LID措施在老城區內澇風險管理中的應用

欒 慕，劉 俊

(河海大學水文水資源學院，南京 210098)

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

1 研究區域概況

本次研究區域位于浙江省西北部的桐廬縣老城區，總面積278.17 hm2。該區域地處錢塘江上游，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。地勢整體呈現西南高，東北低。老城區的土地利用類型主要以住宅小區、學校、工廠以及市政道路為主，兼有少量的商業區。由于歷史原因，該區域缺少排水管網，降雨時僅靠自然地勢的高低向鄰近河道排水。該區域背山臨江，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重不足，因此亟須建設排水系統。

2 LID模塊及其計算原理

SWMM模型是一款以城市地區為主要應用場景，對降雨徑流及水中污染物遷移變化過程進行數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措施。通過模擬下滲、蒸散發、植被截留和滯蓄等主要的水文過程，并結合模型中所嵌入的水力計算模塊，可以模擬LID措施對所布設區域的徑流總量、峰值流量及峰現時間的控制效果。其他未編入LID模塊的措施(如濾草帶等)則可以經現有措施組合及相應參數的變換進行處理后再進行模擬[3]。

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

3 設計暴雨計算

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)，資料的代表性及穩定性均比較好，計算成果基本合理，能夠體現研究區域的實際情況。

在我國排水系統規劃設計中，常采用芝加哥雨型作為設計雨型[5]。通過統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。根據當地暴雨公式并按照芝加哥雨型分配，得到的暴雨時程分配過程如圖1所示。

圖1 設計暴雨時程分配Fig.1 Design storm distribution diagram

4 模擬結果與分析

4.1 傳統開發情形模擬與分析

4.1.1 模型構建

根據桐廬縣域總體規劃及相關資料，研究區域的土地利用類型將以居住區、工業區為主，兼有少量的商業區，開發利用強度增大，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、地形地貌等相關子匯水區域信息，將研究區概化為28個子匯水區域。綜合考慮雨水管網集水范圍和下墊面的具體情況，將研究區域的管網系統概化為38個節點，29個管段和3個排水口。概化結果見圖2。

圖2 研究區域概化圖Fig.2 Generalized figure of the study area

參考模型應用手冊并結合相關文獻[6,7]，確定居住區、商業區的不透水面積比為40%，工業區為60%。最大下滲率裸土取25.4 mm/h、覆蓋草皮的取50.8 mm/h。穩定下滲率則根據桐廬縣土壤條件，取2.54 mm/h。下滲速率衰減系數根據經驗取7 d，衰減系數為3 h-1。不透水區洼蓄量取1 mm，糙率取0.015；透水區洼蓄量取5 mm，糙率取0.2。坡度依照桐廬縣老城區實際地形及規劃資料取值。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單位提供的資料輸入到模型中。

4.1.2 計算結果及分析

將1年一遇、2年一遇、5年一遇的設計暴雨依次輸入到模型中進行計算，依據計算結果繪制內澇風險圖，見圖3。從圖3中可以看出，老城區即使是在遭遇1年一遇暴雨的情況下，仍有部分區域的積水深度到達了6.6 cm。在遭遇5年一遇暴雨時，老城區的西南部和中部區域的積水深度高達13.4 cm。按照桐廬縣域總體規劃，這些區域的土地利用類型為居住區。內澇的頻繁發生和過高的積水已經較為嚴重地影響了當地群眾的正常生產生活。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的管道占總數的93.1%，僅有少量管道直徑為0.8 m。

降低內澇風險的最簡單做法就是增加排水管網規模，但對于老城區而言是比較困難的。主要是因為老城區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，與現有混雜的其他管線的關系難以處理?？傊畣渭円耘潘芫W建設為主的傳統方式無法滿足未來老城區排水防澇的要求，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澇風險。

4.2 LID開發情形模擬與分析

4.2.1 LID設施布設方案擬定

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措施。在實際工程使用中應在充分了解每種LID措施的布設條件和特點上，結合當地實際情況進行取舍?？紤]到老城區街道狹窄、建筑密度大、建筑年代久、基礎設施配套缺乏，因此不宜采用占地面積過多、布設方式過于復雜的LID措施。并應結合土地利用情況，針對不同子匯水區域采取有差別的處理。

圖3 傳統開發情形下內澇風險圖Fig.3 Waterlogging risk figures under the traditional development scenarios

按照上述的布設原則并結合相關文獻研究成果[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域的組合布設，從而實現對降雨的全程控制。

(1)雨水收集桶。雨水收集桶的布設條件低，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、道路清洗等對水質要求不高的應用場景，是一種實現雨洪資源化的較好途徑。本次研究考慮到居住區和工業區之間的不同，將更多的雨水收集桶布置到雨水收集條件更好的工業區。

(2)滲透鋪裝。滲透鋪裝主要采用透水性能好的材料代替現有的不透水鋪裝。由于其孔隙率較高，能使降雨在短時間內下滲到土壤中。只有當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。本次研究將研究區域內市政道路、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，還可以美化周邊環境。本次研究在研究區域的主要道路兩旁、居住區、工業區內設置一定數量的植被淺溝。在發生短歷時強降雨時，道路及周圍地面所產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構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的布設面積不宜過大。

4.2.2 模型構建

在傳統開發情形模型的基礎上，添加相應的LID措施模塊，即可完成LID開發情形模型的構建。具體的參數設置為：雨水收集桶桶深50 cm，不設置外排導管，以居住區、商業區為主的子匯水區域內布置40個，以工業區為主的子匯水區域布置60個。植被淺溝的布設面積占所在子匯水區域的30%，滯蓄深度取120 mm。滲透鋪裝布設面積占所在子匯水區域的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、商業區進行布設，所占面積為子匯水區域的20%，土壤層厚度區80 mm，滯蓄深度取50 mm[11,12]。

4.2.3 計算結果及分析

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

統計兩次模擬的計算結果，見表1。從表1中可以看出，在相同暴雨重現期下，LID開發情形下的洪峰流量和最大積水深度都要小于傳統開發情形，并且LID開發情形下的峰現時刻更晚；暴雨重現期越小，LID措施所發揮的效果越明顯。表明所布設的LID措施不僅能夠削減洪峰流量，還能夠推遲峰現時刻，減輕內澇危害，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所面臨的城市內澇風險。

圖4 LID開發情形下內澇風險圖Fig.4 Waterlogging risk figures under the LID scenarios

暴雨重現期洪峰流量/(m3·s-1)LID開發情形傳統開發情形峰現時刻LID開發情形傳統開發情形最大積水深度/cmLID開發情形傳統開發情形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 論

(1)通過模擬傳統開發情形下老城區在遭遇1年一遇、2年一遇、5年一遇設計暴雨時的城市內澇情況，表明單純依靠排水管網建設并不能夠消除老城區所面臨的內澇風險。

(2)在相同暴雨重現期下，與傳統開發情形相比，加入LID措施后的老城區積水深度降低，積水范圍減小，城市內澇風險顯著降低，表明所選擇的LID措施布設組合方式科學合理，效果較好。

(3)老城區特殊的建設條件限制了所使用LID措施的種類、布設規模與組合方式，使得LID措施并不能完全杜絕內澇的發生。因此，結合老城區改造，提升基礎設施水平，才是消除老城區內澇風險的根本解決之道。

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