LID措施在老城区内涝风险管理中的应用

栾 慕，刘 俊

(河海大学水文水资源学院，南京 210098)

随着2014年版室外排水规范的实施和我国城镇化进程不断加快，近年来各地所建设的新城区更多地融入了较为先进的雨水管理理念与手段，内涝抵御能力已有所改观[1]。但由于某些历史原因，老城区还普遍存在着排水设施老化、不达标甚至缺失等问题，具有较高的内涝风险，对于城市整体水安全而言是一个严峻挑战。与新建城区不同的是，老城区往往街道狭窄、建筑密度大、建筑年代久、基础设施配套缺乏，不仅限制了排水设施的改造方法与规模，也在一定程度上削弱了雨水管理能力。因此，在老城区雨水管理中以雨水综合利用措施来缓解内涝问题就具有重要的现实意义[2]。与重视末端处理的传统雨水管理模式不同的是，低影响开发措施(LID)通过一系列形式多样、规模较小、经济合理的雨水收集和处理设施，采用分布式布局以进行全程控制，从而缓解城市内涝。本文以构建SWMM模型为研究手段，分别对浙江省桐庐县老城区在传统开发情形和LID开发情形下的内涝风险管理控制效果进行了模拟分析，为其确定排水防涝系统规划方案提供一定的技术参考。

1 研究区域概况

本次研究区域位于浙江省西北部的桐庐县老城区，总面积278.17 hm2。该区域地处钱塘江上游，东临分水江，南依富春江，西接古塘山，北望塘步山，属浙西中低山丘陵区。地势整体呈现西南高，东北低。老城区的土地利用类型主要以住宅小区、学校、工厂以及市政道路为主，兼有少量的商业区。由于历史原因，该区域缺少排水管网，降雨时仅靠自然地势的高低向邻近河道排水。该区域背山临江，在遭遇暴雨时极易受到山洪和河道洪水的双重威胁，加之自身排水能力严重不足，因此亟须建设排水系统。

2 LID模块及其计算原理

SWMM模型是一款以城市地区为主要应用场景，对降雨径流及水中污染物迁移变化过程进行数值模拟的计算机软件，目前的最新版本为SWMM 5.1。软件中所嵌入的LID模块，可模拟生物雨水滞留单元、雨水花园、绿色屋顶、渗渠、透水铺装、雨水收集桶、屋顶截留装置、植被浅沟等8种常见的低影响开发措施。通过模拟下渗、蒸散发、植被截留和滞蓄等主要的水文过程，并结合模型中所嵌入的水力计算模块，可以模拟LID措施对所布设区域的径流总量、峰值流量及峰现时间的控制效果。其他未编入LID模块的措施(如滤草带等)则可以经现有措施组合及相应参数的变换进行处理后再进行模拟[3]。

根据LID措施在子汇水区面积中所占有的比例不同，可将LID的布设方式分为两种：①部分覆盖子汇水区。在原子汇水区内设置若干种已定义好的LID设施，替换与其等量的原子汇水区内不布设LID措施的面积。通过这种方式可实现将多种不同的LID设施同时设置于一个子汇水区内，每个LID设施分别处理子汇水区内部未设置LID控制设施区域产生的径流。但在这种方式下，各LID设施之间的出入流关系并非是串联的，亦不能指定LID设施的处理区域及处置路径。这种方法适用于较大区域范围内的LID综合应用及洪涝管控效果模拟。②完全覆盖子汇水区。子汇水区完全被事先定义好的LID设施所完全覆盖，LID设施可用子汇水区的各项相关参数来表达。该种方式可使得LID设施能够接受来自上游子汇水区的出流，可实现雨水处置路径的可视化。这种方式适用于较小地块的LID设施精细化模拟。本次研究根据实际情况，采用第一种布设方式[4]。

3 设计暴雨计算

肖岭站属于国家基本站，观测资料可靠，因此选用肖岭站作为桐庐县雨量代表站来计算设计暴雨。由于降雨实测资料系列较长(1961-2009年共计49年)，资料的代表性及稳定性均比较好，计算成果基本合理，能够体现研究区域的实际情况。

在我国排水系统规划设计中，常采用芝加哥雨型作为设计雨型[5]。通过统计肖岭站历年较大雨量的时段分布，分析各次降雨的主雨峰位置，得出暴雨综合参数r=0.5。取计算时段为5 min，计算短历时120 min雨量，主雨峰位置位于第13时段。根据当地暴雨公式并按照芝加哥雨型分配，得到的暴雨时程分配过程如图1所示。

