降雨的排涝要求。

图6 二十年一遇雨水管纵断面图

3 结论

模型能够计算流量过程线，采用非恒定流非均匀流计算，使排水情况更接近实际。

通过引入河道水位和地面高程，能够耦合雨水管道、河道、地面积水，真实地模拟雨水管道淹没出流和检查井溢水地面漫流的情况。

Infoworks ICM不仅可以用于新建道路的雨水方案设计，评估管道设计的合理性，还可以用于老路改造方案设计，对现状管道进行排水能力评估并提出解决方案。另外，《室外排水设计规范（2014版）》已经明确提出当汇水面积超过2km2时，雨水设计流量宜采用数学模型进行确定。可见，排水模型在市政道路雨水设计中的应用必定越来越广泛。

【参考文献】

[1]宁静.上海市短历时暴雨强度公式与设计雨型研究[D].上海：同济大学，2006.

[2]邓培德.城市雨水沟道容量平衡法设计流量的研究[J].给水排水，2006，32（2）：21-26.

[3]李建勇.Infoworks ICM 在城市排水系统分析中的应用[J].中国给水排水，2014，

30（8）：21-24.