基于低影響開發的安徽涇縣查濟古村落雨洪管理*

張 泉 薛珊珊 鄒成東

合肥工業大學建筑與藝術學院 合肥 230601

傳統古村落是現存較為完整、 規模較大、 價值內容較為豐富， 能反映社會狀況和歷史發展軌跡等信息的文化遺產， 對其進行保護利用是弘揚傳統文化、 助力鄉村振興的重要途徑。 從2012 年開始， 我國先后公布了五批共計6 819 個“中國傳統村落”， 傳統村落的保護工作日益受到重視[1]。 但隨著社會關注度的持續升高， 傳統村落的開發和利用愈來愈趨向城鎮發展模式， 大規模的硬質建設極大改變了鄉村地區的下墊面類型，破壞了原有水文機制和水文環境， 導致鄉村的內澇問題日益嚴峻[2-3]。 目前， 安徽省大部分村落采用傳統的雨洪管理方法， 即通過水圳、 管溝等“灰色” 排水基礎設施快速排除場地雨水， 暴雨時極易引發洪水。 因此， 如何打破以“末端治理” 為主的傳統管理模式的弊端， 從源頭上對雨洪進行管理， 是當前傳統村落生存和發展需要迫切解決的問題。 我國政府強烈呼吁向國外學習，引進新型的低影響開發技術 (Low Impact Development， LID)， 這種技術低成本、 低沖擊，不僅適用于城市新開發地區， 也適用于美麗鄉村建設[4]。 在確保城市和鄉村排水防澇安全的前提下， 利用小規模分散的技術措施， 對雨水的源頭、傳輸和匯流過程進行管理， 最大限度實現雨水資源的回收和利用[5-6]。 與高造價、 高維護成本的排水、 凈水措施不同， LID 利用景觀生態學的方法， 保護生態系統安全的同時塑造城市景觀和農業景觀， 增加場地的生態性， 而且高效的處理機制也有良好的景觀效果， 可以合理地豐富公共開放空間。

本文以古村落可持續雨洪管理為目標， 采用Soil Conservation Service Curve Number (SCS-CN)降雨—徑流模型聯合ArcGIS 軟件構建查濟村的雨洪淹沒模型， 模擬不同重現期下的雨洪淹沒范圍和深度， 深入分析查濟村洪澇形成的原因和特征。 從場地適宜性的角度出發， 根據查濟村現狀基礎條件， 結合常用幾類LID 設施的應用標準， 提出查濟村的雨洪管理設計策略， 以期構建一個具有滯留、 儲存、 凈化作用的多功能雨洪管理系統， 減輕查濟古村落現有排水系統的雨水負荷， 實現水生態系統的“社會—經濟—環境” 綜合效益。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

查濟村位于安徽省宣城市涇縣， 位于暴雨集中區之一的岫山和青山之間， 夏季高溫多雨， 降雨集中， 進入梅雨期， 降水更為顯著， 多為暴雨。由于查濟村缺乏有效的雨水控制設施， 一般只在重要建筑四周有明溝， 多數建筑內部以天井為中心建有暗溝， 雨季雖能迅速排除積水， 但暴雨時徑流調蓄能力明顯不足， 洪澇隱患極大。 查濟村河道上游地勢較高， 常年缺乏清淤疏通， 暴雨期斷流堵塞現象嚴重， 部分地段水質較差， 受生產生活和旅游業的負面影響， 地下水質狀況每況愈下， 居民生活可用水資源日趨減少。 本文以查濟村域范圍內的主要匯流區域為研究對象， 研究面積約為1.05 km2， 村內有許溪、 岑溪、 石溪3 條溪水呈川字型穿村而過， 建筑多沿許溪而建。

1.2 研究方法

首先， 運用ArcGIS 軟件對村域的地形及匯水情況進行可視化分析。 其次， 利用SCS-CN 降雨—徑流模型[7-8]， 基于查濟村的歷史氣象數據、高程數據、 土地利用數據， 計算和模擬一場暴雨中地表徑流的產生量， 并聯合ArcGIS 軟件建立查濟村的雨洪淹沒模型， 分別對查濟村暴雨重現期10 年、 20 年、 50 年一遇的淹沒情況進行模擬，確定雨洪控制的關鍵位置、 面積和深度， 為LID設施選址提供針對性的技術支持。 第三， 參照常用LID 設施的適用尺度、 場地特征和應用標準，結合查濟村實際土地利用現狀， 選出合適的LID設施， 并確定具體位置和規模。 最后， 對改造后的用地再次進行雨洪淹沒模擬， 與改造前的淹沒情況對比， 評價各類LID 設施的應用效果。 SCSCN 降雨—徑流模型原理及計算如式(1) 至式(7):

