區域劃分對昌北工業園區的排水防澇技術的優化研究

肖存艷，傅 春，付耀宗

(1.南昌大學建筑工程學院，江西 南昌 330031；2.江西省交通技工學校，江西 南昌 330038)

近年來，國內城市化進程加速，城鎮居民比例加大，城市的建筑面積隨之不斷擴大。然而，城市的排水系統并沒有達到能夠與之匹配的發展，頻發的城市內澇對人們的生活以及社會的可持續發展造成了嚴重的負面影響[1]。因此，國內排水排澇技術的優化也已經刻不容緩[2]，在汲取歐美發達國家的先進成果后[3,4]，國內已有專家也逐步打破常規、另辟蹊徑，依據現實國情提出通過灰-綠設施[5]相結合的方式提高城市排水防澇標準的成果。

另外，數字化模型的興起[6]也讓專家學者們開始在雨洪控制方面的研究革故鼎新，在無數次的模擬-試驗中也證實了模擬試驗的可用性，但依據國內外專家學者研究[7]，低影響開發技術適用于雨水系統較為完整、區域面積較特定的范圍，更能有效控制并緩解內澇災害及充分凸顯其“滲、蓄、滯”的功能。但是，現今大部分學者研究還停留在較為單一方面，或針對區域劃分研究，或僅針對內澇情況分析，又或針對LID設施布設模擬，致使研究內澇程度定位以及內澇防治設施的選擇把握度較低[8,9]，分析考慮也不夠全面，各種因素之間的相互干擾也存在一定的影響；鑒于此，本文通過SWMM軟件對研究區進行分區模擬，在LID設施布置前找出四個研究區不同程度內澇點[10]，通過各個擊破的方式進行內澇整治。同時，整體-局部-整體的系統研究法也為構建新型排水系統給予了科學合理的技術支持。

1 不同研究區域劃分概述

為合理布置LID設施，有效優化城市內澇防治技術，本文參考了國內相關研究區域尺度及區域范圍劃分方法、依據及條件，根據國內外區域尺度開發的相關案例[11,12]，通過地區調研、數據勘察等不同資料進行區域劃分。

城市內澇的災害程度與其誘發因素有著密切關聯[13,14]。并且，在既定研究范圍內，研究區域排水現狀，土地利用情況及區域面積大小以及采用的排水防澇設施設備對內澇災害程度均有不同影響程度，本文為更準確合理選用內澇防治技術以針對性解決不同程度內澇災害，對研究區進行區域范圍及尺度大小劃分，具體劃分準則及結果見表1。

表1 不同研究區域及尺度大小劃分準則及內容Tab.1 Criteria and contents of different study areas and scales

2 研究區整體模型初步構建

2.1 研究區概況介紹

本研究選擇儒樂湖新城，地處江西省會南昌，氣候濕潤為亞熱帶季風氣候，大規模降雨大部分集中在每年的4-6月，約占全年總降雨量一半，歷年年均降雨高達1 600 mm。南昌市主要流域為贛江，片區內現狀地形丘崗起伏，幅度較?。谎芯繀^場地類型包含工業、居住、水域、公共及未開發建設用地等。地面高程16.0～25.0 m之間，地面平均縱坡為0.1%～0.3%，總面積約12.8 km2，具體研究區為紅線范圍內，見圖1。

圖1 研究區域范圍圖Fig.1 Study area range map

2.2 數字化模型初步構建

依據SWMM概化原則及專家學者相關研究案例[16,17]，將研究區雨水系統劃分218個檢查井節點與217根管段，管段總長為53.01 km，參照實際摸排與現狀模擬條件調整排放口設置，為14個排放口，同時劃分為271個子匯水區，坡度范圍在0.1%～2.5%，不滲透性為10%～90%，研究區子匯水區劃分見圖2。

圖2 子匯水區系統概化圖Fig.2 Sub-catchment system generalization diagram

2.3 模型參數確立

模型基本水文水力參數通過現場勘測、用戶手冊參及國內為相關文獻參考[18,19]所得，進行率定與驗證。參數率定采用Monte Carlo法，用Nash效率系數進行模擬檢測結果可靠性。

(1)

式中：RNS為Nash系數；QS為i時刻的實測值；Qm為i時刻的模擬值；Qp為觀測數據的平均值。

RNS越接近1，說明本次參數設置可靠性越高；RNS大于0.7，說明此研究的模擬準確度值得信賴。本次研究采用2018年6月8日和6月22日兩場降雨對模擬參數進行率定及驗證，模擬與計算結果如圖3所示。

