赖成超
（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510030）
摘 要：为优化排水系统，改善城市水环境质量和流域水质，为海绵城市建设提供技术支持，采用InfoWorks ICM水力模型软件，建立排水管网模型。在利用研究流域排水管网关键节点的连续水量监测数据对建立的模型进行校核与验证之后，运用模型对排水管网系统进行现状分析与评估。
关键词：海绵城市；InfoWorks ICM；排水管网模型；
0 引言
南宁市为国家公布的第一批“海绵城市”建设试点城市，而竹排江流域位于南宁市邕江以北建成区的中轴线上，既是南宁市多年城市建设成果呈现的窗口，也是城市运行维护等管理矛盾最集中的部位。
竹排江流域面积约117 Km2，干流为竹排江，主要支流包括沙江河、那考河、七一总渠、凤岭冲沟、南湖及青秀湖支流等，主河道长约35.9 Km，水质指标全部低于地表水Ⅳ类标准，大部分为劣Ⅴ类水体，呈轻微黑臭状态，外源污染已经远远超过水体的自净能力。流域内常住人口约629 611人，流动人口约198 623人。流域内共建设有污水处理厂2座，市政排水管道约816.5 Km，其中污水管约258 Km，雨水管约386 Km，合流管约172 Km，管网密度约6.86 Km/Km2，远低于国内成熟建成区的管网密度（一般为14～15 Km/Km2）。而在已实施截污工程的合流制排水区域，截流倍数只有1.3，管道设计容量较小，合流排水口平均年溢流频率达到50~60次/年，溢流的频率高，溢流污水量大，对竹排江的水环境容量会造成巨大的影响。
基于竹排江流域水体污染的严重性、成因的复杂性、治理的紧迫性，需要寻找切实可行的长效治理技术路线，为竹排江流域水质改善提供方向性的技术路线。
1 InfoWorks ICM模型
InfoWorks ICM，是英国Wallingford公司开发的城市综合流域排水模型软件[1]，模型包含降雨模块、地表径流模块、节点入流模块及转输模块等[2]。
InfoWorks ICM的主要计算单元包括初期损失、产流计算及汇流模型[3]。在节点入流及转输模块，明渠流采用完全解圣维南方程组，其一般形式如下[4]：
式中：Q：流量；A：过水断面面积；qi：x方向单位长度的侧向入流量；t：时间；y：水深；S0：管底坡度；Sf：摩阻坡降；g：重力加速度；v：流速
InfoWorks ICM首次完整地模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水管网系统模型和河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用。
《室外排水设计规范》（GB 50014-2006）（2016年版）3.2.1中指出：当汇水面积超过2Km2时，宜考虑降雨在时空分布的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。李建勇[5]利用InfoWorks ICM软件建立水力模型，对上海市杨浦滨江区内X与Y排水系统进行分析研究，并提出了针对性优化改造方案；汉京超[6]通过InfoWorks ICM软件建立了上海福建北区排水管网模型，对管网提标改造方案进行了优化比选等。通过上述研究应用，说明InfoWorks ICM水力模型软件可以很好地应用于排水管网分析评估与优化，对提出改善流域水体水质的工程措施及管理手段等具有重要指导意义。
基于以上因素，本研究应用InfoWorks ICM软件建立了南宁市竹排江流域的排水管网模型，对管网进行现状分析评估。
2 模型的建立
2.1 模型的初步搭建
本研究主要基于南宁市竹排江流域的排水管网普查GIS数据（2014年）、2014年后新建及在建工程施工图纸、污水处理厂与污水提升泵站运行数据、一体化处理设施数据、补水工程数据、河道与地形数据、大型排水户数据、相邻水体及雨污水提升和处理设施数据等，在完成数据的分析及复核修正后，进行模型的初步搭建。
2.2 模型的校核
在应用于工程仿真模拟之前，模型必须要经过严格的校核，确保其拟合度与精确度能够满足使用要求。根据《英国排水系统水力模型工程师职业规范》，实测数据和模型计算数据，两套曲线在形状和数值上都应相互拟合，且应满足峰值和极小值时间偏差均应小于1 h；峰值流量数值偏差在±10%以内；总流量数值偏差在±10%以内。
本研究从2017年6月8日到7月4日对管网系统的8个关键节点进行2 min间隔，连续24 h的水量数据测量，采集了连续72 h的旱天及雨天水量数据，并从当地降雨监测站获取了测量期间的5 min降雨数据，用于模型的校核。受限于文章篇幅，仅针对其中一个节点的校核与验证过程进行介绍，其余节点与之一致。
使用2017年6月24日的实测数据对模型进行校核，29WS968节点的校核结果详见下图。
