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(nèi)澇。一旦雨水排水管道無法將雨水在短時間內(nèi)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(chǎn)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(nèi)澇問題取得了一些成效[3]，但近年來城市內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(wǎng)的利用率，進而減少內(nèi)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(jīng)濟環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要課題之一。在實踐中，以往的研究大多側(cè)重于時變的分析[8]。而在生產(chǎn)設計過程中，內(nèi)澇的產(chǎn)生原因在空間上的分布也不容忽視。Civil 3D在模擬城市內(nèi)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(nèi)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(nèi)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?cè)丝?19萬（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(jié)果是可以接受的，文獻[12]以長相村和莫愁湖公園南部的農(nóng)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(wǎng)站的35次降雨。同時，研究區(qū)域內(nèi)的主要排水管網(wǎng)也可從政府相關部門網(wǎng)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(gòu)建

研究區(qū)域?qū)儆诔菂^(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(nèi)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(jié)合地形與排水管網(wǎng)劃分子匯水區(qū)，通過地表覆被量化子匯水區(qū)內(nèi)的透水面積比率。建立內(nèi)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(jié)束，時間步長為10min。地表與管網(wǎng)初始水位為0，水量為0，地面不透水粗糙系數(shù)經(jīng)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(jié)果如下。

結(jié)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(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)域內(nèi)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(jié)果統(tǒng)計如表1所示，空間分布均勻，北部局部水量較大。結(jié)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(chǎn)生較大的地表產(chǎn)流量，局部地區(qū)具有嚴重的積水。研究區(qū)域內(nèi)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(nèi)，加之排水不暢等不利因素，對城市的交通與居民的生活產(chǎn)生的不利的影響。

表1 未實施防洪措施內(nèi)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(jié)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(nèi)，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(nèi)澇，將會影響道路交通。現(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(nèi)有效的減輕了排水管網(wǎng)路徑上的水量，起到削減洪峰流量的作用，避免短時間內(nèi)的水量集中產(chǎn)生局部內(nèi)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(nèi)，每個步長時間內(nèi)均減少水量超過50m3。2h50min內(nèi)累積減少水量932.2m3。

表4 節(jié)點淹沒時長

4 結(jié)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(nèi)的蓄水量，可依照城市內(nèi)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(nèi)明顯削減洪峰水量，而且減少了因內(nèi)澇產(chǎn)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(jié)合，充分發(fā)揮其各自優(yōu)勢；勿將往期成功經(jīng)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(nèi)澇防治具有重要意義。