圖3 率定與實際擬合結果圖Fig.3 Calibration and actual fit results

經本次試驗數據觀察并分析計算Nash系數分別為0.84和0.92，說明率定結果驗證了此次SWMM模擬研究的可靠性與準確性，相關水文參數調整后如表2所示。

表2 水文參數率定結果Tab.2 Hydrological parameter rate determination results

2.4 降雨條件設置

南昌市的短歷時強降雨大多為單峰降雨，且降雨峰值通常位于前中部，由此可用芝加哥雨型合成[20]，雨峰系數0.4，設計重現期與降雨歷時見降雨過程線，見圖4。

圖4 設計降雨過程線Fig.4 Designing the rainfall process line

南昌市降雨強度公式如下：

(2)

式中：q為暴雨強度，(L/s)/hm2；P為重現期，a；t為降雨歷時，min。

3 不同區域劃分及模擬研究

3.1 不同區域劃分

3.1.1 不同區域劃分結果

根據上述區域尺度劃分界定，對本研究區進行尺度界定及根據研究區性質進行區域劃分，并模擬得內澇區域范圍以及合理布置LID設施[21]。本研究中整體研究區可由4部分組成，將整體研究區分為3個大尺度和一個中尺度研究區進行具體分析研究，各尺度研究區排水系統相對完整，單獨也可看成一個完整的研究片區，幾乎不受周邊區域影響，且服務范圍也較大，具體區域劃分見圖5，各區域相關屬性見表3。

圖5 不同區域劃分結果圖Fig.5 Results of different regional division results

3.1.2 不同研究區模擬構建

各研究區域在建模中，均依照SWMM模型概化原則。各單個尺度區域的概化中，遵循高精度、少工作并保證區域完整性為原則，分別科學選用相應的概化方式，后將各個研究區域再度調整細化后得到最后模擬研究區。概化結果如圖6所示。

表3 不同區域屬性表Tab.3 Different regional attribute table

圖6 不同尺度研究區概化結果Fig.6 Summary results of different scale study areas

3.2 不同研究區模擬情景設計

3.2.1 傳統情景下水文結果分析

對模擬結果分析，在降雨強度相同情況下，不同研究區所產生降雨量、徑流量與區域面積大小成正比，但下滲量與區域面積雖相關聯，但主要取決于下墊面情況，下墊面硬化情況可由徑流系數反映，各研究區徑流系數在0.5～0.8。同時，隨重現期增大，降雨量與徑流量也同比例增長，具體徑流隨降雨變化過程線如圖7所示。

圖7 降雨-徑流過程曲線圖Fig.7 Rainfall-runoff process curve

觀察上圖徑流過程線可知，區域面積與下墊面性質對研究區徑流產生影響較大，任一時刻的徑流量均有研究區Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ，且研究區Ⅲ的徑流量是Ⅳ的10倍左右，但研究區綠化率僅相差不足5%，而面積相差5.5倍；由此可知，由于地域大小影響，研究區Ⅲ、Ⅰ的徑流峰值時刻也略晚于地塊相對較小的研究區Ⅱ、Ⅳ1 min至3 min，并且過大的區域面積在增大產流量的同時也加大了匯流時間，致使研究區Ⅲ、Ⅰ的整個匯流時長也相較于Ⅱ、Ⅳ長10～15 min。

3.2.2 不同研究區域內澇情況分析

(1)節點溢流和管渠過載情況。SWMM模型對各研究區分別進行模擬，排水能力顯而易見，與研究區Ⅱ、Ⅳ相比，研究區Ⅲ、Ⅰ匯水區更多，致使產流增大，匯流延長。隨重現期增大，不同區域管渠荷載加大，管網系統排澇能力受限，多數檢查井出現溢流情況。各研究區域管渠滿載與節點溢流情況見表4。

表4 管渠滿載和節點溢流情況數據統計表Tab.4 Statistical data of pipe full load and node overflow

分析表4數據可知，4個區域都只達到1 a排水標準。P=3 a時，研究區Ⅰ、Ⅲ的溢流節點率較1 a增加明顯，滿管率接近60%，P=10 a時，溢流和滿管現象加劇，分析知研究區Ⅰ、Ⅲ的排水管網系統難以承擔10a，甚至P=5 a下的降水壓力；而研究區Ⅱ中存在楊家湖，管渠負荷能力較高，達到5 a排水標準，但50 a下降雨情形，滿管率也高達50%，并此時楊家湖水位增高會對岸邊管渠造成頂托作用，易形成積水，產生低洼內澇；研究區Ⅳ位于贛江左側碼頭附近，下墊面硬化程度與地勢較低，排水較為便捷，基本上可達到5 a排水標準，但遇高重現期降雨時，外河的頂托與管網系統的限制同樣致使內澇的產生。

