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摘要：采用InfoWorks ICM模型软件构建包含武汉市某商务区在内的汉口常青排水系统的一维、二维耦合水力模型，在20a重现期设计降雨条件下，利用该模型对商务区现状内涝风险进行评估并分析其主要渍水成因。根据评估及分析的结果，研究制定出3种内涝治理方案，并用模型对各方案的实施效果进行预评估，最终通过综合考虑，确定采用设置节制闸及调蓄池的方式来应对商务区的内涝风险。
关键词：InfoWorks ICM;耦合水力模型;内涝治理;模型评估
中图分类号：TU992;文献标识码：A
Abstract： An 1-d and 2-d coupled hydraulic model of ChangQing drainage system which includes the CBD in Wuhan was established using InfoWorks ICM software. Current risk of waterlogging in CBD was evaluated and analyzed by this model under the condition of design rainfall for 20a return period. Based on the consequence of evaluation and analysis， three waterlogging control scheme whose effect has been tested using the model was set up. Take all factors into consideration， a combined scheme based on regulating sluice and storage pond eventually was adopted to control risk of waterlogging in CBD.
Key words： InfoWorks ICM; coupled hydraulic model; waterlogging control; model evaluation
由于近年来武汉市城市建设不断推进，不透水下垫面的比例也越来越高，同时叠加愈发频繁的极端降雨天气，导致城市地面径流量及内涝风险日益增加，严重威胁居民的生命财产安全[1]。但以传统水力计算的方式制定提出的内涝治理方案虽能在一定程度上解决问题，却无法相对准确地评估各方案实施后的效果，结果往往导致项目实施后要么无法有效解决相应问题，要么造成项目经济效益不足、投资浪费[2]。而水力模型则可通过一维及二维的水动力学计算，动态地模拟降雨过程中雨水在城市地表及排水系统内部的流动状况，从而更为准确地评估不同工况条件下的城市内涝风险并分析其相关原因[3]。
武汉市某商务区作为武汉市确定的第一个重点功能区，在2015年及2016年的雨季均发生了较为严重的大面积渍水情况，这与其高端的功能区定位无疑是极不相称的。基于此，本文以武汉市某商务区为研究对象，通过利用InfoWorks ICM软件搭建水力模型对商务区及其外围相关联的排水系统进行模拟，评估商务区现状内涝风险，分析其渍水原因，并以此为基础提出内涝治理方案，最后评估各方案实施效果并从中选择最佳应对方式。
1 研究区概况
研究对象为武汉市某商务区，总面积为7.41km2。由于该商务区排水系统不独立，其上下游汇水均会对商务区内部排水产生影响，因此考虑将其所属的汉口常青排水系统整体纳入本次研究的范围。汉口常青排水系统总面积约60.4km2，分为新墩、禁口和机场河3个子汇水系统，3个子系统分别通过古田二路、园博园路、青年路-机场河排水主箱涵及与之配套的新墩闸、禁口闸、黄家大湾闸将汇水区内雨水排至下游机场河明渠，最后通过明渠末端的常青泵站（总抽排能力为187m3/s）抽排出府河。其中，该商务区西部少量区域属于禁口子系统，区内雨水由园博园路主箱涵经三环线排至下游机场河明渠，而东部大部分区域则属于机场河子系统，雨水通过青年路-机场河主箱涵直接排至下游机场河明渠。