式(1) 至式(7) 中:F表示一場降雨實際截流的降雨量；Q表示地表徑流量；S表示最大滲透量；Qm表示總降雨量， 是月降雨總量(P)與徑流形成前植物截流、 表層蓄水、 過濾下滲后的初損(Ia) 的差值[9]。 一般初損(Ia) 為該場降雨前可能最大入滲量(S) 的20%[10]。

上述公式表明， 研究范圍內的地表徑流量需要根據下墊面類型的CN值(徑流系數) 與降雨量導出。 在SCS 模型中，CN值與研究區域的土地利用類型、 土壤類型及前期土壤濕度密切相關[11-12]。CN值越大， 表示雨水自然下滲的能力越弱， 地表產流量則越大。 通常， 一個區域的匯水面積由多種土地覆蓋類型組成， 且不同匯水區各類型用地比也有所不同， 所以各匯水區的綜合徑流系數也差別較大。 因此， 整個匯水面積的平均徑流系數要由各類型用地的徑流系數與面積占比加權求得。

2 查濟村核心區雨洪淹沒模擬

2.1 地形及匯水情況分析

對査濟村核心區高程和坡度進行分析的結果顯示: 查濟村核心區高程較低， 四周被山巒包圍，形成“二起一伏” 的地貌特征； 村內許溪上游地段村莊地勢較高， 下游地段村莊地勢較低(圖1、圖2)。 對查濟村匯水和集水進行分析的結果顯示， 許溪和周邊山谷的交匯處易形成匯水線， 地勢較低的查濟村建成區是村域范圍內的主要集水區(圖3、 圖4)。

圖1 查濟村高程分析圖

圖2 查濟村坡度分析圖

圖3 查濟村匯水分析圖

圖4 查濟村集水分析圖

2.2 雨洪淹沒模擬

2.2.1 SCS-CN 模型參數確定

1) 水文土壤組類型。 美國農業部按照滲透能力將土壤劃分為4 個水文土壤組(表1)， 以最小滲透率表示土壤對雨水徑流的滲透能力。 查濟村核心區內， 村莊居民點用地硬化比例較高， 能夠自然下滲徑流的地表面積有限， 土壤屬性較為穩定， 屬于D 類。 村域其他用地多為紅壤土、 黃壤土及水稻土， 質地粘、 濕度大， 在完全濕潤的條件下滲透和導水能力較低， 屬于C 類。

表1 水文土壤組的劃分標準

2) 極端日降雨量。 根據歷史數據， 查濟村10年、 20 年、 50 年一遇重現期的極端日降雨量分別為189.2、 246.5、 251.3 mm。

3)CN值。 依據住建部在《室外排水規范》中公布的適用于我國下墊面類型的徑流系數經驗值和我國專家學者對上海[13]、 昆明[14-15]、 西安[16]等城市研究后的CN值修正結果， 結合涇縣土地利用現狀和土壤分布， 確定適用于查濟村的CN值如表2 所示。

表2 查濟村SCS 模型的CN 值(AMCⅡ)

2.2.2 地表徑流量計算

首先， 在GIS 中根據查濟村現狀高程信息，利用地表水文分析工具， 生成7 個匯水區域。 然后， 根據每個流域內各種類型用地的徑流系數和面積所占總百分比加權平均得出每個匯水區域的平均徑流系數。 最后， 基于極端日降雨數據和計算得出的平均徑流系數， 根據公式(6) 計算每個流域的地表徑流量。

