欒 慕，劉 俊

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

隨著2014年版室外排水規(guī)范的實施和我國城鎮(zhèn)化進程不斷加快，近年來各地所建設(shè)的新城區(qū)更多地融入了較為先進的雨水管理理念與手段，內(nèi)澇抵御能力已有所改觀[1]。但由于某些歷史原因，老城區(qū)還普遍存在著排水設(shè)施老化、不達標(biāo)甚至缺失等問題，具有較高的內(nèi)澇風(fēng)險，對于城市整體水安全而言是一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與新建城區(qū)不同的是，老城區(qū)往往街道狹窄、建筑密度大、建筑年代久、基礎(chǔ)設(shè)施配套缺乏，不僅限制了排水設(shè)施的改造方法與規(guī)模，也在一定程度上削弱了雨水管理能力。因此，在老城區(qū)雨水管理中以雨水綜合利用措施來緩解內(nèi)澇問題就具有重要的現(xiàn)實意義[2]。與重視末端處理的傳統(tǒng)雨水管理模式不同的是，低影響開發(fā)措施(LID)通過一系列形式多樣、規(guī)模較小、經(jīng)濟合理的雨水收集和處理設(shè)施，采用分布式布局以進行全程控制，從而緩解城市內(nèi)澇。本文以構(gòu)建SWMM模型為研究手段，分別對浙江省桐廬縣老城區(qū)在傳統(tǒng)開發(fā)情形和LID開發(fā)情形下的內(nèi)澇風(fēng)險管理控制效果進行了模擬分析，為其確定排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃方案提供一定的技術(shù)參考。

1 研究區(qū)域概況

本次研究區(qū)域位于浙江省西北部的桐廬縣老城區(qū)，總面積278.17 hm2。該區(qū)域地處錢塘江上游，東臨分水江，南依富春江，西接古塘山，北望塘步山，屬浙西中低山丘陵區(qū)。地勢整體呈現(xiàn)西南高，東北低。老城區(qū)的土地利用類型主要以住宅小區(qū)、學(xué)校、工廠以及市政道路為主，兼有少量的商業(yè)區(qū)。由于歷史原因，該區(qū)域缺少排水管網(wǎng)，降雨時僅靠自然地勢的高低向鄰近河道排水。該區(qū)域背山臨江，在遭遇暴雨時極易受到山洪和河道洪水的雙重威脅，加之自身排水能力嚴(yán)重不足，因此亟須建設(shè)排水系統(tǒng)。

2 LID模塊及其計算原理

SWMM模型是一款以城市地區(qū)為主要應(yīng)用場景，對降雨徑流及水中污染物遷移變化過程進行數(shù)值模擬的計算機軟件，目前的最新版本為SWMM 5.1。軟件中所嵌入的LID模塊，可模擬生物雨水滯留單元、雨水花園、綠色屋頂、滲渠、透水鋪裝、雨水收集桶、屋頂截留裝置、植被淺溝等8種常見的低影響開發(fā)措施。通過模擬下滲、蒸散發(fā)、植被截留和滯蓄等主要的水文過程，并結(jié)合模型中所嵌入的水力計算模塊，可以模擬LID措施對所布設(shè)區(qū)域的徑流總量、峰值流量及峰現(xiàn)時間的控制效果。其他未編入LID模塊的措施(如濾草帶等)則可以經(jīng)現(xiàn)有措施組合及相應(yīng)參數(shù)的變換進行處理后再進行模擬[3]。

根據(jù)LID措施在子匯水區(qū)面積中所占有的比例不同，可將LID的布設(shè)方式分為兩種：①部分覆蓋子匯水區(qū)。在原子匯水區(qū)內(nèi)設(shè)置若干種已定義好的LID設(shè)施，替換與其等量的原子匯水區(qū)內(nèi)不布設(shè)LID措施的面積。通過這種方式可實現(xiàn)將多種不同的LID設(shè)施同時設(shè)置于一個子匯水區(qū)內(nèi)，每個LID設(shè)施分別處理子匯水區(qū)內(nèi)部未設(shè)置LID控制設(shè)施區(qū)域產(chǎn)生的徑流。但在這種方式下，各LID設(shè)施之間的出入流關(guān)系并非是串聯(lián)的，亦不能指定LID設(shè)施的處理區(qū)域及處置路徑。這種方法適用于較大區(qū)域范圍內(nèi)的LID綜合應(yīng)用及洪澇管控效果模擬。②完全覆蓋子匯水區(qū)。子匯水區(qū)完全被事先定義好的LID設(shè)施所完全覆蓋，LID設(shè)施可用子匯水區(qū)的各項相關(guān)參數(shù)來表達。該種方式可使得LID設(shè)施能夠接受來自上游子匯水區(qū)的出流，可實現(xiàn)雨水處置路徑的可視化。這種方式適用于較小地塊的LID設(shè)施精細化模擬。本次研究根據(jù)實際情況，采用第一種布設(shè)方式[4]。