2 模型构建
采用InfoWorks ICM软件，以排水管网勘测资料、地形高程资料、下垫面解析资料、渠道断面资料、设计降雨资料及相关排水设施运行等资料为基础，针对不同地表选择合适的产汇流模型（固定径流系数法、Horton下渗法），对管网和检查井、各类水体、相关排水设施等进行概化，搭建汉口常青排水系统的一维、二维耦合水力模型。其中商务区内部构建二维模型，用以模拟地面积水的漫流演进以及水体、检查井等与地表之間的洪涝交互过程，从而评估商务区内部的渍水风险;商务区以外则构建一维模型，主要用以模拟汇水区内雨水进入管网系统后的流动状况，进而将商务区上下游的雨水汇流及排放过程对商务区内部排水所产生的影响考虑进来。
根据上述思路，模型搭建成果如下图所示，整个模型网络包括3028个检查井节点，3113条排水管渠（总长约224.5km），1个湖泊，1个泵站前池，23个泵站出水口（常青泵站共23台泵），3035个子集水区（总面积约7790ha），1个2D区间（下图红色区域，面积约935ha）。
3 降雨事件
设计暴雨雨型资料来源于《武汉市暴雨强度公式及设计暴雨雨型（DB4201 T 641-2020）》，24小时20a重现期设计降雨量为249.65mm。
4 现状分析
4.1现状内涝风险评估
由于该商务区近期的城市内涝防治标准为20年一遇，因此采用20a重现期设计降雨来评估区域现状内涝风险，评估结果如下图所示，图中蓝色区域即表示渍水地区，且蓝色越深表示渍水深度越大。由图中可以看出，商务区东部片区渍水情况相对较重，局部区域最大渍水深度甚至超过1.5m。根据实际调查结果，渍水严重地区与该商务区的历史渍水点基本吻合，表明模型较为可靠。 4.2渍水成因分析
结合商务区地势及模型模拟结果分析可知，商务区渍水的主要原因包括以下3个方面。
首先是商务区自身地势较为不利。通过将地形数据GIS化后进行分析，发现商务区大部分区域海拔仅在21～23m之间，和周边地区相比地势偏低，并且其内部也呈现出明显的西高东低的特征，不仅不利于自身排水，还容易蓄积周边径流，这与模型模拟得出的易渍水区域高度吻合。
其次，外围骨干系统过流能力不足。从排水高峰时段商务区外围2个出水通道园博园路排水主箱涵及青年路-机场河排水主箱涵的管道纵断面模拟结果可以看出，在20年一遇的降雨条件下，2条主干排水通道均出现了较长时间的超负荷状态，并且管线呈洋红色表示此种超负荷状态是由于其自身管径不够或坡度偏小所导致的过流能力不足引起的，而外围主干排水通道的长期超负荷使得商务区向外排水不畅，进而造成商务区内部渍水。
最后是外部涝水侵入加剧商务区内涝风险。由于商务区内部雨水管道与外界相连，用以将区域内雨水进行外排，但同时由于排水高峰时外围青年路-机场河排水主箱涵同样负荷较大，因此常常发生箱涵里的雨水倒流至商务区内部管道，不仅导致商务区内部雨水无法排出，还给商务区增加了额外的承雨负担，进而造成商务区渍水严重。从模型模拟的情况来看，在发展大道和常青路交界（图4上方红点）以及振兴路和常青路交界（图4下方红点）处的管道均发生了外部涝水侵入的情况，且最大瞬时流量变化分别达到约6m3/s和3.6m3/s，累积侵入体积分别达到约22500m3和27500m3，除上述2处节点外，其他几处连接点的管道也均发生了不同程度的涝水侵入，这对商务区雨水外排造成了严重影响。
5 方案研究
5.1方案制定
由于实施条件受限，在外围骨干系统排水能力短期内难以有效提升的前提下，根据上述渍水成因分析，考虑从阻止外部涝水入侵和提升内部蓄排能力两个方面来研究商务区内涝治理方案，对应的工程措施主要包括在商务区内外管道连接处设节制闸、在区内主要出水处建造外排泵站以及在商务区内部建设调蓄池，通过不同的措施组合形成以下3种方案。
①设节制闸及外排泵站
在发展大道与常青路交界及振兴路与常青路交界等处的雨水管道连接处设置节制闸，在外部青年路-机场河主箱涵排水负荷较大时关闭节制闸，待其负荷降低后再开闸排水，从而避免发生外部涝水倒流进入商务区内部的情况;此外，在商务区最主要的出水管与外部主箱涵连接处建造抽排泵站，用以将内部涝水强制排入外部箱涵，泵站规模设为25m3/s。