2.2.3 雨洪淹沒區生成

由式(6) 和式(7) 計算出每個匯水區域的徑流量Q， 與對應的面積相乘得出淹沒區體積V1， 同時在GIS 中利用3D 分析工具和查濟村現狀高程數據匹配出洼地淹沒體積V2(其中V1＝V2)， 得出近似淹沒區高度H， 進而模擬出淹沒范圍。 分別計算暴雨重現期10 年、 20 年、 50 年一遇的淹沒情況， 并進行可視化處理， 形成查濟村核心區雨洪淹沒風險范圍。 結果表明， 查濟村雨洪淹沒風險區主要集中在許溪河道上游地段，許溪下游與岑溪、 石溪交匯處， 村東部入口、 商業街， 南部民居， 中部農田和部分古建筑旁(洪公祠、 寶公祠、 德公廳等附近)。

3 基于LID 的查濟村雨洪管理設計

許溪下游村莊的地勢雖然較為平坦、 河道坡降相對較小， 但河道較窄， 強降雨時行洪能力弱，而附近村莊的地勢較低， 自我排水能力弱， 對暴雨的承接能力不足， 尤其是查濟村入口處新建的商業街內澇問題最為嚴重。 由于大面積農田和綠地被建筑、 道路、 廣場等硬質地面代替， 地表雨水自然下滲困難， 增大了原有排水渠道的排澇壓力， 汛期安全隱患問題加重。 綜合考慮各類LID設施的應用要求和村莊實際發展需要， 提出構造河道上游濕地、 生態種植坑、 滲透性排水系統、生態過濾農田等LID 設計策略。

3.1 構造河道上游濕地

許溪上游是查濟村內受洪水威脅最大的地段，由于地勢高， 當雨量較大時， 河道無阻擋， 凈流量快速增加， 洪峰提前形成， 對下游河道產生強烈沖擊， 引發洪澇災害。 根據10 年、 20 年和50 年一遇洪水位及地形構造連續的蓄流濕地， 配備相應的河灘綠地作為緩沖區(圖5)， 在易侵蝕的下游地區建立高植被覆蓋的自然防線， 防止雨水沖刷損毀[17]。 具體營造中， 濕地采用自然駁岸形式， 整體環境以多樣化的濕生綠色植被為主調， 種植耐澇的喬灌植被和挺水植物， 在淺水區域種植浮葉植物， 以提高水生物種及生態景觀多樣性[18]。 為了控制流向下游的水質， 在濕地周邊分散設置多個小型雨水凈化裝置， 以點帶面， 全面凈化初期雨水徑流。 同時， 為體現查濟村的地方文化特色， 在具有悠久歷史的麟趾橋周圍布置木棧道、 瞭望塔、 解說臺等觀光設施， 以增強其功能性和適用性[19]。

圖5 上游生態濕地模擬

3.2 構造生態種植坑

通過對雨期泄洪方式的分析， 發現山地、 綠地具有多樣的雨水滲透作用， 但直接拆除村內的建筑進行綠地改造違背古村保護原則， 因此設計生態種植坑， 營造微地形景觀， 以強化一般綠地的海綿作用。 根據ArcGIS 分析的查濟村地形情況， 定位山谷易積水的位置， 在許溪邊以及山谷的匯水處分散布置若干個生態坑作為雨洪防護綠地(圖6)。 具體設計中， 利用枯木或主干以外的活枝作為木樁，按照一定的角度和陣列切入受水流沖擊影響較大河床或者河岸。 在木樁之間鋪設具有快速生長能力、 耐水能力的柳條， 用麻繩或者金屬捆綁柳條，撒上能夠吸附水中污染物的種子， 吸收、 過濾、分解和轉化雨水中的有害污染成分。 坡度比較陡峭的河床， 撒上少量的細沙碎石和泥土， 在柳條上覆蓋一層土工布進行固定(圖7)。

圖7 工程生物學營造過程

3.3 構造滲透性的排水系統

查濟村內現狀采用的是傳統邊溝排水的方法。實現雨期快速排水的目標不能對村落原有生態系統造成破壞。 設計將自然途徑和人工措施相結合，利用植草溝與道路綠化、 邊溝排水相結合， 構建覆蓋整個村落的滲透性排水系統。 具體設計中，將查濟村邊溝排水系統的剖面設計成曲線型， 沿道路間隔一段距離設置缺口， 方便雨水快速導入其中； 在溝渠底部鋪設100 mm 穿孔管與周邊的雨水收集池相連接， 收集滲透過濾后的雨水； 在溝渠中間層覆蓋透水性較好的礫土和壤土過濾層，防止土壤顆粒進入穿孔管造成堵塞； 在頂層敷設溢流管， 便于蓄水量超出設計容量時能快速排出。植草溝的植物配置以耐旱、 耐水濕能力及抗逆性良好的鄉土植物為主[20-21]。 當降雨從屋面匯入植草溝中， 經過土工布和礫石的過濾， 被周圍的土壤吸收。 在強降雨時， 過量的雨水通過穿孔管流入雨水收集池中再被集中收集利用(圖8)。