(2)內澇風險情況及內澇點統計?；谏鲜龇治?，劃分4個研究區內澇高、中、低風險面積，及現狀內澇點個數，詳見表5。

表5 大尺度研究區內澇風險等級情況表Tab.5 Table of risk levels of large-scale research areas

綜合檢查井溢流、管渠排水能力分析以及內澇點所處內澇風險等級，進行內澇點區域劃分為極易內澇點，易內澇點和普通內澇點，內澇劃分見圖8。

圖8 內澇點程度劃分結果圖Fig.8 Results of the degree of internal defect classification

由圖8看出，整體研究區幾乎是“逢雨必澇”，內澇點及中高風險區面積的減少已成為城市內澇治理關鍵部位。

3.2.3 內澇防治優化設計方案

為降低管渠排水負荷及澇區分布，合理進行LID設施選取，使其滿足指南中南昌年徑流總量控制率標準，尺度Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ均布設有下凹式綠地、透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂、植草溝、滲渠、生物滯留池與雨水桶；尺度Ⅳ布設透水鋪裝、雨水桶、雨水花園、滲渠、下凹式綠地。LID布設如圖9所示。

圖9 各尺度研究區LID覆蓋率圖Fig.9 LID coverage map of each scale study area

3.3 優化布置下不同研究區域模擬分析

3.3.1 徑流控制情況分析

LID的布設在改變區域下墊面性質的同時，改善了研究區“滲、滯、蓄、排”的能力，從而對徑流過程起到了源頭控制的作用，減少峰值流量，延緩峰現時刻，且不同程度將排水標準提高至3 a至10 a不等，徑流過程對比如圖10所示。

圖10 P=1 a與P=50 a LID前后系統徑流變化過程線Fig.10 Process line of process runoff before and after P=1 a and P=50 a LID

模擬并比較圖10過程線知，LID設施增設對不同區域在不同降雨條件下的徑流控制均有不同程度的削減影響。首先，相較于研究區Ⅱ而言，徑流峰值時刻的延遲在各重現期下分別為12、10、8、7、6、5 min，研究區Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ峰現延遲時間長于研究區Ⅱ1～3 min，且各重現下峰值出現時刻均有研究區Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ；但在峰值削減上，均保持在研究區Ⅳ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ，且研究區Ⅳ、Ⅰ的削減率在60%～50%，而研究區Ⅱ、Ⅲ僅有50%～40%；對圖形面積曲線積分可知，徑流總量的削減卻保持Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ，特別是研究區Ⅲ、Ⅰ在各重現期均穩定在45%～35%，且各重現期削減差為1%，而研究區Ⅱ、Ⅳ由于面積較小且內外河對匯水區排水影響較大，致使在高重現期削減更為顯著。

相較于傳統情境下，LID設施布設增大了雨水儲蓄量，減小了雨水排放量，再由于各區域場地面積與排水現狀差異，各區域在不同重現期的蓄水量和排放削減率也大有不同。研究區Ⅱ中由于楊家湖的存在，可看作一個較大調蓄池，存在蓄水功能，在低重現時，雨水就近排至湖內，減小管渠負荷的同時也減少了徑流時長，提前了徑流峰現時間。同時，研究區Ⅱ與研究區Ⅳ本身過小的區域面積也導致徑流量較小，使其徑流量和峰值的削減也相對較小。

3.3.2 排水防澇控制標準情況

管渠過載與節點溢流情況可以顯著表明排水及防澇情況，LID設施布設后對溢流節點與過載管渠削減率如圖11所示。

圖11 節點溢流與管渠過載削減情況圖Fig.11 Node overflow and pipe channel overload reduction map

由圖11削減率變化可以明顯看出，區域面積增大對LID設施控制效果有明顯的阻礙作用，特別是研究區Ⅱ中加上內湖作用，其各重現期下對節點溢流的100%削減，并且從管渠過載削減也可知LID設施使該區域排水基本滿足10 a，排澇滿足50 a標準；研究區Ⅳ區域面積最小，且地勢相對較低，其排水防澇均滿足10 a標準，且重現期在20 a和50 a時，其溢流量削減均高達93.6%和91%，基本滿足防澇要求；研究區Ⅰ與Ⅳ相似，與外河接壤，地勢相對低，根據其過載管渠和節點溢流削減可知，其排水標準基本5 a，且溢流量在20 a可滿足99%削減，防澇標準基本滿足20 a；但研究區Ⅲ以工業建筑和居住區為主，LID設施改造有限，管渠負荷僅能滿足3a，防澇可達10 a。

綜上所述，LID設施布設在一定程度上可以治理城市內澇，但主要是在源頭上對其進行控制，顯著提高排水標準使其滿足規范標準，但由研究區Ⅱ可推測，調蓄池可作為末端調蓄從而提高防澇標準。