②设节制闸及调蓄池
节制闸的设置位置与方案①基本相同，只是方案①中建造抽排泵站的节点处也改设为节制闸，此外将商务区内部一处现状停车场及一处现状水杉林分别改建为具有调蓄功能的雨洪广场及雨洪公园，同时配套设置行洪沟，以将地面径流导入上述雨洪广场及雨洪公园中。通过计算，控制2处调蓄设施的总调蓄容量在40万方左右。
③设节制闸、外排泵站及调蓄池
方案③为方案①和方案②的组合，各项设施的设置位置及形式均与前两种方案相同，只是泵站规模缩减至15m3/s，雨洪广场及雨洪公园的总调蓄容量减少至20万方左右。
5.2效果评估
同样采用20a重现期设计降雨来对3种方案的实施效果进行预评估，结果显示，与现状内涝风险评估结果相比，3种方案均有较为明显的作用，但在方案①条件下，商务区内渍水面积仍然较大，局部最大渍水深度仍接近1.5m，因此不考虑方案①。方案②和方案③评估结果图中的2处渍水集中区即为所设置的雨洪广场及雨洪公园所在地，可以看出商务区内的雨水径流主要被集中调蓄在上述2处调蓄设施中，而除此之外的区域渍水面积及渍水深度均相对较小，内涝防治成效显著。此外，考虑到方案③在一定程度上是将商务区内部的涝水强制排入外部系统，无疑进一步增加了本就拙荆见肘的外部系统的排涝压力，使得商务区外围区域的渍水风险大大增加。因此，从系统整体统筹的角度进行考虑，本研究推荐方案②，即采用设置节制闸及调蓄池的方式来应对商务区的内涝风险。
6 结论
①采用InfoWorks ICM软件建立了包含武汉市某商務区在内的汉口常青排水系统的一维、二维耦合水力模型，利用该模型对商务区的现状内涝风险进行评估，发现在20a重现期设计降雨条件下，商务区内涝风险较大，通过进一步分析发现，商务区渍水的主要原因包括自身地势较低、外围骨干系统过流能力不足以及外部涝水侵入。
②为应对商务区内涝风险，本研究提出了设节制闸、建造外排泵站及建设调蓄池等工程措施，在此基础之上制定了3种应对方案。通过对这3种方案的实施效果进行模型评估及对比，最终确定方案②为最佳方案，即推荐采用设置节制闸及调蓄池的方式来应对商务区的内涝风险。
参考文献
[1]郭芝瑞，崔建国，张峰，薛晓虎.基于Infoworks ICM的城市排水调蓄池位置选择[J].给水排水，2016，52（02）：49-52.
[2]魏忠庆，黄永捷，林兰娜，陆丽君，黄翔峰.InfoWorks ICM在排水管网问题诊断及改造中的应用[J].中国给水排水，2017，33（23）：115-119.
[3]牟晋铭.基于水力模型的雨水排水系统改造方案[J].中国给水排水，2019，35（17）：129-132.
关键词：InfoWorks ICM;耦合水力模型;内涝治理;模型评估
中图分类号：TU992;文献标识码：A
Abstract： An 1-d and 2-d coupled hydraulic model of ChangQing drainage system which includes the CBD in Wuhan was established using InfoWorks ICM software. Current risk of waterlogging in CBD was evaluated and analyzed by this model under the condition of design rainfall for 20a return period. Based on the consequence of evaluation and analysis， three waterlogging control scheme whose effect has been tested using the model was set up. Take all factors into consideration， a combined scheme based on regulating sluice and storage pond eventually was adopted to control risk of waterlogging in CBD.