圖8 滲透性排水系統剖面

3.4 構造生態過濾農田

查濟村的農業種植種類豐富， 但缺乏整體規劃， 雨季洪水問題嚴重影響農作物的生長。 設計生態過濾農田系統， 強降雨時將雨水層層傳遞，引入到十幾個大小不一的生態坑中， 經過滲透、過濾、 收集后再匯入許溪(圖9)。 具體設計中，結合路徑確定農田的位置， 利用查濟獨特的磚石建成擋水墻， 并營造潛在的洪水匯水坑。 擋水墻可以減緩徑流速度， 田地植栽形成天然過濾屏障。將道路排水管道與建筑雨水匯集改造管道相連，建筑屋面的雨水在排放到農田或者河流之前先進行收集， 在強降雨時期可以起到滯留作用。 由于雨水是污染程度最輕的水質， 屋面的雨水不需要經過特殊的凈化， 經簡單的過濾就可引入到農田。

圖9 生態過濾農田作用原理

4 LID 雨洪管理網絡構建與評價

4.1 構建雨洪管理網絡

通過構造河道上游濕地、 生態種植坑、 生態過濾農田和滲透性排水系統等LID 設施， 并利用磚石材料建成擋水墻引導地表徑流流入， 能夠整合濕地、 農田、 道路等綠色空間， 在全村設計生態化的排水設施， 由點到線再到面， 最后形成覆蓋全村的立體景觀排水網絡。 這種生態化雨水管理網絡能夠滲透到古村落的每一處內澇積水點，可有效調節雨洪的匯流時間和流向， 減少地表徑流總量， 去除水中污染物質， 解決查濟村的水安全和水生態問題。 相對于傳統粗放的鄉村雨水排放方法， 查濟村的雨洪管理網絡(圖10) 可以在不同尺度的古村規劃和設計中加以運用， 具有推廣和應用價值。

圖10 查濟村雨洪管理網絡示意圖

4.2 改造前后暴雨淹沒范圍對比

改造前， 查濟村的暴雨淹沒區主要位于許溪上游地段以及許溪下游與岑溪交匯處， 周邊居民點受影響較大； 改造后， 60%以上的暴雨徑流能夠通過擋水墻、 排水管道流入生態農田和生態坑內， 下滲、 過濾并儲存起來， 提高許溪水體質量，為村民提供充足的生活用水和農業灌溉用水(圖11)。 同時， 許溪上游濕地能夠像海綿一樣儲存降水； 而且， 雨洪管理可以在暴雨時有效將洪水壓力分散到遍布村莊的LID 設施中， 降低了洪水的威脅。

圖11 改造前后暴雨重現期淹沒范圍模擬

5 結語

LID 作為一種生態化的雨洪管理方法， 在一定程度上能夠從景觀生態學的視角解決查濟村的雨洪問題， 實現雨水的源頭控制和管理。 通過分析查濟村雨洪管理的現狀問題， 提出河道濕地、排水邊溝、 生態種植坑、 生態農田等低影響開發設施的構造方法， 構建形成查濟村立體化的雨洪管理網絡， 實現雨水滲透、 收集和過濾的水生態循環過程。 合理地規劃與整治古村落的排水系統、綠地系統和空間開發能夠最大程度地減少古村風貌的破壞， 實現生態效益的最大化。 未來， 各地古村落應積極探索低影響開發模式下雨洪管理的途徑與方法， 拓展傳統水資源的利用方式， 使村莊在面對暴雨、 洪水等自然災害時能夠形成自我保護體系， 在面對內部或外來的污染時能形成自我凈化的體系。 通過自下而上的設計， 促進古村落水循環利用過程與景觀化、 人性化基礎設施的有機融合， 日積月累， 古村落必將成為生態、 有機、 可持續發展的“海綿鄉村”。