图1 设计暴雨时程分配Fig.1 Design storm distribution diagram

4 模拟结果与分析

4.1 传统开发情形模拟与分析

4.1.1 模型构建

根据桐庐县域总体规划及相关资料，研究区域的土地利用类型将以居住区、工业区为主，兼有少量的商业区，开发利用强度增大，下垫面的不透水性会进一步提高。利用GIS软件提取土地利用、地形地貌等相关子汇水区域信息，将研究区概化为28个子汇水区域。综合考虑雨水管网集水范围和下垫面的具体情况，将研究区域的管网系统概化为38个节点，29个管段和3个排水口。概化结果见图2。

图2 研究区域概化图Fig.2 Generalized figure of the study area

参考模型应用手册并结合相关文献[6,7]，确定居住区、商业区的不透水面积比为40%，工业区为60%。最大下渗率裸土取25.4 mm/h、覆盖草皮的取50.8 mm/h。稳定下渗率则根据桐庐县土壤条件，取2.54 mm/h。下渗速率衰减系数根据经验取7 d，衰减系数为3 h-1。不透水区洼蓄量取1 mm，糙率取0.015；透水区洼蓄量取5 mm，糙率取0.2。坡度依照桐庐县老城区实际地形及规划资料取值。而管道要素主要有空间位置、坡度、长度、流向、管径以及雨水口的地面高程等信息[8]，这些重要信息可通过有关单位提供的资料输入到模型中。

4.1.2 计算结果及分析

将1年一遇、2年一遇、5年一遇的设计暴雨依次输入到模型中进行计算，依据计算结果绘制内涝风险图，见图3。从图3中可以看出，老城区即使是在遭遇1年一遇暴雨的情况下，仍有部分区域的积水深度到达了6.6 cm。在遭遇5年一遇暴雨时，老城区的西南部和中部区域的积水深度高达13.4 cm。按照桐庐县域总体规划，这些区域的土地利用类型为居住区。内涝的频繁发生和过高的积水已经较为严重地影响了当地群众的正常生产生活。究其原因，主要是因为排水管道的直径过小，直径为0.4～0.6 m的管道占总数的93.1%，仅有少量管道直径为0.8 m。

降低内涝风险的最简单做法就是增加排水管网规模，但对于老城区而言是比较困难的。主要是因为老城区地下管道改建成本太高、社会影响太大，而且城市地下空间不足，与现有混杂的其他管线的关系难以处理。总之单纯以排水管网建设为主的传统方式无法满足未来老城区排水防涝的要求，需要采用LID措施对降雨全过程进行综合管理才能有效地降低内涝风险。

4.2 LID开发情形模拟与分析

4.2.1 LID设施布设方案拟定

LID模块可模拟生物雨水滞留单元、雨水花园、绿色屋顶、渗渠、透水铺装、雨水收集桶、屋顶截留装置、植被浅沟等8种常见的低影响开发措施。在实际工程使用中应在充分了解每种LID措施的布设条件和特点上，结合当地实际情况进行取舍。考虑到老城区街道狭窄、建筑密度大、建筑年代久、基础设施配套缺乏，因此不宜采用占地面积过多、布设方式过于复杂的LID措施。并应结合土地利用情况，针对不同子汇水区域采取有差别的处理。

图3 传统开发情形下内涝风险图Fig.3 Waterlogging risk figures under the traditional development scenarios

按照上述的布设原则并结合相关文献研究成果[9,10]，本次研究选取雨水收集桶、渗透铺装、植被浅沟、绿色屋顶4种LID措施，通过在不同子汇水区域的组合布设，从而实现对降雨的全程控制。

(1)雨水收集桶。雨水收集桶的布设条件低，占地面积小。雨水收集桶可以收集雨水，降低径流量，且收集的雨水可以用于城市绿化、道路清洗等对水质要求不高的应用场景，是一种实现雨洪资源化的较好途径。本次研究考虑到居住区和工业区之间的不同，将更多的雨水收集桶布置到雨水收集条件更好的工业区。

(2)渗透铺装。渗透铺装主要采用透水性能好的材料代替现有的不透水铺装。由于其孔隙率较高，能使降雨在短时间内下渗到土壤中。只有当降雨强度超过土壤渗透速率时，多余的雨水再进入排水管道。本次研究将研究区域内市政道路、停车场等硬化路面更改为渗透铺装。

(3)植被浅沟。植被浅沟布设简单，维护成本低，不仅对降雨径流有较好地削减作用，还可以美化周边环境。本次研究在研究区域的主要道路两旁、居住区、工业区内设置一定数量的植被浅沟。在发生短历时强降雨时，道路及周围地面所产生的降雨径流将首先流入植被浅沟，在其蓄满后再进入雨水口和排水管道。

(4)绿色屋顶。绿色屋顶主要通过在原本不透水的屋顶栽种绿色植物的方式，直接地减少了城市中的不透水面积，从而到达滞蓄雨水和绿化的目的。但由于该项措施对于屋顶结构的荷载能力和防渗性均有较高的要求，因此本次研究中绿色屋顶的布设面积不宜过大。

