基于低影响开发的安徽泾县查济古村落雨洪管理*

张 泉 薛珊珊 邹成东

合肥工业大学建筑与艺术学院 合肥 230601

传统古村落是现存较为完整、 规模较大、 价值内容较为丰富， 能反映社会状况和历史发展轨迹等信息的文化遗产， 对其进行保护利用是弘扬传统文化、 助力乡村振兴的重要途径。 从2012 年开始， 我国先后公布了五批共计6 819 个“中国传统村落”， 传统村落的保护工作日益受到重视[1]。 但随着社会关注度的持续升高， 传统村落的开发和利用愈来愈趋向城镇发展模式， 大规模的硬质建设极大改变了乡村地区的下垫面类型，破坏了原有水文机制和水文环境， 导致乡村的内涝问题日益严峻[2-3]。 目前， 安徽省大部分村落采用传统的雨洪管理方法， 即通过水圳、 管沟等“灰色” 排水基础设施快速排除场地雨水， 暴雨时极易引发洪水。 因此， 如何打破以“末端治理” 为主的传统管理模式的弊端， 从源头上对雨洪进行管理， 是当前传统村落生存和发展需要迫切解决的问题。 我国政府强烈呼吁向国外学习，引进新型的低影响开发技术 (Low Impact Development， LID)， 这种技术低成本、 低冲击，不仅适用于城市新开发地区， 也适用于美丽乡村建设[4]。 在确保城市和乡村排水防涝安全的前提下， 利用小规模分散的技术措施， 对雨水的源头、传输和汇流过程进行管理， 最大限度实现雨水资源的回收和利用[5-6]。 与高造价、 高维护成本的排水、 净水措施不同， LID 利用景观生态学的方法， 保护生态系统安全的同时塑造城市景观和农业景观， 增加场地的生态性， 而且高效的处理机制也有良好的景观效果， 可以合理地丰富公共开放空间。

本文以古村落可持续雨洪管理为目标， 采用Soil Conservation Service Curve Number (SCS-CN)降雨—径流模型联合ArcGIS 软件构建查济村的雨洪淹没模型， 模拟不同重现期下的雨洪淹没范围和深度， 深入分析查济村洪涝形成的原因和特征。 从场地适宜性的角度出发， 根据查济村现状基础条件， 结合常用几类LID 设施的应用标准， 提出查济村的雨洪管理设计策略， 以期构建一个具有滞留、 储存、 净化作用的多功能雨洪管理系统， 减轻查济古村落现有排水系统的雨水负荷， 实现水生态系统的“社会—经济—环境” 综合效益。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

查济村位于安徽省宣城市泾县， 位于暴雨集中区之一的岫山和青山之间， 夏季高温多雨， 降雨集中， 进入梅雨期， 降水更为显著， 多为暴雨。由于查济村缺乏有效的雨水控制设施， 一般只在重要建筑四周有明沟， 多数建筑内部以天井为中心建有暗沟， 雨季虽能迅速排除积水， 但暴雨时径流调蓄能力明显不足， 洪涝隐患极大。 查济村河道上游地势较高， 常年缺乏清淤疏通， 暴雨期断流堵塞现象严重， 部分地段水质较差， 受生产生活和旅游业的负面影响， 地下水质状况每况愈下， 居民生活可用水资源日趋减少。 本文以查济村域范围内的主要汇流区域为研究对象， 研究面积约为1.05 km2， 村内有许溪、 岑溪、 石溪3 条溪水呈川字型穿村而过， 建筑多沿许溪而建。

1.2 研究方法

首先， 运用ArcGIS 软件对村域的地形及汇水情况进行可视化分析。 其次， 利用SCS-CN 降雨—径流模型[7-8]， 基于查济村的历史气象数据、高程数据、 土地利用数据， 计算和模拟一场暴雨中地表径流的产生量， 并联合ArcGIS 软件建立查济村的雨洪淹没模型， 分别对查济村暴雨重现期10 年、 20 年、 50 年一遇的淹没情况进行模拟，确定雨洪控制的关键位置、 面积和深度， 为LID设施选址提供针对性的技术支持。 第三， 参照常用LID 设施的适用尺度、 场地特征和应用标准，结合查济村实际土地利用现状， 选出合适的LID设施， 并确定具体位置和规模。 最后， 对改造后的用地再次进行雨洪淹没模拟， 与改造前的淹没情况对比， 评价各类LID 设施的应用效果。 SCSCN 降雨—径流模型原理及计算如式(1) 至式(7):

