基于低影響開發(fā)模式的南方內(nèi)澇城市防治研究

王衍超

(當(dāng)涂縣市政管理所，安徽 當(dāng)涂 243100)

1 概 述

我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展增加了城市的不透水面積，導(dǎo)致很多城市尤其是南方城市在夏季汛期容易出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害。因此，如何選擇最有效的城市內(nèi)澇處置方案、如何構(gòu)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(nèi)澇災(zāi)害問題的重要研究方向[1-3]。

徐美等[4]構(gòu)建了水力學(xué)的精細(xì)化洪澇模型，并對(duì)城區(qū)強(qiáng)降雨條件下管道排水流動(dòng)過程展開模擬，并采用多模式概化方法建立了內(nèi)澇模擬效果的模擬局部微地形，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)內(nèi)澇的精細(xì)化模擬；并進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域強(qiáng)降雨及情景庫特征參數(shù)，建立了能夠快速識(shí)別有內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的道路、橋區(qū)等區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警程序。楊東等[5]基于擴(kuò)散波基本理論建立了區(qū)域排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型，并將該模型與城市地表水文水動(dòng)力模型展開耦合模擬，研究發(fā)現(xiàn)該模型與SWMM模擬排水口流量過程吻合程度較高，且能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)澇積水點(diǎn)的準(zhǔn)確模擬。王小杰[6]對(duì)西安市內(nèi)澇災(zāi)害展開深入研究，在系統(tǒng)整理西安市多年降雨與城市內(nèi)澇現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建區(qū)域SWMM模型，得出不同情景下內(nèi)澇積水變化情況，研究成果為該城市的內(nèi)澇應(yīng)對(duì)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(fā)模式對(duì)于城市內(nèi)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(xué)者們的推廣應(yīng)用。因此，本文基于SWMM模型分析對(duì)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(duì)降減小區(qū)域洪峰總量的應(yīng)用效果，旨在為我國南方城市內(nèi)澇災(zāi)害防治提供一定借鑒。

2 研究背景與模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概況

本次研究依托于廣東省某城市的中央公園區(qū)域城市排水項(xiàng)目，該公園總占地面積約1.32 km2，研究區(qū)域總面積約6.15 km2，主要服務(wù)功能為供區(qū)域居民休閑及運(yùn)動(dòng)使用。公園的平面圖見圖1。但由于城市規(guī)劃，該公園附近南方區(qū)域綠地即將建設(shè)為工業(yè)用地。該城市位處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，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(xù)時(shí)間較長，且隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)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(fā)該城市出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害。

圖1 南方某城市中央公園區(qū)域平面圖

2.2 SWMM模型構(gòu)建與參數(shù)確定

采用非線性地表匯流模型構(gòu)建擬研究地區(qū)的SWMM模型，并通過水力演算模擬動(dòng)力波模型[7-8]。區(qū)域相關(guān)地下管道、高程以及匯水面積等參數(shù)，主要通過資料調(diào)查與咨詢相關(guān)設(shè)計(jì)單位獲得。調(diào)查結(jié)果顯示，該區(qū)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(qū)域不透水面積達(dá)到90%以上。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006)，參照表1可知，該區(qū)域的綜合徑流系數(shù)為0.60～0.85之間。

表1 綜合徑流系數(shù)取值參考

3 基于LID模式的多排水方案對(duì)比

3.1 參數(shù)設(shè)定

由上述區(qū)域概況介紹及資料調(diào)查結(jié)果可知，該區(qū)域的透水面積總占比達(dá)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(qū)域。根據(jù)現(xiàn)有資料結(jié)果顯示，對(duì)于我國南方城市內(nèi)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?shù)确乐未胧?。因此，本研究考慮采用LID模式對(duì)該城市公園區(qū)域展開綜合改造。LID設(shè)施的主要參數(shù)見表2。

表2 LID模式的主要參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析和對(duì)比

在區(qū)域降雨條件下，采取不同防治措施方案后，研究區(qū)域內(nèi)徑流量隨時(shí)間變化關(guān)系圖見圖2。由圖2可知，在降雨的影響下，該區(qū)域的徑流量隨著時(shí)間呈現(xiàn)出先逐漸增大后不斷減小的變化趨勢，不同的防治措施對(duì)于該區(qū)域的徑流量削減的處置效果有所不同。以該區(qū)域最大徑流量作為對(duì)比，其中綠色屋頂處置方案下最大徑流量最高，達(dá)到52 mm；相比之下，透水路面和下凹式綠地對(duì)城市內(nèi)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(duì)降雨影響下區(qū)域的排水效果最好，最大徑流量僅達(dá)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(yuǎn)優(yōu)于其他方案，能夠有效防治城市在汛期出現(xiàn)的內(nèi)澇災(zāi)害。

圖2 研究區(qū)域徑流量隨時(shí)間變化關(guān)系

我國城市化發(fā)展正處于高速建設(shè)期，在未來幾十年內(nèi)，城市的內(nèi)澇災(zāi)害會(huì)對(duì)城市財(cái)產(chǎn)安全造成更大的威脅，因此有必要展開對(duì)上述各方案對(duì)于城市內(nèi)澇防治的長期效果評(píng)價(jià)。圖3為采取不同防治措施方案后研究區(qū)域內(nèi)徑流量削減率和洪峰削減率隨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期變化關(guān)系圖，且設(shè)計(jì)重現(xiàn)期主要考慮1、3、5、10、15、20及30年共計(jì)7個(gè)時(shí)期。由圖3可知，對(duì)于不同方案，其徑流量削減率和洪峰削減率均隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)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(shí)間效應(yīng)，如設(shè)備老化、透水路面堵塞等，而在時(shí)間效應(yīng)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(shí)間效應(yīng)的前提下，各處置方案均應(yīng)當(dāng)采取一定的措施對(duì)設(shè)備及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)與更新，以保證其排水效果，防止城市內(nèi)澇。

圖3 區(qū)域徑流量和洪峰削減率隨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期變化關(guān)系

進(jìn)一步對(duì)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(dá)到20%左右，綠色屋頂?shù)膹搅髁肯鳒p率在20%左右而其長期洪峰削減率很差，僅達(dá)到5%左右。其中，透水路面和綠色屋頂?shù)暮榉逑鳒p率在第一年后出現(xiàn)明顯的陡降，分析認(rèn)為這是由于建筑材料設(shè)備的折損率較高，因此洪峰削減率出現(xiàn)了明顯的降低。

4 結(jié) 論

為研究不同處置方案對(duì)于我國南方城市汛期內(nèi)澇災(zāi)害的處置效果，本文基于SMWW地表徑流分析模型，對(duì)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(duì)比研究，研究結(jié)果如下：

1) 在某次特定降雨條件下，LID模式對(duì)降雨影響下區(qū)域的排水效果最好，最大徑流量僅達(dá)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(yuǎn)優(yōu)于其他方案，能夠有效防治城市在汛期出現(xiàn)的內(nèi)澇災(zāi)害。

2) 對(duì)于不同方案，其徑流量削減率和洪峰削減率均隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)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(shí)間效應(yīng)而出現(xiàn)的設(shè)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(nèi)澇排水能力：LID模式>下凹式綠地>透水路面>綠色屋頂。