Key words： InfoWorks ICM; coupled hydraulic model; waterlogging control; model evaluation
由于近年来武汉市城市建设不断推进，不透水下垫面的比例也越来越高，同时叠加愈发频繁的极端降雨天气，导致城市地面径流量及内涝风险日益增加，严重威胁居民的生命财产安全[1]。但以传统水力计算的方式制定提出的内涝治理方案虽能在一定程度上解决问题，却无法相对准确地评估各方案实施后的效果，结果往往导致项目实施后要么无法有效解决相应问题，要么造成项目经济效益不足、投资浪费[2]。而水力模型则可通过一维及二维的水动力学计算，动态地模拟降雨过程中雨水在城市地表及排水系统内部的流动状况，从而更为准确地评估不同工况条件下的城市内涝风险并分析其相关原因[3]。
武汉市某商务区作为武汉市确定的第一个重点功能区，在2015年及2016年的雨季均发生了较为严重的大面积渍水情况，这与其高端的功能区定位无疑是极不相称的。基于此，本文以武汉市某商务区为研究对象，通过利用InfoWorks ICM软件搭建水力模型对商务区及其外围相关联的排水系统进行模拟，评估商务区现状内涝风险，分析其渍水原因，并以此为基础提出内涝治理方案，最后评估各方案实施效果并从中选择最佳应对方式。
1 研究区概况
研究对象为武汉市某商务区，总面积为7.41km2。由于该商务区排水系统不独立，其上下游汇水均会对商务区内部排水产生影响，因此考虑将其所属的汉口常青排水系统整体纳入本次研究的范围。汉口常青排水系统总面积约60.4km2，分为新墩、禁口和机场河3个子汇水系统，3个子系统分别通过古田二路、园博园路、青年路-机场河排水主箱涵及与之配套的新墩闸、禁口闸、黄家大湾闸将汇水区内雨水排至下游机场河明渠，最后通过明渠末端的常青泵站（总抽排能力为187m3/s）抽排出府河。其中，该商务区西部少量区域属于禁口子系统，区内雨水由园博园路主箱涵经三环线排至下游机场河明渠，而东部大部分区域则属于机场河子系统，雨水通过青年路-机场河主箱涵直接排至下游机场河明渠。
2 模型构建
采用InfoWorks ICM软件，以排水管网勘测资料、地形高程资料、下垫面解析资料、渠道断面资料、设计降雨资料及相关排水设施运行等资料为基础，针对不同地表选择合适的产汇流模型（固定径流系数法、Horton下渗法），对管网和检查井、各类水体、相关排水设施等进行概化，搭建汉口常青排水系统的一维、二维耦合水力模型。其中商务区内部构建二维模型，用以模拟地面积水的漫流演进以及水体、检查井等与地表之間的洪涝交互过程，从而评估商务区内部的渍水风险;商务区以外则构建一维模型，主要用以模拟汇水区内雨水进入管网系统后的流动状况，进而将商务区上下游的雨水汇流及排放过程对商务区内部排水所产生的影响考虑进来。
根据上述思路，模型搭建成果如下图所示，整个模型网络包括3028个检查井节点，3113条排水管渠（总长约224.5km），1个湖泊，1个泵站前池，23个泵站出水口（常青泵站共23台泵），3035个子集水区（总面积约7790ha），1个2D区间（下图红色区域，面积约935ha）。
3 降雨事件
设计暴雨雨型资料来源于《武汉市暴雨强度公式及设计暴雨雨型（DB4201 T 641-2020）》，24小时20a重现期设计降雨量为249.65mm。
4 现状分析
4.1现状内涝风险评估
由于该商务区近期的城市内涝防治标准为20年一遇，因此采用20a重现期设计降雨来评估区域现状内涝风险，评估结果如下图所示，图中蓝色区域即表示渍水地区，且蓝色越深表示渍水深度越大。由图中可以看出，商务区东部片区渍水情况相对较重，局部区域最大渍水深度甚至超过1.5m。根据实际调查结果，渍水严重地区与该商务区的历史渍水点基本吻合，表明模型较为可靠。 4.2渍水成因分析
结合商务区地势及模型模拟结果分析可知，商务区渍水的主要原因包括以下3个方面。
首先是商务区自身地势较为不利。通过将地形数据GIS化后进行分析，发现商务区大部分区域海拔仅在21～23m之间，和周边地区相比地势偏低，并且其内部也呈现出明显的西高东低的特征，不仅不利于自身排水，还容易蓄积周边径流，这与模型模拟得出的易渍水区域高度吻合。
