基于ArcGIS与InfoWorks的城市排水系统模拟计算及分析

净水技术2019,38(sl)：356-359WaterPurificationTechnology顾潇，谭显英,陶贤成.基于ArcGIS与InfoWorks的城市排水系统模拟计算及分析［J］.净水技术,2019,38(sl):356-359.GUX,TANX,TAOX.SimulationandanalysisofurbandrainagesystembasedonArcGISandInfbWorks［J］.WaterPurificationTechnology,2019,38(sl):356-359.基于ArcGIS与InfoWorks的城市排水系统模拟计算及分析顾潇，谭显英,陶贤成(上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海200092)摘要以上海市某排水片区为研究对象，利用ArcGIS空间分析功能及计算机模拟技术建立区域排水系统模型，对该区域排水系统的地面积水情况进行了数值模拟。降雨历时取为2h,重现期分别为5a和100a的两类暴雨过程,通过计算得到该地区在不同设计暴雨雨型下的积水情况，并通过充满度指标对新建排水系统的排水能力进行了评估。研究结果为该地区地下管网的设计方案提供了技术指导。关键词InfoWorks排水系统充满度中图分类号:TU992文献标识码:B文章编号：1009-0177(2019)sl-0356-04DOI：10.15890/j.cnki.jsjs.2019.sl.090SimulationandAnalysisofUrbanDrainageSystemBasedonArcGISandInfoWorksGUXiao,TANXianying,TAOXiancheng(ShanghaiMunicipalEngineeringDesistInstitute{Group)Co.,Ltd.,Shan^iai200092,China)AbstractTakingdrainagesysteminShanghaiastheobject,thedrainagesystemmodelofcatchmentisestablishedwiththespa­tialanalysisfunctionofArcGISandcomputersimulationtechnology.Theurbanwaterloggingsituationofthedrainagesystemissimu­lated.Twotypesofrainstormprocesseswithrainfalldurationof2hours,recurrenceperiodsof5yearsand100yearsareusedtocal­culatewateraccumulationunderdifferentdesignrainstormpatternsinthisarearespectively.Drainagecapacityofthenewdrainagesystemisevaluatedbydepthratiosindex.Simulationresultsprovideatheoreticalbasisandtechnicalguidanceforthedesign.KeywordsInfoWorksdrainagesystemdepthratio城市化的快速发展使得城市内涝及初期雨水地面径流污染日益严峻，来自建筑屋顶、小区街道、停车场、市政绿化景观区域的雨水排入市政污水管网，排水管道不仅产生溢流,还会携带较多的非点源污染进入自然水体。随着排水数学模型技术的发展,水文学、水力学等计算方程大多耦合至软件中，国外应用模型进行排水系统的规划设计已较成熟,目前,上海、深圳以及北京等地早已开展城市排水数学模拟的研究，建设有许多成功的工程实例M。随着对城市水安全问题的不断深入研究，雨水的综合管理应按照低影响开发(LID)理念采用“蓄、渗、滞、用、净”等方法进行,控制面源污染、防治内涝灾害、提高雨水利用程度，对现状管网排水能力的正［收稿日期］2019-03-13［作者简介］顾潇(1991一)，男，硕士，助理工程师，主要从事给排水设计研究o电话:[phone];E-mail:[e-mail]。确评估是最为关键的一环耳2017年5月1日，上海市质量技术监督局发布了《暴雨强度公式与设计雨型标准》(DB31/T1043—2017),对上海现有暴雨强度公式进行了新的修订旧'，全面系统性地评估了城市排水防涝能力和风险。地理信息系统(GIS)具有较完善的属性编辑功能,其不仅能够进行三维空间分析，还可以将数据与排水模型软件进行有效连接,为排水系统模型的模拟提供较好的平台基础。1模型建立1.1研究区域概况南汇新城是《上海市城市总体规划(2017-2035)》确定的五大新城之一，是滨江沿海发展廊道上的节点城市，是以先进制造、航运贸易、海洋产业为支撑的滨海城市，临港综合区位于亚热带南缘，属沿海季风盛行地区，雨量充沛，年平均降雨量为—356—净水技术WATERPURIFICATIONTECHNOLOGYVol.3&No.si,2019June1st,20191072.2mm,沿江沿海通过对水闸的合理控制调度,上海吴淞高程内河水位常年控制在2.50-2.80m,最高水位控制在3.30m。研究区域在综合区04PD-0107单元处于上海浦东大片河网的东南端，为围垦滩地,地势低平,地面高程在3.0m左右，如图1所示。1.2建模过程1.2.1排水系统GIS数据导入对研究区域的CAD图形进行新的筛选和编辑,将区域内的CAD图形全部转换成统一的坐标系，修改为相同的比例尺,然后在ArcCatalog运行环境下,新建排水模拟系统数据库，将编辑整理后的CAD数据导入GIS后进行相关要素属性及其拓扑关系的编辑。1.2.2研究区域地面模型分析为能够准确地进行城市内涝积水情况的模拟,首先建立研究区域高程模型。