3 設(shè)計暴雨計算

肖嶺站屬于國家基本站，觀測資料可靠，因此選用肖嶺站作為桐廬縣雨量代表站來計算設(shè)計暴雨。由于降雨實測資料系列較長(1961-2009年共計49年)，資料的代表性及穩(wěn)定性均比較好，計算成果基本合理，能夠體現(xiàn)研究區(qū)域的實際情況。

在我國排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中，常采用芝加哥雨型作為設(shè)計雨型[5]。通過統(tǒng)計肖嶺站歷年較大雨量的時段分布，分析各次降雨的主雨峰位置，得出暴雨綜合參數(shù)r=0.5。取計算時段為5 min，計算短歷時120 min雨量，主雨峰位置位于第13時段。根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯旯讲凑罩ゼ痈缬晷头峙?，得到的暴雨時程分配過程如圖1所示。

圖1 設(shè)計暴雨時程分配Fig.1 Design storm distribution diagram

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 傳統(tǒng)開發(fā)情形模擬與分析

4.1.1 模型構(gòu)建

根據(jù)桐廬縣域總體規(guī)劃及相關(guān)資料，研究區(qū)域的土地利用類型將以居住區(qū)、工業(yè)區(qū)為主，兼有少量的商業(yè)區(qū)，開發(fā)利用強度增大，下墊面的不透水性會進一步提高。利用GIS軟件提取土地利用、地形地貌等相關(guān)子匯水區(qū)域信息，將研究區(qū)概化為28個子匯水區(qū)域。綜合考慮雨水管網(wǎng)集水范圍和下墊面的具體情況，將研究區(qū)域的管網(wǎng)系統(tǒng)概化為38個節(jié)點，29個管段和3個排水口。概化結(jié)果見圖2。

圖2 研究區(qū)域概化圖Fig.2 Generalized figure of the study area

參考模型應(yīng)用手冊并結(jié)合相關(guān)文獻[6,7]，確定居住區(qū)、商業(yè)區(qū)的不透水面積比為40%，工業(yè)區(qū)為60%。最大下滲率裸土取25.4 mm/h、覆蓋草皮的取50.8 mm/h。穩(wěn)定下滲率則根據(jù)桐廬縣土壤條件，取2.54 mm/h。下滲速率衰減系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗取7 d，衰減系數(shù)為3 h-1。不透水區(qū)洼蓄量取1 mm，糙率取0.015；透水區(qū)洼蓄量取5 mm，糙率取0.2。坡度依照桐廬縣老城區(qū)實際地形及規(guī)劃資料取值。而管道要素主要有空間位置、坡度、長度、流向、管徑以及雨水口的地面高程等信息[8]，這些重要信息可通過有關(guān)單位提供的資料輸入到模型中。

4.1.2 計算結(jié)果及分析

將1年一遇、2年一遇、5年一遇的設(shè)計暴雨依次輸入到模型中進行計算，依據(jù)計算結(jié)果繪制內(nèi)澇風(fēng)險圖，見圖3。從圖3中可以看出，老城區(qū)即使是在遭遇1年一遇暴雨的情況下，仍有部分區(qū)域的積水深度到達了6.6 cm。在遭遇5年一遇暴雨時，老城區(qū)的西南部和中部區(qū)域的積水深度高達13.4 cm。按照桐廬縣域總體規(guī)劃，這些區(qū)域的土地利用類型為居住區(qū)。內(nèi)澇的頻繁發(fā)生和過高的積水已經(jīng)較為嚴(yán)重地影響了當(dāng)?shù)厝罕姷恼Ｉa(chǎn)生活。究其原因，主要是因為排水管道的直徑過小，直徑為0.4～0.6 m的管道占總數(shù)的93.1%，僅有少量管道直徑為0.8 m。

降低內(nèi)澇風(fēng)險的最簡單做法就是增加排水管網(wǎng)規(guī)模，但對于老城區(qū)而言是比較困難的。主要是因為老城區(qū)地下管道改建成本太高、社會影響太大，而且城市地下空間不足，與現(xiàn)有混雜的其他管線的關(guān)系難以處理?？傊畣渭円耘潘芫W(wǎng)建設(shè)為主的傳統(tǒng)方式無法滿足未來老城區(qū)排水防澇的要求，需要采用LID措施對降雨全過程進行綜合管理才能有效地降低內(nèi)澇風(fēng)險。

