地表透水面積與滯洪池對城市防洪影響分析

林佛光，李玉龍，蔡志敏

（1.中國人民解放軍93140部隊，廣東 廣州 510000；2.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明650051）

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市區(qū)域中綠地等可滲透面積逐年減少，使得城市在面對暴雨時極易引發(fā)城市內澇。一旦雨水排水管道無法將雨水在短時間內排出，路面低洼地區(qū)則會出現(xiàn)積水，嚴重影響城市的交通[1]。比起天然流域，城市的產流、匯流機制更為復雜[2]。雖然諸多城市建設措施在解決城市內澇問題取得了一些成效[3]，但近年來城市內澇仍時有發(fā)生。原因在于城市區(qū)域中建筑與人類活動分布較為集中，空間上分布不均[4]。局部內澇往往歸因于植被在空間上的不平衡分布[5-6]。由于不透水面積的存在，城市水文過程存在流域洪峰流量增大，峰現(xiàn)時間提前等顯著特點[7]。因此，利用一定的低影響開發(fā)措施，即增大潛在內澇區(qū)域的透水面積，使?jié)撛诎l(fā)生的洪峰流量從時間上表現(xiàn)較為平穩(wěn)，有利于提高排水管網的利用率，進而減少內澇的發(fā)生。目前較為常用的是鋪設透水磚和下凹式綠地。而在城市中人類活動高度集中區(qū)域（大型車站、購物廣場、商業(yè)辦公等），并不具備增大透水面積的條件，針對此情況下的防洪措施設計，宜采用增設一定容量的滯洪池，將集中的洪峰流量進行“緩釋”處理，起到“削峰填谷”的作用。如何減小暴雨對城市區(qū)域的影響，已成為城市經濟環(huán)境協(xié)調發(fā)展的重要課題之一。在實踐中，以往的研究大多側重于時變的分析[8]。而在生產設計過程中，內澇的產生原因在空間上的分布也不容忽視。Civil 3D在模擬城市內澇災害方面有著廣泛的應用[9]，可以對降雨演變成地表徑流的全過程進行較為完整的描述，并將入滲與地表徑流模型聯(lián)系起來，獲得局部節(jié)點水量與流量時變過程線，以獲得城市洪水的快速評估[10]。所以，有必要通過對不同的城市內澇解決措施進行模擬對比，因地制宜的解決措施盡可能的降低城市內澇積水問題帶來的不利影響，進而為城市規(guī)劃建設提出科學性措施建議。

1 研究區(qū)域概況

南京是一個高度城市化，人口分布集中現(xiàn)代化城市，面積186.06km2，總人口819萬（圖1），歷史記錄城市洪水發(fā)生率較高[11]。通過中國地理空間數(shù)據(jù)云圖像數(shù)據(jù)庫獲得向公眾開放的可用地表類型數(shù)據(jù)（精度為30m）。往期文獻顯示基于當前數(shù)據(jù)精度（30m）的分析結果是可以接受的，文獻[12]以長相村和莫愁湖公園南部的農業(yè)荒地為研究區(qū)域，其模型準確率分別為91.44%和86.32%。此外，本文所采用的降雨條件來自氣象網站的35次降雨。同時，研究區(qū)域內的主要排水管網也可從政府相關部門網站獲取，局部區(qū)域的管道埋設細節(jié)參照《室外排水設計規(guī)范》（GB 50014—2006）[13]。

2 模型構建

研究區(qū)域屬于城區(qū)密集的道路與住宅區(qū)，其面積約為26.82km2，其中地表不透水面積約為25.24km2（94%）。該區(qū)域主干道路交通量密集，地表透水面積的應用范圍相對稀少，在降雨條件下易形成路面積水，道路形成的積水無法短時間內排出，防洪排澇形勢嚴峻。通過ArcGIS水文分析模塊對研究區(qū)域進行預處理，具體包括結合地形與排水管網劃分子匯水區(qū)，通過地表覆被量化子匯水區(qū)內的透水面積比率。建立內澇分析模型，模型共劃分為49個子匯水區(qū)，102個節(jié)點，建立研究區(qū)域的概化模型。模型采用運動波方法求解。計算時間為降雨開始至退水結束，時間步長為10min。地表與管網初始水位為0，水量為0，地面不透水粗糙系數(shù)經率定后為0.014。通過在模型中加入的防洪措施（改變地表透水區(qū)域面積和增設滯洪池）來模擬這兩種措施對城市區(qū)域防洪措施的影響效應。

降雨條件的研究結果如下。

結合所在區(qū)域暴雨強度計算公式（1），設定重現(xiàn)期為2年、降雨歷時為60min時，對應的暴雨強度為41mm/h。參考歷史降雨資料，得到設計降雨過程（圖1）。