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图1 节点29WS968的水位、流量和流速的模拟值与实测值对比曲线图
图中红色曲线为实测值曲线，绿色曲线为模拟值曲线，从图中可知，节点的水位、流量和流速的实测值曲线与模拟值曲线在形状和数值上相互拟合，峰值与极小值的时间偏差均小于1 h。实测峰值流量为0.120 m3/s，模拟峰值流量为0.118 m3/s，相差1.7%；实测总流量为8 424 m3，模拟总流量为8 816 m3，两者相差4.6%。
3 排水管网的现状评估
模型经过校核之后，模型模拟计算结果与实际情况总体相符，实测值与模拟值的偏差在合理范围之内，模型拟合度满足使用要求，可用于排水管网的分析评估。
3.1排水管网现状评估
利用2017年6月24日模型的校核结果，对竹排江流域污水收集主干管系统的运行状况进行评估，运行结果如图2~3所示。
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图2 排水管网主干管超载统计图
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图3 排水管网主干管低流速管段统计图
根据模型的运行结果：
（1）主干管的超载比例为23.1%，其中94.8%的管段每天的过载时间处于20~24 h之间，过载程度较为严重；
（2）主干管中旱天流速低于0.1 m/s的比例为44.5%，流速在0.1 m/s~0.3 m/s的比例为26.0%，0.3 m/s~0.6 m/s的比例为18.4%，仅有11%的管道流速大于0.6 m/s。
根据模型的模拟结果，可以直观的看到，竹排江流域较大比例的排水干管存在着常态性高水位运行的问题，通过对琅东污水厂运行数据及其收集管道的分析可知，厢竹大道主干管与竹排江两岸截污干管于滨湖路汇合后以D2000 mm重力管（管底标高61.5 m）排入琅东污水厂二期进水前池，南湖西岸截污干管以D1350 mm重力管（管底标高64.5 m）排入琅东污水厂一、三期进水前池，而由于琅东污水厂一、三期进水前池水位处于68.82~70.86 m之间，二期进水前池水位处于66.7~69.5 m之间，顶托了进水主管及截污干管的水位，造成高水位的系统性辐射扩散，因此才会出现主干管系统大面积过载的情况。对于截污干管，其截流倍数较小（仅为1.3），相对于目前中心城区的截流倍数一般取3~5而言，其管径偏小，会进一步加剧管道的超载情况。
而从图3可以看到，主干管系统89%的管段流速低于0.6 m/s，仅有11%的管道流速大于0.6 m/s，管道流速过低，污水里面夹杂的垃圾及悬浮物等极易沉积，会给排水管网系统带来较高的淤积风险。实际上管道流速低也是管网系统高水位运行的其中一个表征。
管道常态性高水位运行，不但会增大污水处理厂的运行压力，还会降低污水的收集率，增大污水溢流及管道泄漏的风险，对河道及地下水系统的水质造成威胁，对于竹排江流域的水环境而言都是非常不利的，是一个无法忽视、亟需解决的问题。
对于这种情况，需要从整个排水系统出发，才有可能找到根本上解决该问题的方法。而只有在了解现状的基本情况的前提下，才能厘清下一步需要采取的措施，是厘清污水处理厂上游管网收集的污水量与其实际的处理水量之间的关系，探讨是否可能腾出污水厂的处理容量，还是直接增大污水处理厂的处理规模，是增大截污管的截流倍数，还是增加调蓄设施及一级强化措施等。
4 结语
南宁市竹排江流域排水管网水力模型应用研究表明，利用InfoWorks ICM软件建立排水管网模型，经过科学合理的校核后，能够为流域排水管网设计、建设和改造完善、运行评估和管理提供科学的技术支持和理论依据，对水环境改善具有重要的意义。
参考文献
[1] Zoppou. C. Review of Urban Storm Water Model[J]. Environmental Modeling &Spftware, 2001, 16(3): 195-231
[2] 隋军,王宏利,李捷.城市排水系统水质模型的构建及和应用[J].中国给水排水,2016,32(7):130-134.
[3] 郭芝瑞,崔建国,张峰,等.基于Infoworks ICM的城市排水调蓄池位置选择[J].中国给水排水,2016,42(2):49-52.
[4] 赵琬玉.InfoWorks ICM 排水管网模型在实际中的应用[J].辽宁大学学报,2015,42(2):118-122.
[5] 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.
[6] 汉京超.应用Infoworks ICM软件优化排水系统提标方案[J].中国给水排水,2014,30(11):34-38.