4.2 LID開發(fā)情形模擬與分析

4.2.1 LID設(shè)施布設(shè)方案擬定

LID模塊可模擬生物雨水滯留單元、雨水花園、綠色屋頂、滲渠、透水鋪裝、雨水收集桶、屋頂截留裝置、植被淺溝等8種常見的低影響開發(fā)措施。在實際工程使用中應(yīng)在充分了解每種LID措施的布設(shè)條件和特點上，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況進行取舍。考慮到老城區(qū)街道狹窄、建筑密度大、建筑年代久、基礎(chǔ)設(shè)施配套缺乏，因此不宜采用占地面積過多、布設(shè)方式過于復(fù)雜的LID措施。并應(yīng)結(jié)合土地利用情況，針對不同子匯水區(qū)域采取有差別的處理。

圖3 傳統(tǒng)開發(fā)情形下內(nèi)澇風(fēng)險圖Fig.3 Waterlogging risk figures under the traditional development scenarios

按照上述的布設(shè)原則并結(jié)合相關(guān)文獻研究成果[9,10]，本次研究選取雨水收集桶、滲透鋪裝、植被淺溝、綠色屋頂4種LID措施，通過在不同子匯水區(qū)域的組合布設(shè)，從而實現(xiàn)對降雨的全程控制。

(1)雨水收集桶。雨水收集桶的布設(shè)條件低，占地面積小。雨水收集桶可以收集雨水，降低徑流量，且收集的雨水可以用于城市綠化、道路清洗等對水質(zhì)要求不高的應(yīng)用場景，是一種實現(xiàn)雨洪資源化的較好途徑。本次研究考慮到居住區(qū)和工業(yè)區(qū)之間的不同，將更多的雨水收集桶布置到雨水收集條件更好的工業(yè)區(qū)。

(2)滲透鋪裝。滲透鋪裝主要采用透水性能好的材料代替現(xiàn)有的不透水鋪裝。由于其孔隙率較高，能使降雨在短時間內(nèi)下滲到土壤中。只有當(dāng)降雨強度超過土壤滲透速率時，多余的雨水再進入排水管道。本次研究將研究區(qū)域內(nèi)市政道路、停車場等硬化路面更改為滲透鋪裝。

(3)植被淺溝。植被淺溝布設(shè)簡單，維護成本低，不僅對降雨徑流有較好地削減作用，還可以美化周邊環(huán)境。本次研究在研究區(qū)域的主要道路兩旁、居住區(qū)、工業(yè)區(qū)內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的植被淺溝。在發(fā)生短歷時強降雨時，道路及周圍地面所產(chǎn)生的降雨徑流將首先流入植被淺溝，在其蓄滿后再進入雨水口和排水管道。

(4)綠色屋頂。綠色屋頂主要通過在原本不透水的屋頂栽種綠色植物的方式，直接地減少了城市中的不透水面積，從而到達滯蓄雨水和綠化的目的。但由于該項措施對于屋頂結(jié)構(gòu)的荷載能力和防滲性均有較高的要求，因此本次研究中綠色屋頂?shù)牟荚O(shè)面積不宜過大。

4.2.2 模型構(gòu)建

在傳統(tǒng)開發(fā)情形模型的基礎(chǔ)上，添加相應(yīng)的LID措施模塊，即可完成LID開發(fā)情形模型的構(gòu)建。具體的參數(shù)設(shè)置為：雨水收集桶桶深50 cm，不設(shè)置外排導(dǎo)管，以居住區(qū)、商業(yè)區(qū)為主的子匯水區(qū)域內(nèi)布置40個，以工業(yè)區(qū)為主的子匯水區(qū)域布置60個。植被淺溝的布設(shè)面積占所在子匯水區(qū)域的30%，滯蓄深度取120 mm。滲透鋪裝布設(shè)面積占所在子匯水區(qū)域的10%，表層厚度取70 mm，孔隙比取0.13，基層與墊層總厚度取240 mm，孔隙比取0.4。綠色屋頂僅在居住區(qū)、商業(yè)區(qū)進行布設(shè)，所占面積為子匯水區(qū)域的20%，土壤層厚度區(qū)80 mm，滯蓄深度取50 mm[11,12]。

4.2.3 計算結(jié)果及分析

再次將1年一遇、2年一遇、5年一遇的設(shè)計暴雨依次輸入到設(shè)置好LID措施的模型中進行計算。根據(jù)模型計算結(jié)果，繪制內(nèi)澇風(fēng)險圖，見圖4。從圖4中可以看出，在相同暴雨重現(xiàn)期條件下，與傳統(tǒng)開發(fā)情形相比，加入LID措施后的老城區(qū)內(nèi)的積水深度明顯降低，積水范圍也大大減小，老城區(qū)所面臨的內(nèi)澇風(fēng)險顯著減輕，但西南部和中部區(qū)域仍有較高的受澇可能。