图2为研究区域地面数字高程模型。1.2.3综合流域排水模型的建立InfoWorks模型以沃林福特程序(Wallingford)为基础,建立城市排水管网的水力模型较为适用。模型通过模拟回流水影响、污水管渠、复杂管道连接和辅助控制设施,实时监控区域污水管网，鉴定管网的排水能力，排查出易堵塞的部位。针对模型的模拟结果，设计和运营人员可充分利用现有管网容量来图2研究区域地面数字高程模型Fig.2DigitalElevationModelofResearchArea调蓄雨水，以期减少雨水溢流发生3!。⑴子汇水区域划分利用ArcGIS工具箱，根据研究区域不同用地属性和实际情况,将其划分为不同的子汇水区,模拟分析前充分考虑研究区域的水系分布、地势变化、社会单元和曲城口分布对雨水地表径流汇水的影响。该研究区域最终划分为74个子汇水区域，总占地面积为6.力km?,汇水区域综合径流系数为0.5o(2)排水管网系统概化排水管网系统概化的目标是确定水流方向、汇流节点和排水通道，对各个子汇水区的雨水管网干、支管建立系统的一维管网拓扑模型。本研究水流均按就近汇入的原则排向近汇流节点，然后沿管网流向下游出水口。研究片区设置雨水管道74条、检查井112个,排放口17个,管径为DN1000~DN1350o在ArcGIS平台下将数据属性输出为InfoWorksICM所要求的.shp格式问，导入设计排水模型，进行拓扑结构分析与属性检查后，进行排水系统的模型模拟。1.3模型参数暴雨强度公式编制采用的年大值法基础降雨资料，数据参考年限至少需要30年以上。上海现行的暴雨强度计算如式⑴。“=16(1+0.8461詔)⑴q~(t+7.0)0.656'其中:q—暴雨强度,L/(s•km2);尸爆雨重现期，年；t—降雨历时,min。—357—顾潇，谭显英，陶贤成.基于ArcGIS与InfoWorks的城市排水系统模拟计算及分析Vol.38,No.si,20191.4降雨事件参照芝加哥设计雨型分析短历时强降雨下的积水风险。降雨历时为120min,雨峰位置系数7.4,设计重现期分别取5年一遇（图3）和100年一遇（图4）,对应最大小时降雨深度分别为76mm和98mm,峰值降雨强度达到了约13.87mm/5min和24mm/5min冏。5101520253035404550556065707580859095100105110115120降雨历时/min图35年一遇120min芝加哥雨型(片0.4)Fig.3ChicagoRainPatternsfor120minOnceinFiveYears(74)100Years5101520253035404550556065707580859095100105110115120降雨历时/min图4100年一遇120min芝加哥雨型（r=0.4）Fig.4ChicagoRainPatternsfor120MinutesOncein100Years（r=0.4）的比值（H的取值:圆管为管道直径,矩形管为管道的高度）。不同重现期排水末端干管的充满度如图6所示。41353123211311033B、e*12排水系统模拟结果2.1地面积水对研究区域内涝风险进行评估时，选取路面积水深度为依据，在一定暴雨强度下，当模拟节点的路面积水深度达到5cm时，可以认为此模拟处为易涝点。利用2种不同重现期（比5a,吐100a）的设计暴雨进行模型计算，图5为5年一遇和100年一遇先行区地面的积水情况。5年一遇和100年_遇在正常水位和高水位的情况下，排水系统内未发生积水情况。2.2排水能力评估排水管道的充满度是指水深h与管道深度Hil4341J5illi!,,li1,,0iM3443a、e*11oo(c)—358—净水技术WATERPURIFICATIONTECHNOLOGYVol.3&No.si,2019June1st,2019:(d)图65年一遇河道常水位管道充满度(a);5年一遇河道最高水位管道充满度(b);100年一遇河道常水位管道充满度(c);100年一遇河道最高水位管道充满度(小Fig.6PipelineFillingDegreeatConstantWaterLevelinFiveYears(a);PipelineFillingDegreeofMaximumWaterLevelinFiveYears(b);KpelineFillingDegreeatConstantWaterLevelin100Years(c);PipelineFillingDegreeofMaximumWaterLevelin100Years(b)研究区域的末端管线在P=5a和f=100a设计暴雨时的充满度虽均较高，但受到河道水位变化的影响，发生内涝的风险仍较低,养护部门对充满度稍高的管线采取及时的清淤对地区排水更加有益。3结论基于GIS平台建立三维建模，分析并建立研究区域的地面模型后，建立研究区域排水模型并进行不同条件下的模拟评估，得到以下结论：(1)研究区域内的模拟结果显示，重现期不同条件下,5年一遇和100年一遇在正常水位和高水位的情况下，排水系统内未发生积水情况；(2)以充满度指标对排水系统的排水能力进行评估结果表明，研究区域在重现期为P=5a和P=100a设计暴雨时，末端管线的充满度均较高，需要对河道水位加强管控，避免发生内涝的风险。参考文献[1]谢映霞•从城市内涝灾害频发看排水规划的发展趋势[J].城市规划，2013⑵：45-50.[2]陈圆，张亚雷,FOONGYC,等.英国排水管网建模技术实例分析[J].中国给水排水,2009,25(22):17-20.[3]韩凯.昆山市某片区排水管网水流数值计算及分析[C].西安:第27届全国结构工程学术会议,2018.[4]黄俊，林琳•现代排水模型软件技术(infoWorks)在合流制污水溢流控制方面的应用[JJ.给水排水动态,2009(6):60-61.[5]秦雨涵，王红武，张一龙.城市雨洪径流模型研究进展[J].环境科学与技术,2016,39(1):13-19.[6]刘