圖1 降雨條件

式中：q——平均暴雨強度，L/（shm2）；P——設計降雨重現(xiàn)期，a；t——降雨歷時，min。

3 模擬結果與分析

3.1 研究區(qū)域內澇總體概況

未作任何防洪措施時，研究區(qū)域的水深分布結果統(tǒng)計如表1所示，空間分布均勻，北部局部水量較大。結合表1和圖2可以看出，在設計降雨條件（近似于暴雨級別）下，由于區(qū)域地表透水面積比率較小，導致產生較大的地表產流量，局部地區(qū)具有嚴重的積水。研究區(qū)域內地面淹沒水深均在50mm以上，許多積水面積淹沒點位于城市交通道路位置與住宅區(qū)域范圍內，加之排水不暢等不利因素，對城市的交通與居民的生活產生的不利的影響。

表1 未實施防洪措施內澇情況統(tǒng)計

3.2 區(qū)域透水面積

比較了不同時間（2h后和4h后）的系數(shù)。從表2中結果可以看出：徑流系數(shù)的值隨地表區(qū)域透水面積比率的減小而增大，降雨前2h內，由于土壤的滲透作用，降雨通過土壤滲透到地下，徑流系數(shù)相對較低（43.72%～70.69%）。2h過后，由于土壤蓄水逐漸達到飽和，導致滲透作用緩慢，逐漸形成地表徑流，進而徑流系數(shù)值偏高（90.86%～99.34%）。選取節(jié)點1-4A和節(jié)點1-5A（圖2）的節(jié)點總進流量進行比較。如圖3、圖4和表3所示，地表透水面積的增加降低了所在區(qū)域的徑流系數(shù)，有效緩解節(jié)點的進流量壓力。當透水率由10%增加至40%時，徑流系數(shù)分別下降5.1%（節(jié)點1-4A）和7.3%（節(jié)點1-5A），節(jié)點總進流量分別下降78.94L/s（節(jié)點1-5A）和81.53L/s（節(jié)點1-4A）。

表3 透水比率增加情況下節(jié)點參數(shù)對比

圖2 研究區(qū)域洪水淹沒范圍

圖4 節(jié)點（1-5A）總進流量

表2 不同時段區(qū)域徑流系數(shù)

圖3 節(jié)點（1-4A）總進流量

3.3 增設滯洪池

道路交匯處一旦發(fā)生內澇，將會影響道路交通?，F(xiàn)選取道路交匯處淹沒點（A4、A6、B8），分別模擬在實施滯洪池措施前后的水量對比。

由表4對比可以看出，設置滯洪池后，節(jié)點的淹沒時間大幅減少甚至不會淹沒。所選取的節(jié)點均在同一主干匯水管道，節(jié)點A4、A6在設置滯洪池之后不會淹沒，節(jié)點B8淹沒時間大幅減少（2h）。可見在排水路徑上設置滯洪池，可以降低所在排水路徑上節(jié)點的淹沒水量。滯洪池通過將洪水暫時滯留，短時間內有效的減輕了排水管網路徑上的水量，起到削減洪峰流量的作用，避免短時間內的水量集中產生局部內澇。其中從節(jié)點A6的水量時程變化可以看出：設置滯洪池后，洪峰水量增幅減緩，但洪流峰現(xiàn)時間沒有改變。在模擬時間2:40:00到5:30:00時間段內，每個步長時間內均減少水量超過50m3。2h50min內累積減少水量932.2m3。

表4 節(jié)點淹沒時長

4 結語

增加地表透水面積與設置滯洪池具有各自的特點與適用性，透水面積的增加可從宏觀上改善區(qū)域的透水性，利用土壤的下滲增大區(qū)域內的蓄水量，可依照城市內現(xiàn)有綠地景觀，游憩公園等改造而成；針對局部的嚴重積水，增設滯洪池更具有針對性，不但能夠短時間內明顯削減洪峰水量，而且減少了因內澇產生對現(xiàn)有管道的改造，暫時儲存的多余水量也可用于城市景觀綠化等其他用途。上述兩種措施也有不足之處：在建筑密集的城區(qū)，透水率很難達到較高程度，而且土壤的蓄水能力有限，不適用于流量較大的下游匯水位置；滯洪池雖然緩解水量明顯，但不能改變上游來水的峰現(xiàn)時間。針對上述不足，可利用路面透水磚或屋頂綠地等措施增大透水面積，進而擴大城市透水立體空間。將兩種措施合理結合，充分發(fā)揮其各自優(yōu)勢；勿將往期成功經驗生搬硬套，做到因地制宜。透水區(qū)域與滯洪區(qū)的合理組合，對城市內澇防治具有重要意義。