区域划分对昌北工业园区的排水防涝技术的优化研究

肖存艳，傅 春，付耀宗

(1.南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 330031；2.江西省交通技工学校，江西 南昌 330038)

近年来，国内城市化进程加速，城镇居民比例加大，城市的建筑面积随之不断扩大。然而，城市的排水系统并没有达到能够与之匹配的发展，频发的城市内涝对人们的生活以及社会的可持续发展造成了严重的负面影响[1]。因此，国内排水排涝技术的优化也已经刻不容缓[2]，在汲取欧美发达国家的先进成果后[3,4]，国内已有专家也逐步打破常规、另辟蹊径，依据现实国情提出通过灰-绿设施[5]相结合的方式提高城市排水防涝标准的成果。

另外，数字化模型的兴起[6]也让专家学者们开始在雨洪控制方面的研究革故鼎新，在无数次的模拟-试验中也证实了模拟试验的可用性，但依据国内外专家学者研究[7]，低影响开发技术适用于雨水系统较为完整、区域面积较特定的范围，更能有效控制并缓解内涝灾害及充分凸显其“渗、蓄、滞”的功能。但是，现今大部分学者研究还停留在较为单一方面，或针对区域划分研究，或仅针对内涝情况分析，又或针对LID设施布设模拟，致使研究内涝程度定位以及内涝防治设施的选择把握度较低[8,9]，分析考虑也不够全面，各种因素之间的相互干扰也存在一定的影响；鉴于此，本文通过SWMM软件对研究区进行分区模拟，在LID设施布置前找出四个研究区不同程度内涝点[10]，通过各个击破的方式进行内涝整治。同时，整体-局部-整体的系统研究法也为构建新型排水系统给予了科学合理的技术支持。

1 不同研究区域划分概述

为合理布置LID设施，有效优化城市内涝防治技术，本文参考了国内相关研究区域尺度及区域范围划分方法、依据及条件，根据国内外区域尺度开发的相关案例[11,12]，通过地区调研、数据勘察等不同资料进行区域划分。

城市内涝的灾害程度与其诱发因素有着密切关联[13,14]。并且，在既定研究范围内，研究区域排水现状，土地利用情况及区域面积大小以及采用的排水防涝设施设备对内涝灾害程度均有不同影响程度，本文为更准确合理选用内涝防治技术以针对性解决不同程度内涝灾害，对研究区进行区域范围及尺度大小划分，具体划分准则及结果见表1。

表1 不同研究区域及尺度大小划分准则及内容Tab.1 Criteria and contents of different study areas and scales

2 研究区整体模型初步构建

2.1 研究区概况介绍

本研究选择儒乐湖新城，地处江西省会南昌，气候湿润为亚热带季风气候，大规模降雨大部分集中在每年的4-6月，约占全年总降雨量一半，历年年均降雨高达1 600 mm。南昌市主要流域为赣江，片区内现状地形丘岗起伏，幅度较小；研究区场地类型包含工业、居住、水域、公共及未开发建设用地等。地面高程16.0～25.0 m之间，地面平均纵坡为0.1%～0.3%，总面积约12.8 km2，具体研究区为红线范围内，见图1。

图1 研究区域范围图Fig.1 Study area range map

2.2 数字化模型初步构建

依据SWMM概化原则及专家学者相关研究案例[16,17]，将研究区雨水系统划分218个检查井节点与217根管段，管段总长为53.01 km，参照实际摸排与现状模拟条件调整排放口设置，为14个排放口，同时划分为271个子汇水区，坡度范围在0.1%～2.5%，不渗透性为10%～90%，研究区子汇水区划分见图2。

图2 子汇水区系统概化图Fig.2 Sub-catchment system generalization diagram

2.3 模型参数确立

模型基本水文水力参数通过现场勘测、用户手册参及国内为相关文献参考[18,19]所得，进行率定与验证。参数率定采用Monte Carlo法，用Nash效率系数进行模拟检测结果可靠性。

(1)

式中：RNS为Nash系数；QS为i时刻的实测值；Qm为i时刻的模拟值；Qp为观测数据的平均值。

RNS越接近1，说明本次参数设置可靠性越高；RNS大于0.7，说明此研究的模拟准确度值得信赖。本次研究采用2018年6月8日和6月22日两场降雨对模拟参数进行率定及验证，模拟与计算结果如图3所示。