其次，外围骨干系统过流能力不足。从排水高峰时段商务区外围2个出水通道园博园路排水主箱涵及青年路-机场河排水主箱涵的管道纵断面模拟结果可以看出，在20年一遇的降雨条件下，2条主干排水通道均出现了较长时间的超负荷状态，并且管线呈洋红色表示此种超负荷状态是由于其自身管径不够或坡度偏小所导致的过流能力不足引起的，而外围主干排水通道的长期超负荷使得商务区向外排水不畅，进而造成商务区内部渍水。
最后是外部涝水侵入加剧商务区内涝风险。由于商务区内部雨水管道与外界相连，用以将区域内雨水进行外排，但同时由于排水高峰时外围青年路-机场河排水主箱涵同样负荷较大，因此常常发生箱涵里的雨水倒流至商务区内部管道，不仅导致商务区内部雨水无法排出，还给商务区增加了额外的承雨负担，进而造成商务区渍水严重。从模型模拟的情况来看，在发展大道和常青路交界（图4上方红点）以及振兴路和常青路交界（图4下方红点）处的管道均发生了外部涝水侵入的情况，且最大瞬时流量变化分别达到约6m3/s和3.6m3/s，累积侵入体积分别达到约22500m3和27500m3，除上述2处节点外，其他几处连接点的管道也均发生了不同程度的涝水侵入，这对商务区雨水外排造成了严重影响。
5 方案研究
5.1方案制定
由于实施条件受限，在外围骨干系统排水能力短期内难以有效提升的前提下，根据上述渍水成因分析，考虑从阻止外部涝水入侵和提升内部蓄排能力两个方面来研究商务区内涝治理方案，对应的工程措施主要包括在商务区内外管道连接处设节制闸、在区内主要出水处建造外排泵站以及在商务区内部建设调蓄池，通过不同的措施组合形成以下3种方案。
①设节制闸及外排泵站
在发展大道与常青路交界及振兴路与常青路交界等处的雨水管道连接处设置节制闸，在外部青年路-机场河主箱涵排水负荷较大时关闭节制闸，待其负荷降低后再开闸排水，从而避免发生外部涝水倒流进入商务区内部的情况;此外，在商务区最主要的出水管与外部主箱涵连接处建造抽排泵站，用以将内部涝水强制排入外部箱涵，泵站规模设为25m3/s。
②设节制闸及调蓄池
节制闸的设置位置与方案①基本相同，只是方案①中建造抽排泵站的节点处也改设为节制闸，此外将商务区内部一处现状停车场及一处现状水杉林分别改建为具有调蓄功能的雨洪广场及雨洪公园，同时配套设置行洪沟，以将地面径流导入上述雨洪广场及雨洪公园中。通过计算，控制2处调蓄设施的总调蓄容量在40万方左右。
③设节制闸、外排泵站及调蓄池
方案③为方案①和方案②的组合，各项设施的设置位置及形式均与前两种方案相同，只是泵站规模缩减至15m3/s，雨洪广场及雨洪公园的总调蓄容量减少至20万方左右。
5.2效果评估
同样采用20a重现期设计降雨来对3种方案的实施效果进行预评估，结果显示，与现状内涝风险评估结果相比，3种方案均有较为明显的作用，但在方案①条件下，商务区内渍水面积仍然较大，局部最大渍水深度仍接近1.5m，因此不考虑方案①。方案②和方案③评估结果图中的2处渍水集中区即为所设置的雨洪广场及雨洪公园所在地，可以看出商务区内的雨水径流主要被集中调蓄在上述2处调蓄设施中，而除此之外的区域渍水面积及渍水深度均相对较小，内涝防治成效显著。此外，考虑到方案③在一定程度上是将商务区内部的涝水强制排入外部系统，无疑进一步增加了本就拙荆见肘的外部系统的排涝压力，使得商务区外围区域的渍水风险大大增加。因此，从系统整体统筹的角度进行考虑，本研究推荐方案②，即采用设置节制闸及调蓄池的方式来应对商务区的内涝风险。
6 结论
①采用InfoWorks ICM软件建立了包含武汉市某商務区在内的汉口常青排水系统的一维、二维耦合水力模型，利用该模型对商务区的现状内涝风险进行评估，发现在20a重现期设计降雨条件下，商务区内涝风险较大，通过进一步分析发现，商务区渍水的主要原因包括自身地势较低、外围骨干系统过流能力不足以及外部涝水侵入。
②为应对商务区内涝风险，本研究提出了设节制闸、建造外排泵站及建设调蓄池等工程措施，在此基础之上制定了3种应对方案。通过对这3种方案的实施效果进行模型评估及对比，最终确定方案②为最佳方案，即推荐采用设置节制闸及调蓄池的方式来应对商务区的内涝风险。
参考文献
[1]郭芝瑞，崔建国，张峰，薛晓虎.基于Infoworks ICM的城市排水调蓄池位置选择[J].给水排水，2016，52（02）：49-52.
[2]魏忠庆，黄永捷，林兰娜，陆丽君，黄翔峰.InfoWorks ICM在排水管网问题诊断及改造中的应用[J].中国给水排水，2017，33（23）：115-119.
[3]牟晋铭.基于水力模型的雨水排水系统改造方案[J].中国给水排水，2019，35（17）：129-132.