基于低影响开发模式的南方内涝城市防治研究

王衍超

(当涂县市政管理所，安徽 当涂 243100)

1 概 述

我国城镇化的快速发展增加了城市的不透水面积，导致很多城市尤其是南方城市在夏季汛期容易出现内涝灾害。因此，如何选择最有效的城市内涝处置方案、如何构建最高效的城市汛期排水体系，是解决我国南方城市在汛期内涝灾害问题的重要研究方向[1-3]。

徐美等[4]构建了水力学的精细化洪涝模型，并对城区强降雨条件下管道排水流动过程展开模拟，并采用多模式概化方法建立了内涝模拟效果的模拟局部微地形，实现了城区内涝的精细化模拟；并进一步结合区域强降雨及情景库特征参数，建立了能够快速识别有内涝风险的道路、桥区等区域的内涝风险预警程序。杨东等[5]基于扩散波基本理论建立了区域排水管网水动力模型，并将该模型与城市地表水文水动力模型展开耦合模拟，研究发现该模型与SWMM模拟排水口流量过程吻合程度较高，且能够实现内涝积水点的准确模拟。王小杰[6]对西安市内涝灾害展开深入研究，在系统整理西安市多年降雨与城市内涝现象的基础上，进一步构建区域SWMM模型，得出不同情景下内涝积水变化情况，研究成果为该城市的内涝应对提供了一定的参考作用。

上述研究较少涉及到综合各种处置方案的低开发模式对于城市内涝的处理效果研究，而该方案作为新的研究方向，正逐渐得到学者们的推广应用。因此，本文基于SWMM模型分析对比包括下凹式绿地、透水路面、绿色屋顶和LID组合3种方案对降减小区域洪峰总量的应用效果，旨在为我国南方城市内涝灾害防治提供一定借鉴。

2 研究背景与模型构建

2.1 研究区域概况

本次研究依托于广东省某城市的中央公园区域城市排水项目，该公园总占地面积约1.32 km2，研究区域总面积约6.15 km2，主要服务功能为供区域居民休闲及运动使用。公园的平面图见图1。但由于城市规划，该公园附近南方区域绿地即将建设为工业用地。该城市位处亚热带季风气候区，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、持续时间较长，且随着城市经济发展，其公路和建筑面积逐渐增大，城市透水面积逐渐减小，因此极易引发该城市出现内涝灾害。

图1 南方某城市中央公园区域平面图

2.2 SWMM模型构建与参数确定

采用非线性地表汇流模型构建拟研究地区的SWMM模型，并通过水力演算模拟动力波模型[7-8]。区域相关地下管道、高程以及汇水面积等参数，主要通过资料调查与咨询相关设计单位获得。调查结果显示，该区域整体不透水面积占比约63.50%，其中除去公园面积以外的其他区域不透水面积达到90%以上。根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)，参照表1可知，该区域的综合径流系数为0.60～0.85之间。

表1 综合径流系数取值参考

3 基于LID模式的多排水方案对比

3.1 参数设定

由上述区域概况介绍及资料调查结果可知，该区域的透水面积总占比达36.50%，而其余皆为硬化道路、已有建筑或广场等不透水面积覆盖区域。根据现有资料结果显示，对于我国南方城市内涝治理常采用下凹式绿地、不透水路面改造为透水路面以及绿色屋顶等防治措施。因此，本研究考虑采用LID模式对该城市公园区域展开综合改造。LID设施的主要参数见表2。

表2 LID模式的主要参数

3.2 模拟结果分析和对比

在区域降雨条件下，采取不同防治措施方案后，研究区域内径流量随时间变化关系图见图2。由图2可知，在降雨的影响下，该区域的径流量随着时间呈现出先逐渐增大后不断减小的变化趋势，不同的防治措施对于该区域的径流量削减的处置效果有所不同。以该区域最大径流量作为对比，其中绿色屋顶处置方案下最大径流量最高，达到52 mm；相比之下，透水路面和下凹式绿地对城市内涝的防治效果更好，其最大径流量分别为34和20 mm，相比绿色屋顶分别降低34.62%和61.54%；LID模式对降雨影响下区域的排水效果最好，最大径流量仅达到9 mm，相较于其他防治措施最大径流量分别降低82.69%、73.53%和55.00%。 由此可见，在某次特定降雨条件下，LID模式处置方案的排水效果远优于其他方案，能够有效防治城市在汛期出现的内涝灾害。

图2 研究区域径流量随时间变化关系

我国城市化发展正处于高速建设期，在未来几十年内，城市的内涝灾害会对城市财产安全造成更大的威胁，因此有必要展开对上述各方案对于城市内涝防治的长期效果评价。图3为采取不同防治措施方案后研究区域内径流量削减率和洪峰削减率随设计重现期变化关系图，且设计重现期主要考虑1、3、5、10、15、20及30年共计7个时期。由图3可知，对于不同方案，其径流量削减率和洪峰削减率均随着设计重现期增大而不断减小。这是由于各种处置措施均具有一定的时间效应，如设备老化、透水路面堵塞等，而在时间效应的作用下，其排水效果被逐渐弱化，因此径流量削减率和洪峰削减率不断降低。因此，在考虑到时间效应的前提下，各处置方案均应当采取一定的措施对设备及时进行修补与更新，以保证其排水效果，防止城市内涝。

图3 区域径流量和洪峰削减率随设计重现期变化关系

进一步对比不同处置措施方案的长期排水效果可知，LID模式处置方案的长期排水效果最好，其次是下凹式绿地，绿色屋顶处置方案的长期处置效果最差。LID模式处置方案的长期径流量削减率和洪峰削减率均在80%以上，下凹式绿地处置方案的长期径流量削减率和洪峰削减率均在60%左右，透水路面的径流量削减率在30%以上而长期洪峰削减率却仅达到20%左右，绿色屋顶的径流量削减率在20%左右而其长期洪峰削减率很差，仅达到5%左右。其中，透水路面和绿色屋顶的洪峰削减率在第一年后出现明显的陡降，分析认为这是由于建筑材料设备的折损率较高，因此洪峰削减率出现了明显的降低。

4 结 论

为研究不同处置方案对于我国南方城市汛期内涝灾害的处置效果，本文基于SMWW地表径流分析模型，对下凹式绿地、透水路面、绿色屋顶及LID模式4种不同处置方案条件下的城市地表径流及洪峰展开了对比研究，研究结果如下：

1) 在某次特定降雨条件下，LID模式对降雨影响下区域的排水效果最好，最大径流量仅达到9 mm，相较于其他防治措施最大径流量分别降低82.69%、73.53%和55.00%。LID模式处置方案的排水效果远优于其他方案，能够有效防治城市在汛期出现的内涝灾害。

2) 对于不同方案，其径流量削减率和洪峰削减率均随着设计重现期增大而不断减小。这是由于各种处置措施均具有一定的时间效应而出现的设备老化等因素的影响。

3) 从长期径流量削减率及洪峰削减率看，城市内涝排水能力：LID模式>下凹式绿地>透水路面>绿色屋顶。