4.2.2 模型构建

在传统开发情形模型的基础上，添加相应的LID措施模块，即可完成LID开发情形模型的构建。具体的参数设置为：雨水收集桶桶深50 cm，不设置外排导管，以居住区、商业区为主的子汇水区域内布置40个，以工业区为主的子汇水区域布置60个。植被浅沟的布设面积占所在子汇水区域的30%，滞蓄深度取120 mm。渗透铺装布设面积占所在子汇水区域的10%，表层厚度取70 mm，孔隙比取0.13，基层与垫层总厚度取240 mm，孔隙比取0.4。绿色屋顶仅在居住区、商业区进行布设，所占面积为子汇水区域的20%，土壤层厚度区80 mm，滞蓄深度取50 mm[11,12]。

4.2.3 计算结果及分析

再次将1年一遇、2年一遇、5年一遇的设计暴雨依次输入到设置好LID措施的模型中进行计算。根据模型计算结果，绘制内涝风险图，见图4。从图4中可以看出，在相同暴雨重现期条件下，与传统开发情形相比，加入LID措施后的老城区内的积水深度明显降低，积水范围也大大减小，老城区所面临的内涝风险显著减轻，但西南部和中部区域仍有较高的受涝可能。

统计两次模拟的计算结果，见表1。从表1中可以看出，在相同暴雨重现期下，LID开发情形下的洪峰流量和最大积水深度都要小于传统开发情形，并且LID开发情形下的峰现时刻更晚；暴雨重现期越小，LID措施所发挥的效果越明显。表明所布设的LID措施不仅能够削减洪峰流量，还能够推迟峰现时刻，减轻内涝危害，在一定程度上缓解了高强度的城市化进程对于天然水文情势的影响，降低了桐庐县老城区所面临的城市内涝风险。

图4 LID开发情形下内涝风险图Fig.4 Waterlogging risk figures under the LID scenarios

暴雨重现期洪峰流量/(m3·s-1)LID开发情形传统开发情形峰现时刻LID开发情形传统开发情形最大积水深度/cmLID开发情形传统开发情形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 结 论

(1)通过模拟传统开发情形下老城区在遭遇1年一遇、2年一遇、5年一遇设计暴雨时的城市内涝情况，表明单纯依靠排水管网建设并不能够消除老城区所面临的内涝风险。

(2)在相同暴雨重现期下，与传统开发情形相比，加入LID措施后的老城区积水深度降低，积水范围减小，城市内涝风险显著降低，表明所选择的LID措施布设组合方式科学合理，效果较好。

(3)老城区特殊的建设条件限制了所使用LID措施的种类、布设规模与组合方式，使得LID措施并不能完全杜绝内涝的发生。因此，结合老城区改造，提升基础设施水平，才是消除老城区内涝风险的根本解决之道。

□

[1] 胡爱兵, 任心欣, 丁 年,等. 基于SWMM的深圳市某区域LID设施布局与优化[J]. 中国给水排水, 2015,(21):96-100.

[2] 李 霞, 石宇亭, 李国金. 基于SWMM和低影响开发模式的老城区雨水控制模拟研究[J]. 给水排水, 2015,(5):152-156.

[3] 符 锐, 罗龙洪, 刘 俊,等. SWMM模型中的低影响开发模块在排水防涝系统中的应用[J]. 水电能源科学, 2014,(9).

[4] 王 昆, 高 成, 朱嘉祺,等. 基于SWMM模型的渗渠LID措施补偿机理研究[J]. 水电能源科学, 2014,(6).

[5] 马俊花, 李婧菲, 徐一剑,等. 暴雨管理模型(SWMM)在城市排水系统雨季溢流问题中的应用[J]. 净水技术, 2012,31(3):10-15.

[6] Lewis A. Rossman. Storm Water Management Model User’s Manual (Version 5.1)[M]. Washington D C, US: EPA, 2015.

[7] 孙阿丽. 基于情景模拟的城市暴雨内涝风险评估[D]. 上海：华东师范大学, 2011.

[8] 王越兴. SWMM在城市排水管网分析中的应用[J]. 给水排水, 2010,36(S1):408-410.

[9] 孙艳伟, 魏晓妹, POMEROY C A. 低影响发展的雨洪资源调控措施研究现状与展望[J]. 水科学进展, 2011,22(2):287-293.

[10] 胡爱兵, 任心欣, 俞绍武,等. 深圳市创建低影响开发雨水综合利用示范区[J]. 中国给水排水, 2010,26(20):69-72.

[11] 何 爽, 刘 俊, 朱嘉祺. 基于SWMM模型的低影响开发模式雨洪控制利用效果模拟与评估[J]. 水电能源科学, 2013,(12):42-45.

[12] 李 爽, 邢国平, 刘洪海,等. 基于低影响开发的天津市绿色雨水基础设施应用研究[J]. 水土保持通报, 2013,33(2):147-150.