式(1) 至式(7) 中:F表示一场降雨实际截流的降雨量；Q表示地表径流量；S表示最大渗透量；Qm表示总降雨量， 是月降雨总量(P)与径流形成前植物截流、 表层蓄水、 过滤下渗后的初损(Ia) 的差值[9]。 一般初损(Ia) 为该场降雨前可能最大入渗量(S) 的20%[10]。

上述公式表明， 研究范围内的地表径流量需要根据下垫面类型的CN值(径流系数) 与降雨量导出。 在SCS 模型中，CN值与研究区域的土地利用类型、 土壤类型及前期土壤湿度密切相关[11-12]。CN值越大， 表示雨水自然下渗的能力越弱， 地表产流量则越大。 通常， 一个区域的汇水面积由多种土地覆盖类型组成， 且不同汇水区各类型用地比也有所不同， 所以各汇水区的综合径流系数也差别较大。 因此， 整个汇水面积的平均径流系数要由各类型用地的径流系数与面积占比加权求得。

2 查济村核心区雨洪淹没模拟

2.1 地形及汇水情况分析

对査济村核心区高程和坡度进行分析的结果显示: 查济村核心区高程较低， 四周被山峦包围，形成“二起一伏” 的地貌特征； 村内许溪上游地段村庄地势较高， 下游地段村庄地势较低(图1、图2)。 对查济村汇水和集水进行分析的结果显示， 许溪和周边山谷的交汇处易形成汇水线， 地势较低的查济村建成区是村域范围内的主要集水区(图3、 图4)。

图1 查济村高程分析图

图2 查济村坡度分析图

图3 查济村汇水分析图

图4 查济村集水分析图

2.2 雨洪淹没模拟

2.2.1 SCS-CN 模型参数确定

1) 水文土壤组类型。 美国农业部按照渗透能力将土壤划分为4 个水文土壤组(表1)， 以最小渗透率表示土壤对雨水径流的渗透能力。 查济村核心区内， 村庄居民点用地硬化比例较高， 能够自然下渗径流的地表面积有限， 土壤属性较为稳定， 属于D 类。 村域其他用地多为红壤土、 黄壤土及水稻土， 质地粘、 湿度大， 在完全湿润的条件下渗透和导水能力较低， 属于C 类。

表1 水文土壤组的划分标准

2) 极端日降雨量。 根据历史数据， 查济村10年、 20 年、 50 年一遇重现期的极端日降雨量分别为189.2、 246.5、 251.3 mm。

3)CN值。 依据住建部在《室外排水规范》中公布的适用于我国下垫面类型的径流系数经验值和我国专家学者对上海[13]、 昆明[14-15]、 西安[16]等城市研究后的CN值修正结果， 结合泾县土地利用现状和土壤分布， 确定适用于查济村的CN值如表2 所示。

表2 查济村SCS 模型的CN 值(AMCⅡ)

2.2.2 地表径流量计算

首先， 在GIS 中根据查济村现状高程信息，利用地表水文分析工具， 生成7 个汇水区域。 然后， 根据每个流域内各种类型用地的径流系数和面积所占总百分比加权平均得出每个汇水区域的平均径流系数。 最后， 基于极端日降雨数据和计算得出的平均径流系数， 根据公式(6) 计算每个流域的地表径流量。

2.2.3 雨洪淹没区生成

由式(6) 和式(7) 计算出每个汇水区域的径流量Q， 与对应的面积相乘得出淹没区体积V1， 同时在GIS 中利用3D 分析工具和查济村现状高程数据匹配出洼地淹没体积V2(其中V1＝V2)， 得出近似淹没区高度H， 进而模拟出淹没范围。 分别计算暴雨重现期10 年、 20 年、 50 年一遇的淹没情况， 并进行可视化处理， 形成查济村核心区雨洪淹没风险范围。 结果表明， 查济村雨洪淹没风险区主要集中在许溪河道上游地段，许溪下游与岑溪、 石溪交汇处， 村东部入口、 商业街， 南部民居， 中部农田和部分古建筑旁(洪公祠、 宝公祠、 德公厅等附近)。

3 基于LID 的查济村雨洪管理设计

许溪下游村庄的地势虽然较为平坦、 河道坡降相对较小， 但河道较窄， 强降雨时行洪能力弱，而附近村庄的地势较低， 自我排水能力弱， 对暴雨的承接能力不足， 尤其是查济村入口处新建的商业街内涝问题最为严重。 由于大面积农田和绿地被建筑、 道路、 广场等硬质地面代替， 地表雨水自然下渗困难， 增大了原有排水渠道的排涝压力， 汛期安全隐患问题加重。 综合考虑各类LID设施的应用要求和村庄实际发展需要， 提出构造河道上游湿地、 生态种植坑、 渗透性排水系统、生态过滤农田等LID 设计策略。