4 整體研究區模擬

4.1 整體研究區的水文模擬分析

綜合整體研究區的粗化建模與單個尺度劃分的建?？紤]，整體研究區域的細化建模見圖12，細化后整體研究區有271個匯水區，217根管渠，218個節點以及兩個排水口，且細化后匯水區面積相對減少4‰，管渠長度增加了200 m。結合圖9中所示，將整體研究區以與單個尺度區域中相同的比例設置LID，布置情況見圖13。

圖12 傳統開發下模型概化圖Fig.12 Model generalization diagram under traditional development

圖13 LID布置比例圖Fig.13 LID facilities layout scale

4.1.1 徑流情況分析

根據前文模擬結果得整個徑流過程隨降雨變化見圖14，并對比分析LID設施布置對整體研究區所產生的作用效果。

圖14 各重現期傳統與LID布設情境下降雨-徑流過程線Fig.14 Rainfall-runoff process line in the context of traditional and LID deployment scenarios

由圖14分析可以看出LID設施布設對徑流的抑制效果顯著。LID設施布設僅改變土地利用，不改變降雨產流，從而引起匯流過程的變化。因此觀察上圖，在各降雨重現期下，常規-LID設施布設徑流峰值量減少了60.5%、59.6%、58.7%、57.6%、56.4%、52.7%，且峰現時間延遲分鐘數為12、9、7、6、5、4，顯然，LID設施增設的效果在低重現期內要優于高重現期，下墊面性質對徑流過程影響較大，且由于不同性質下墊面的滲、滯、蓄能力不同，則徑流量、排放量與徑流系數等因下墊面性質改變而產生變化，變化程度見圖15。

圖15 常規-LID對水文參數的削減效果圖Fig.15 Reduction effect of conventional-LID facilities on hydrological parameters

依據圖15分析，在排放口較多的區域，LID設施增設對徑流峰值的影響在不同重現期下削減比例也不盡相同，但對于徑流總量和徑流系數的削減情況大同小異，總體來說，P=1 a時，徑流量削減了近50%，是50 a的1.5倍，由此可知下墊面和降雨條件變化會同時影響徑流系數及徑流量。并且，隨降雨量增大，排放口削減變化明顯，P=1 a為50 a三倍，主要是由與降雨增大，管渠排水能力受限，大量雨水溢流而下，排放口位置一般為中下游區域，使得溢流排放口和原本排放量累積至排放口，則排放口削減隨重現期陡降。

4.1.2 管渠排水情況分析

LID設施措施可以增加對雨水的滲、滯、蓄，因此可顯著提高管渠的排水能力，緩解路面積水，LID措施具體的削減效果見表6。

通過表6分析，在常規LID設施布置后，管渠可滿足5 a以下排水標準，溢流削減效果均達100%，但以及無法滿足10 a的排水標準，管渠過載率達62%，且過載時長近30 min，但從防澇標準來看，P=10 a時，溢流節點僅2個，最大溢流量0.635 m3/s，同時，溢流節點、最大溢流流量、總溢流量削減均高達95%以上，滿足防澇設計。但在P=20 a、50 a高設計標準下，LID設施布設僅可緩解排水防澇情況。

表6 常規LID設施布置對管渠過載與節點溢流的削減效果Tab.6 Reduction effect of conventional-LID facilities arrangement on pipe channel overload and node overflow

4.2 整體研究區的內澇情況分析

基于上述分析，LID布設可使區域在低重現期(P=10 a)下不會形成內澇，但對于20年或50 a一遇的降水，LID措施的作用便大不如前者，具體排水及防澇效果見圖16。

圖16 排水能力分布與節點溢流情況Fig.16 Distribution of drainage capacity and node overflow

5 結 論

(1)以南昌市昌北工業園區為研究對象，對其進行整體-局部-整體的系統性研究，根據區域的典型特征屬性將其劃分為4個不同尺度大小與范圍研究區，并通過分析其傳統情境下內澇點分布情況確定內澇防治優化區域的同時，合理布置LID設施優化內澇防治技術，并再次通過整體性研究表明，LID設施布置前后排水標準由原來的1 a提升至5 a，防澇標準有5 a提升至20 a,同時內澇點減少了30%。

(2)對研究區采用分區模擬進行研究，一方面較精確地找到各片區的內澇范圍，合理地采用LID設施的同時，更具針對性的優化內澇防治技術；另一方面通過對比分析不同區域的模擬結果可知，內湖可以起到一定的防澇作用，且高綠化率可顯著提升排水標準，研究區域越小，越有利于LID設施的精準布置。

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