图3 率定与实际拟合结果图Fig.3 Calibration and actual fit results

经本次试验数据观察并分析计算Nash系数分别为0.84和0.92，说明率定结果验证了此次SWMM模拟研究的可靠性与准确性，相关水文参数调整后如表2所示。

表2 水文参数率定结果Tab.2 Hydrological parameter rate determination results

2.4 降雨条件设置

南昌市的短历时强降雨大多为单峰降雨，且降雨峰值通常位于前中部，由此可用芝加哥雨型合成[20]，雨峰系数0.4，设计重现期与降雨历时见降雨过程线，见图4。

图4 设计降雨过程线Fig.4 Designing the rainfall process line

南昌市降雨强度公式如下：

(2)

式中：q为暴雨强度，(L/s)/hm2；P为重现期，a；t为降雨历时，min。

3 不同区域划分及模拟研究

3.1 不同区域划分

3.1.1 不同区域划分结果

根据上述区域尺度划分界定，对本研究区进行尺度界定及根据研究区性质进行区域划分，并模拟得内涝区域范围以及合理布置LID设施[21]。本研究中整体研究区可由4部分组成，将整体研究区分为3个大尺度和一个中尺度研究区进行具体分析研究，各尺度研究区排水系统相对完整，单独也可看成一个完整的研究片区，几乎不受周边区域影响，且服务范围也较大，具体区域划分见图5，各区域相关属性见表3。

图5 不同区域划分结果图Fig.5 Results of different regional division results

3.1.2 不同研究区模拟构建

各研究区域在建模中，均依照SWMM模型概化原则。各单个尺度区域的概化中，遵循高精度、少工作并保证区域完整性为原则，分别科学选用相应的概化方式，后将各个研究区域再度调整细化后得到最后模拟研究区。概化结果如图6所示。

表3 不同区域属性表Tab.3 Different regional attribute table

图6 不同尺度研究区概化结果Fig.6 Summary results of different scale study areas

3.2 不同研究区模拟情景设计

3.2.1 传统情景下水文结果分析

对模拟结果分析，在降雨强度相同情况下，不同研究区所产生降雨量、径流量与区域面积大小成正比，但下渗量与区域面积虽相关联，但主要取决于下垫面情况，下垫面硬化情况可由径流系数反映，各研究区径流系数在0.5～0.8。同时，随重现期增大，降雨量与径流量也同比例增长，具体径流随降雨变化过程线如图7所示。

图7 降雨-径流过程曲线图Fig.7 Rainfall-runoff process curve

观察上图径流过程线可知，区域面积与下垫面性质对研究区径流产生影响较大，任一时刻的径流量均有研究区Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ，且研究区Ⅲ的径流量是Ⅳ的10倍左右，但研究区绿化率仅相差不足5%，而面积相差5.5倍；由此可知，由于地域大小影响，研究区Ⅲ、Ⅰ的径流峰值时刻也略晚于地块相对较小的研究区Ⅱ、Ⅳ1 min至3 min，并且过大的区域面积在增大产流量的同时也加大了汇流时间，致使研究区Ⅲ、Ⅰ的整个汇流时长也相较于Ⅱ、Ⅳ长10～15 min。

3.2.2 不同研究区域内涝情况分析

(1)节点溢流和管渠过载情况。SWMM模型对各研究区分别进行模拟，排水能力显而易见，与研究区Ⅱ、Ⅳ相比，研究区Ⅲ、Ⅰ汇水区更多，致使产流增大，汇流延长。随重现期增大，不同区域管渠荷载加大，管网系统排涝能力受限，多数检查井出现溢流情况。各研究区域管渠满载与节点溢流情况见表4。

表4 管渠满载和节点溢流情况数据统计表Tab.4 Statistical data of pipe full load and node overflow

分析表4数据可知，4个区域都只达到1 a排水标准。P=3 a时，研究区Ⅰ、Ⅲ的溢流节点率较1 a增加明显，满管率接近60%，P=10 a时，溢流和满管现象加剧，分析知研究区Ⅰ、Ⅲ的排水管网系统难以承担10a，甚至P=5 a下的降水压力；而研究区Ⅱ中存在杨家湖，管渠负荷能力较高，达到5 a排水标准，但50 a下降雨情形，满管率也高达50%，并此时杨家湖水位增高会对岸边管渠造成顶托作用，易形成积水，产生低洼内涝；研究区Ⅳ位于赣江左侧码头附近，下垫面硬化程度与地势较低，排水较为便捷，基本上可达到5 a排水标准，但遇高重现期降雨时，外河的顶托与管网系统的限制同样致使内涝的产生。

