基于低影響開發模式的南方內澇城市防治研究

王衍超

(當涂縣市政管理所，安徽 當涂 243100)

1 概 述

我國城鎮化的快速發展增加了城市的不透水面積，導致很多城市尤其是南方城市在夏季汛期容易出現內澇災害。因此，如何選擇最有效的城市內澇處置方案、如何構建最高效的城市汛期排水體系，是解決我國南方城市在汛期內澇災害問題的重要研究方向[1-3]。

徐美等[4]構建了水力學的精細化洪澇模型，并對城區強降雨條件下管道排水流動過程展開模擬，并采用多模式概化方法建立了內澇模擬效果的模擬局部微地形，實現了城區內澇的精細化模擬；并進一步結合區域強降雨及情景庫特征參數，建立了能夠快速識別有內澇風險的道路、橋區等區域的內澇風險預警程序。楊東等[5]基于擴散波基本理論建立了區域排水管網水動力模型，并將該模型與城市地表水文水動力模型展開耦合模擬，研究發現該模型與SWMM模擬排水口流量過程吻合程度較高，且能夠實現內澇積水點的準確模擬。王小杰[6]對西安市內澇災害展開深入研究，在系統整理西安市多年降雨與城市內澇現象的基礎上，進一步構建區域SWMM模型，得出不同情景下內澇積水變化情況，研究成果為該城市的內澇應對提供了一定的參考作用。

上述研究較少涉及到綜合各種處置方案的低開發模式對于城市內澇的處理效果研究，而該方案作為新的研究方向，正逐漸得到學者們的推廣應用。因此，本文基于SWMM模型分析對比包括下凹式綠地、透水路面、綠色屋頂和LID組合3種方案對降減小區域洪峰總量的應用效果，旨在為我國南方城市內澇災害防治提供一定借鑒。

2 研究背景與模型構建

2.1 研究區域概況

本次研究依托于廣東省某城市的中央公園區域城市排水項目，該公園總占地面積約1.32 km2，研究區域總面積約6.15 km2，主要服務功能為供區域居民休閑及運動使用。公園的平面圖見圖1。但由于城市規劃，該公園附近南方區域綠地即將建設為工業用地。該城市位處亞熱帶季風氣候區，年均降雨量在1 800～2 000 mm左右，且降雨主要集中在夏季汛期(6-10月份)，由于降雨急、持續時間較長，且隨著城市經濟發展，其公路和建筑面積逐漸增大，城市透水面積逐漸減小，因此極易引發該城市出現內澇災害。

圖1 南方某城市中央公園區域平面圖

2.2 SWMM模型構建與參數確定

采用非線性地表匯流模型構建擬研究地區的SWMM模型，并通過水力演算模擬動力波模型[7-8]。區域相關地下管道、高程以及匯水面積等參數，主要通過資料調查與咨詢相關設計單位獲得。調查結果顯示，該區域整體不透水面積占比約63.50%，其中除去公園面積以外的其他區域不透水面積達到90%以上。根據《室外排水設計規范》(GB 50014-2006)，參照表1可知，該區域的綜合徑流系數為0.60～0.85之間。

表1 綜合徑流系數取值參考

3 基于LID模式的多排水方案對比

3.1 參數設定

由上述區域概況介紹及資料調查結果可知，該區域的透水面積總占比達36.50%，而其余皆為硬化道路、已有建筑或廣場等不透水面積覆蓋區域。根據現有資料結果顯示，對于我國南方城市內澇治理常采用下凹式綠地、不透水路面改造為透水路面以及綠色屋頂等防治措施。因此，本研究考慮采用LID模式對該城市公園區域展開綜合改造。LID設施的主要參數見表2。

表2 LID模式的主要參數

3.2 模擬結果分析和對比

在區域降雨條件下，采取不同防治措施方案后，研究區域內徑流量隨時間變化關系圖見圖2。由圖2可知，在降雨的影響下，該區域的徑流量隨著時間呈現出先逐漸增大后不斷減小的變化趨勢，不同的防治措施對于該區域的徑流量削減的處置效果有所不同。以該區域最大徑流量作為對比，其中綠色屋頂處置方案下最大徑流量最高，達到52 mm；相比之下，透水路面和下凹式綠地對城市內澇的防治效果更好，其最大徑流量分別為34和20 mm，相比綠色屋頂分別降低34.62%和61.54%；LID模式對降雨影響下區域的排水效果最好，最大徑流量僅達到9 mm，相較于其他防治措施最大徑流量分別降低82.69%、73.53%和55.00%。 由此可見，在某次特定降雨條件下，LID模式處置方案的排水效果遠優于其他方案，能夠有效防治城市在汛期出現的內澇災害。

圖2 研究區域徑流量隨時間變化關系

我國城市化發展正處于高速建設期，在未來幾十年內，城市的內澇災害會對城市財產安全造成更大的威脅，因此有必要展開對上述各方案對于城市內澇防治的長期效果評價。圖3為采取不同防治措施方案后研究區域內徑流量削減率和洪峰削減率隨設計重現期變化關系圖，且設計重現期主要考慮1、3、5、10、15、20及30年共計7個時期。由圖3可知，對于不同方案，其徑流量削減率和洪峰削減率均隨著設計重現期增大而不斷減小。這是由于各種處置措施均具有一定的時間效應，如設備老化、透水路面堵塞等，而在時間效應的作用下，其排水效果被逐漸弱化，因此徑流量削減率和洪峰削減率不斷降低。因此，在考慮到時間效應的前提下，各處置方案均應當采取一定的措施對設備及時進行修補與更新，以保證其排水效果，防止城市內澇。

圖3 區域徑流量和洪峰削減率隨設計重現期變化關系

進一步對比不同處置措施方案的長期排水效果可知，LID模式處置方案的長期排水效果最好，其次是下凹式綠地，綠色屋頂處置方案的長期處置效果最差。LID模式處置方案的長期徑流量削減率和洪峰削減率均在80%以上，下凹式綠地處置方案的長期徑流量削減率和洪峰削減率均在60%左右，透水路面的徑流量削減率在30%以上而長期洪峰削減率卻僅達到20%左右，綠色屋頂的徑流量削減率在20%左右而其長期洪峰削減率很差，僅達到5%左右。其中，透水路面和綠色屋頂的洪峰削減率在第一年后出現明顯的陡降，分析認為這是由于建筑材料設備的折損率較高，因此洪峰削減率出現了明顯的降低。

4 結 論

為研究不同處置方案對于我國南方城市汛期內澇災害的處置效果，本文基于SMWW地表徑流分析模型，對下凹式綠地、透水路面、綠色屋頂及LID模式4種不同處置方案條件下的城市地表徑流及洪峰展開了對比研究，研究結果如下：

1) 在某次特定降雨條件下，LID模式對降雨影響下區域的排水效果最好，最大徑流量僅達到9 mm，相較于其他防治措施最大徑流量分別降低82.69%、73.53%和55.00%。LID模式處置方案的排水效果遠優于其他方案，能夠有效防治城市在汛期出現的內澇災害。

2) 對于不同方案，其徑流量削減率和洪峰削減率均隨著設計重現期增大而不斷減小。這是由于各種處置措施均具有一定的時間效應而出現的設備老化等因素的影響。

3) 從長期徑流量削減率及洪峰削減率看，城市內澇排水能力：LID模式>下凹式綠地>透水路面>綠色屋頂。