姚双龙
北京市市政工程设计研究总院有限公司 北京 100082
摘要：以北京市XX下凹式立交桥桥区雨水排水系统为研究案例应用InfoWorks ICM模型对桥区内涝积水进行了研究。阐述了下凹桥区雨水排水系统模型构建的思路和方法，针对模型模拟运算中采用的模拟时间步长做了优化分析。在此基础上，选用2012年7月21日的实测降雨事件和一系列不同设计重现期的设计降雨事件对该桥区升级改造实施前后的雨水系统进行了模拟，分析评价改造方案的效果。
关键词： 排水系统模拟；内涝；下凹式立交排水
Drainage System Modeling Research of Underpass Area Based on InfoWorks ICM
Abstract: Waterlogging research in underpass area is carried out by the InfoWorks ICM drainage model based on a case study of a chosen underpass drainage system in Beijing. The methodology of underpass drainage model set-up is illustrated and the selection of simulation timestep is analyzed and optimized. The real rainfall event on 21 Jul, 2012 and a series of design rainfall events with incremental return periods are both applied to simulate pre- and post- upgrading scenarios of the chosen underpass drainage system to evaluate the effectiveness of the upgrading program in waterlogging mitigation.
Keywords: drainage system modeling；waterlogging；underpass drainage
1研究背景
近年来，随着极端降雨事件的发生，北京市的下凹式立交桥桥区多次遭受城市内涝灾害的侵袭。下凹式立交桥，顾名思义，其在道路十字交叉处并未采取高架的方式，而是其中一条道路降到地面以下，以横穿过位于地面的另一条道路或铁路。
下凹桥区的雨水排水系统分为两套：专为排除下凹道路区域雨水的低水雨水排水系统和排除桥区周边流域雨水的高水雨水排水系统。其中，低水系统设有雨水泵房，由雨水管收集的雨水经雨水泵提升后排入到该地区下游的水体内。而高水系统则主要通过重力流排水排入到下游水体。
由于桥区下凹处地势低于周边区域，遇极端降雨时易造成内涝积水。而采用传统的方法，难以量化分析桥区积水的具体时空分布和积水原因，因此本研究拟采用基于数学模型的模拟分析方法对桥区的积水情况进行研究。
2研究对象
本文以北京市XX桥区的高低水雨水排水系统为案例，应用InfoWorks ICM水力模型软件对该桥区雨水系统进行模拟研究。针对近年来下凹桥区内涝灾害的发生，2012-2013年，XX桥区的雨水排水系统实施了升级改造工程。本文应用ICM水力模型分析该桥区的积水过程和原因并通过对比改造前后的排水系统对升级改造方案作出评价。
InfoWorks ICM是一款由著名水力模型公司Innovyze研发的集城市雨水管网系统模拟，污水管网系统模拟，以及河道系统模拟于一体的综合水力模型软件[1]。该软件提供了众多先进的基于非恒定流算法的水力模拟功能，其中的二维地表漫流模拟功能，可以模拟地表积水产生的动态过程，为建模者深入分析内涝积水的情况提供了强大的技术支持。
XX桥区的高低水流域分布如图 1所示。低水系统流域面积约13ha，其下凹道路呈南北向，从下部穿越东西向的一条铁路。低水系统的雨水在下凹处由雨水口收集入雨水管后，向南排入改造前的雨水泵站，经泵站提升后向南排入河道。高水系统总流域面积约625ha，雨水由东西向分布的雨水支管收集后汇入南北向的雨水干管，南排入河道。
.png)
图 1 XX桥区全流域分布
3模型构建
3.1一维模型网络的构建
ICM所需的模型网络数据主要包括节点（如检查井）、连接（如管道）。XX桥区的高低水系统的原始数据主要来自CAD文件格式的勘察测量数据（测图）和地理信息系统（GIS）数据库形式的管理数据。其中，GIS数据可以通过ICM的数据导入中心将节点和连接分类导入到ICM网络模型中。而CAD数据则可以先转化为GIS数据，再导入到ICM中。由于CAD的数据的更新时间更新，因此作为重点研究对象的桥区低水系统的网络数据以CAD的数据为准。
3.2子集水区的划分
低水流域子集水区的划分，结合勘察测图和现场勘测调查，根据各个部分的排水路径将低水汇水多边形细分成多个子流域多边形，再单独对每个子流域多边形应用泰森多边形法生成子集水区。
高水子集水区的划分先根据测图的地形信息和管线分布情况细分流域多边形，再在各个小流域多边形应用泰森多边形法。细分流域多边形时，对于有支管的部分，进一步作了细分，以使管线收水更能反映客观。
3.3二维网格模型的构建