(2)内涝风险情况及内涝点统计。基于上述分析，划分4个研究区内涝高、中、低风险面积，及现状内涝点个数，详见表5。

表5 大尺度研究区内涝风险等级情况表Tab.5 Table of risk levels of large-scale research areas

综合检查井溢流、管渠排水能力分析以及内涝点所处内涝风险等级，进行内涝点区域划分为极易内涝点，易内涝点和普通内涝点，内涝划分见图8。

图8 内涝点程度划分结果图Fig.8 Results of the degree of internal defect classification

由图8看出，整体研究区几乎是“逢雨必涝”，内涝点及中高风险区面积的减少已成为城市内涝治理关键部位。

3.2.3 内涝防治优化设计方案

为降低管渠排水负荷及涝区分布，合理进行LID设施选取，使其满足指南中南昌年径流总量控制率标准，尺度Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ均布设有下凹式绿地、透水铺装、雨水花园、绿色屋顶、植草沟、渗渠、生物滞留池与雨水桶；尺度Ⅳ布设透水铺装、雨水桶、雨水花园、渗渠、下凹式绿地。LID布设如图9所示。

图9 各尺度研究区LID覆盖率图Fig.9 LID coverage map of each scale study area

3.3 优化布置下不同研究区域模拟分析

3.3.1 径流控制情况分析

LID的布设在改变区域下垫面性质的同时，改善了研究区“渗、滞、蓄、排”的能力，从而对径流过程起到了源头控制的作用，减少峰值流量，延缓峰现时刻，且不同程度将排水标准提高至3 a至10 a不等，径流过程对比如图10所示。

图10 P=1 a与P=50 a LID前后系统径流变化过程线Fig.10 Process line of process runoff before and after P=1 a and P=50 a LID

模拟并比较图10过程线知，LID设施增设对不同区域在不同降雨条件下的径流控制均有不同程度的削减影响。首先，相较于研究区Ⅱ而言，径流峰值时刻的延迟在各重现期下分别为12、10、8、7、6、5 min，研究区Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ峰现延迟时间长于研究区Ⅱ1～3 min，且各重现下峰值出现时刻均有研究区Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ；但在峰值削减上，均保持在研究区Ⅳ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ，且研究区Ⅳ、Ⅰ的削减率在60%～50%，而研究区Ⅱ、Ⅲ仅有50%～40%；对图形面积曲线积分可知，径流总量的削减却保持Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ，特别是研究区Ⅲ、Ⅰ在各重现期均稳定在45%～35%，且各重现期削减差为1%，而研究区Ⅱ、Ⅳ由于面积较小且内外河对汇水区排水影响较大，致使在高重现期削减更为显著。

相较于传统情境下，LID设施布设增大了雨水储蓄量，减小了雨水排放量，再由于各区域场地面积与排水现状差异，各区域在不同重现期的蓄水量和排放削减率也大有不同。研究区Ⅱ中由于杨家湖的存在，可看作一个较大调蓄池，存在蓄水功能，在低重现时，雨水就近排至湖内，减小管渠负荷的同时也减少了径流时长，提前了径流峰现时间。同时，研究区Ⅱ与研究区Ⅳ本身过小的区域面积也导致径流量较小，使其径流量和峰值的削减也相对较小。

3.3.2 排水防涝控制标准情况

管渠过载与节点溢流情况可以显著表明排水及防涝情况，LID设施布设后对溢流节点与过载管渠削减率如图11所示。

图11 节点溢流与管渠过载削减情况图Fig.11 Node overflow and pipe channel overload reduction map

由图11削减率变化可以明显看出，区域面积增大对LID设施控制效果有明显的阻碍作用，特别是研究区Ⅱ中加上内湖作用，其各重现期下对节点溢流的100%削减，并且从管渠过载削减也可知LID设施使该区域排水基本满足10 a，排涝满足50 a标准；研究区Ⅳ区域面积最小，且地势相对较低，其排水防涝均满足10 a标准，且重现期在20 a和50 a时，其溢流量削减均高达93.6%和91%，基本满足防涝要求；研究区Ⅰ与Ⅳ相似，与外河接壤，地势相对低，根据其过载管渠和节点溢流削减可知，其排水标准基本5 a，且溢流量在20 a可满足99%削减，防涝标准基本满足20 a；但研究区Ⅲ以工业建筑和居住区为主，LID设施改造有限，管渠负荷仅能满足3a，防涝可达10 a。

综上所述，LID设施布设在一定程度上可以治理城市内涝，但主要是在源头上对其进行控制，显著提高排水标准使其满足规范标准，但由研究区Ⅱ可推测，调蓄池可作为末端调蓄从而提高防涝标准。