統(tǒng)計兩次模擬的計算結(jié)果，見表1。從表1中可以看出，在相同暴雨重現(xiàn)期下，LID開發(fā)情形下的洪峰流量和最大積水深度都要小于傳統(tǒng)開發(fā)情形，并且LID開發(fā)情形下的峰現(xiàn)時刻更晚；暴雨重現(xiàn)期越小，LID措施所發(fā)揮的效果越明顯。表明所布設(shè)的LID措施不僅能夠削減洪峰流量，還能夠推遲峰現(xiàn)時刻，減輕內(nèi)澇危害，在一定程度上緩解了高強度的城市化進程對于天然水文情勢的影響，降低了桐廬縣老城區(qū)所面臨的城市內(nèi)澇風(fēng)險。

圖4 LID開發(fā)情形下內(nèi)澇風(fēng)險圖Fig.4 Waterlogging risk figures under the LID scenarios

暴雨重現(xiàn)期洪峰流量/(m3·s-1)LID開發(fā)情形傳統(tǒng)開發(fā)情形峰現(xiàn)時刻LID開發(fā)情形傳統(tǒng)開發(fā)情形最大積水深度/cmLID開發(fā)情形傳統(tǒng)開發(fā)情形1年一遇2.943.891∶25∶001∶17∶002.946.602年一遇3.834.321∶22∶001∶15∶007.809.505年一遇4.274.991∶15∶001∶14∶0011.3013.40

5 結(jié) 論

(1)通過模擬傳統(tǒng)開發(fā)情形下老城區(qū)在遭遇1年一遇、2年一遇、5年一遇設(shè)計暴雨時的城市內(nèi)澇情況，表明單純依靠排水管網(wǎng)建設(shè)并不能夠消除老城區(qū)所面臨的內(nèi)澇風(fēng)險。

(2)在相同暴雨重現(xiàn)期下，與傳統(tǒng)開發(fā)情形相比，加入LID措施后的老城區(qū)積水深度降低，積水范圍減小，城市內(nèi)澇風(fēng)險顯著降低，表明所選擇的LID措施布設(shè)組合方式科學(xué)合理，效果較好。

(3)老城區(qū)特殊的建設(shè)條件限制了所使用LID措施的種類、布設(shè)規(guī)模與組合方式，使得LID措施并不能完全杜絕內(nèi)澇的發(fā)生。因此，結(jié)合老城區(qū)改造，提升基礎(chǔ)設(shè)施水平，才是消除老城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險的根本解決之道。

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[1] 胡愛兵, 任心欣, 丁 年,等. 基于SWMM的深圳市某區(qū)域LID設(shè)施布局與優(yōu)化[J]. 中國給水排水, 2015,(21):96-100.

[2] 李 霞, 石宇亭, 李國金. 基于SWMM和低影響開發(fā)模式的老城區(qū)雨水控制模擬研究[J]. 給水排水, 2015,(5):152-156.

[3] 符 銳, 羅龍洪, 劉 俊,等. SWMM模型中的低影響開發(fā)模塊在排水防澇系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué), 2014,(9).

[4] 王 昆, 高 成, 朱嘉祺,等. 基于SWMM模型的滲渠LID措施補償機理研究[J]. 水電能源科學(xué), 2014,(6).

[5] 馬俊花, 李婧菲, 徐一劍,等. 暴雨管理模型(SWMM)在城市排水系統(tǒng)雨季溢流問題中的應(yīng)用[J]. 凈水技術(shù), 2012,31(3):10-15.

[6] Lewis A. Rossman. Storm Water Management Model User’s Manual (Version 5.1)[M]. Washington D C, US: EPA, 2015.

[7] 孫阿麗. 基于情景模擬的城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險評估[D]. 上海：華東師范大學(xué), 2011.

[8] 王越興. SWMM在城市排水管網(wǎng)分析中的應(yīng)用[J]. 給水排水, 2010,36(S1):408-410.

[9] 孫艷偉, 魏曉妹, POMEROY C A. 低影響發(fā)展的雨洪資源調(diào)控措施研究現(xiàn)狀與展望[J]. 水科學(xué)進展, 2011,22(2):287-293.

[10] 胡愛兵, 任心欣, 俞紹武,等. 深圳市創(chuàng)建低影響開發(fā)雨水綜合利用示范區(qū)[J]. 中國給水排水, 2010,26(20):69-72.

[11] 何 爽, 劉 俊, 朱嘉祺. 基于SWMM模型的低影響開發(fā)模式雨洪控制利用效果模擬與評估[J]. 水電能源科學(xué), 2013,(12):42-45.

[12] 李 爽, 邢國平, 劉洪海,等. 基于低影響開發(fā)的天津市綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用研究[J]. 水土保持通報, 2013,33(2):147-150.