为更准确地考察桥区道路的积水情况，需对原始高程数据点进行线性插值加密处理。最终生成的TIN模型如图 2所示。将二维地面模型导入到ICM中，便可以以此为计算基础生成二维网格模型。
.png)
图2 地面模型
3.4模型参数的确定
参考国内外的研究成果并依据工程经验，对产流模型和汇流模型的选取及相关参数进行了设置。径流表面划分为道路和综合两个类型，其参数设置如表 1所示。
表 1 产汇流参数设置
.png)
由于原始数据的局限，高水区域部分雨水支管在模型网络中没有构建，为表征此部分支管所具有的储水容积，对模型的相应管段作了储量补偿的推算。此外，管道的粗糙度系数曼宁N值设置为0.014，以表征管道中积泥对排水流态的影响。
4模拟时间步长的优化
采用不同的模拟时间步长模拟重现期P=50年的设计降雨，以考察模拟时间步长的选取对模拟结果的影响。如图 3所示，对比不同模拟时间步长的桥区下凹处积水过程线可以看到，随时间步长的增加，桥区积水深度呈增大的趋势，且差值越来越大。而模拟时间步长较大的结果中，例如采用60s步长的模拟结果中，桥区存在积水，但桥区雨水口的收水流量并没有达到雨水口的收水能力，雨水管道也没有达到满流。这表明时间步长较大时，模型结果存在较明显的误差，因此应选择较小的步长进行模拟。另一方面，如果步长设置过小，模拟运算所需时间和模型结果所占空间都会随之成倍增加。因此，综合两方面因素，在满足模拟精度的前提下，选择较大的步长。此案例中，选择5s作为模拟时间步长。
.png)
图 3 不同模拟时间步长桥区下凹处积水深度过程线
57·21降雨模拟
5.1改造前模拟
采用在XX桥区实测的2012年7月21日特大降雨事件（7·21降雨）对XX桥区模型改造前的排水系统进行了模拟。基于实测降雨资料整理的7·21降雨雨强过程线如图 4所示。
.png)
图 4 XX桥区7·21降雨强度过程线
模拟结果表明，对于改造前的排水系统，桥区出现严重的内涝积水，积水最深达3.87m，积水持续时间为649min。考察模拟结果，可以得出低水子集水区的峰值总径流量达2.75m3/s，而现况雨水泵站的最大排水流量仅为1.2m3/s，不足以排除降雨峰值时段低水区域产生的总径流量。另一方面，图 5的管道纵断图显示，位于桥区东北侧的高水雨水管在地势低洼处的检查井出现大量冒水，沿道路坡向向南流入桥区下凹处，加重了其内涝情况。此高水管的下游在下穿铁路处由WxH=4000x2500mm的方沟变成了2条D1550mm的圆管，过流断面的明显减少导致此处排水能力的降低，以致其上游壅塞冒水。
.png)
图 5 桥区东北侧高水管段流量峰值时刻平面纵断图
5.2改造后模拟
XX桥区的改造方案主要包括：
1)在桥区下凹道路拆除原有雨水口，新建雨水口，增加雨水口数量；在桥区道路高水区域，增加雨水口，完善周边收水系统。
2)增大低水系统现况雨水管管径。
3)废除原有雨水泵房及进出水管线，在XX桥西南侧新建雨水泵房和雨水调蓄池，并新建泵站进水、出水管线。新建泵站设计流量提升至5m3/s。
4)在东西向道路西南侧辅路南侧新建高水雨水方沟。方沟东侧与现况雨水方沟相接，西侧与新建泵站出水管相连，以分流部分高水雨水直接向西排入河道。
仍采用7·21降雨对改造后的桥区排水系统进行模拟。模拟结果显示，桥区积水最深仅为0.06m，未达到0.15m的内涝积水标准。低水系统子集水区总的径流峰值为2.96m3/s，小于新建雨水泵站的排水流量（5m3/s）。此外，在改造前桥区东北侧冒水严重的高水管的冒水情况得到显著缓解，如图 6所示。
.png)
图 6改造后桥区东北侧高水管段流量峰值时刻平面纵断图
6设计降雨模拟
为进一步评价该桥区排水系统，对比改造前后的排水情况，以评价改造方案的效果，分别采用设计重现期P=1年，5年，10年和50年的24h设计降雨[2]对改造前后的排水系统进行了模拟。各个设计降雨条件下桥区下凹处的积水情况如表所示。
表 2 不同重现期降雨模拟的桥区下凹处积水情况
.png)
分析模拟结果，笔者得出，改造前的排水系统，由于模拟采用的标准高于原设计标准，且受高水管冒水的影响，在P=1年的降雨便产生内涝积水。随着降雨重现期的增大，积水深度和积水持续时间亦随之增大。改造后的排水系统，则可承受较大重现期的设计降雨：在P=10年的设计降雨条件下，桥区积水最深仅为0.06m，小于0.15m的内涝标准；即使在P=50年条件下，虽然积水深度达到了0.44m，但积水时间为26min，小于30min的内涝标准，因此亦视作未发生内涝。可见，改造方案可显著缓解XX桥区下凹处的积水情况。
7结语
本文以北京市XX下凹式立交桥桥区雨水排水系统为案例，介绍了下凹式立交桥桥区排水的特点，基于InfoWorks ICM构建了XX下凹式立交桥桥区雨水排水系统模型，并优化选取了模拟时间步长，即在保证模拟精度的条件下，选取较大的步长，以达到节省运算资源的目的。通过对比不同降雨事件对桥区升级改造前后造成的内涝积水情况，分析得出，改造方案可显著缓解桥区下凹处的内涝积水。
参考文献：
[1] Innovyze. What you can do with InfoWorks ICM. https://www.innovyze.com/en-us/
products/infoworks-icm, 2020-11-23
[2] DB11/T 969-2013. 城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准[S]. 北京：北京市质量技术监督局办公室，2013