4 整体研究区模拟

4.1 整体研究区的水文模拟分析

综合整体研究区的粗化建模与单个尺度划分的建模考虑，整体研究区域的细化建模见图12，细化后整体研究区有271个汇水区，217根管渠，218个节点以及两个排水口，且细化后汇水区面积相对减少4‰，管渠长度增加了200 m。结合图9中所示，将整体研究区以与单个尺度区域中相同的比例设置LID，布置情况见图13。

图12 传统开发下模型概化图Fig.12 Model generalization diagram under traditional development

图13 LID布置比例图Fig.13 LID facilities layout scale

4.1.1 径流情况分析

根据前文模拟结果得整个径流过程随降雨变化见图14，并对比分析LID设施布置对整体研究区所产生的作用效果。

图14 各重现期传统与LID布设情境下降雨-径流过程线Fig.14 Rainfall-runoff process line in the context of traditional and LID deployment scenarios

由图14分析可以看出LID设施布设对径流的抑制效果显著。LID设施布设仅改变土地利用，不改变降雨产流，从而引起汇流过程的变化。因此观察上图，在各降雨重现期下，常规-LID设施布设径流峰值量减少了60.5%、59.6%、58.7%、57.6%、56.4%、52.7%，且峰现时间延迟分钟数为12、9、7、6、5、4，显然，LID设施增设的效果在低重现期内要优于高重现期，下垫面性质对径流过程影响较大，且由于不同性质下垫面的渗、滞、蓄能力不同，则径流量、排放量与径流系数等因下垫面性质改变而产生变化，变化程度见图15。

图15 常规-LID对水文参数的削减效果图Fig.15 Reduction effect of conventional-LID facilities on hydrological parameters

依据图15分析，在排放口较多的区域，LID设施增设对径流峰值的影响在不同重现期下削减比例也不尽相同，但对于径流总量和径流系数的削减情况大同小异，总体来说，P=1 a时，径流量削减了近50%，是50 a的1.5倍，由此可知下垫面和降雨条件变化会同时影响径流系数及径流量。并且，随降雨量增大，排放口削减变化明显，P=1 a为50 a三倍，主要是由与降雨增大，管渠排水能力受限，大量雨水溢流而下，排放口位置一般为中下游区域，使得溢流排放口和原本排放量累积至排放口，则排放口削减随重现期陡降。

4.1.2 管渠排水情况分析

LID设施措施可以增加对雨水的渗、滞、蓄，因此可显著提高管渠的排水能力，缓解路面积水，LID措施具体的削减效果见表6。

通过表6分析，在常规LID设施布置后，管渠可满足5 a以下排水标准，溢流削减效果均达100%，但以及无法满足10 a的排水标准，管渠过载率达62%，且过载时长近30 min，但从防涝标准来看，P=10 a时，溢流节点仅2个，最大溢流量0.635 m3/s，同时，溢流节点、最大溢流流量、总溢流量削减均高达95%以上，满足防涝设计。但在P=20 a、50 a高设计标准下，LID设施布设仅可缓解排水防涝情况。

表6 常规LID设施布置对管渠过载与节点溢流的削减效果Tab.6 Reduction effect of conventional-LID facilities arrangement on pipe channel overload and node overflow

4.2 整体研究区的内涝情况分析

基于上述分析，LID布设可使区域在低重现期(P=10 a)下不会形成内涝，但对于20年或50 a一遇的降水，LID措施的作用便大不如前者，具体排水及防涝效果见图16。

图16 排水能力分布与节点溢流情况Fig.16 Distribution of drainage capacity and node overflow

5 结 论

(1)以南昌市昌北工业园区为研究对象，对其进行整体-局部-整体的系统性研究，根据区域的典型特征属性将其划分为4个不同尺度大小与范围研究区，并通过分析其传统情境下内涝点分布情况确定内涝防治优化区域的同时，合理布置LID设施优化内涝防治技术，并再次通过整体性研究表明，LID设施布置前后排水标准由原来的1 a提升至5 a，防涝标准有5 a提升至20 a,同时内涝点减少了30%。

(2)对研究区采用分区模拟进行研究，一方面较精确地找到各片区的内涝范围，合理地采用LID设施的同时，更具针对性的优化内涝防治技术；另一方面通过对比分析不同区域的模拟结果可知，内湖可以起到一定的防涝作用，且高绿化率可显著提升排水标准，研究区域越小，越有利于LID设施的精准布置。

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