3.1 构造河道上游湿地

许溪上游是查济村内受洪水威胁最大的地段，由于地势高， 当雨量较大时， 河道无阻挡， 净流量快速增加， 洪峰提前形成， 对下游河道产生强烈冲击， 引发洪涝灾害。 根据10 年、 20 年和50 年一遇洪水位及地形构造连续的蓄流湿地， 配备相应的河滩绿地作为缓冲区(图5)， 在易侵蚀的下游地区建立高植被覆盖的自然防线， 防止雨水冲刷损毁[17]。 具体营造中， 湿地采用自然驳岸形式， 整体环境以多样化的湿生绿色植被为主调， 种植耐涝的乔灌植被和挺水植物， 在浅水区域种植浮叶植物， 以提高水生物种及生态景观多样性[18]。 为了控制流向下游的水质， 在湿地周边分散设置多个小型雨水净化装置， 以点带面， 全面净化初期雨水径流。 同时， 为体现查济村的地方文化特色， 在具有悠久历史的麟趾桥周围布置木栈道、 瞭望塔、 解说台等观光设施， 以增强其功能性和适用性[19]。

图5 上游生态湿地模拟

3.2 构造生态种植坑

通过对雨期泄洪方式的分析， 发现山地、 绿地具有多样的雨水渗透作用， 但直接拆除村内的建筑进行绿地改造违背古村保护原则， 因此设计生态种植坑， 营造微地形景观， 以强化一般绿地的海绵作用。 根据ArcGIS 分析的查济村地形情况， 定位山谷易积水的位置， 在许溪边以及山谷的汇水处分散布置若干个生态坑作为雨洪防护绿地(图6)。 具体设计中， 利用枯木或主干以外的活枝作为木桩，按照一定的角度和阵列切入受水流冲击影响较大河床或者河岸。 在木桩之间铺设具有快速生长能力、 耐水能力的柳条， 用麻绳或者金属捆绑柳条，撒上能够吸附水中污染物的种子， 吸收、 过滤、分解和转化雨水中的有害污染成分。 坡度比较陡峭的河床， 撒上少量的细沙碎石和泥土， 在柳条上覆盖一层土工布进行固定(图7)。

图7 工程生物学营造过程

3.3 构造渗透性的排水系统

查济村内现状采用的是传统边沟排水的方法。实现雨期快速排水的目标不能对村落原有生态系统造成破坏。 设计将自然途径和人工措施相结合，利用植草沟与道路绿化、 边沟排水相结合， 构建覆盖整个村落的渗透性排水系统。 具体设计中，将查济村边沟排水系统的剖面设计成曲线型， 沿道路间隔一段距离设置缺口， 方便雨水快速导入其中； 在沟渠底部铺设100 mm 穿孔管与周边的雨水收集池相连接， 收集渗透过滤后的雨水； 在沟渠中间层覆盖透水性较好的砾土和壤土过滤层，防止土壤颗粒进入穿孔管造成堵塞； 在顶层敷设溢流管， 便于蓄水量超出设计容量时能快速排出。植草沟的植物配置以耐旱、 耐水湿能力及抗逆性良好的乡土植物为主[20-21]。 当降雨从屋面汇入植草沟中， 经过土工布和砾石的过滤， 被周围的土壤吸收。 在强降雨时， 过量的雨水通过穿孔管流入雨水收集池中再被集中收集利用(图8)。

图8 渗透性排水系统剖面

3.4 构造生态过滤农田

查济村的农业种植种类丰富， 但缺乏整体规划， 雨季洪水问题严重影响农作物的生长。 设计生态过滤农田系统， 强降雨时将雨水层层传递，引入到十几个大小不一的生态坑中， 经过渗透、过滤、 收集后再汇入许溪(图9)。 具体设计中，结合路径确定农田的位置， 利用查济独特的砖石建成挡水墙， 并营造潜在的洪水汇水坑。 挡水墙可以减缓径流速度， 田地植栽形成天然过滤屏障。将道路排水管道与建筑雨水汇集改造管道相连，建筑屋面的雨水在排放到农田或者河流之前先进行收集， 在强降雨时期可以起到滞留作用。 由于雨水是污染程度最轻的水质， 屋面的雨水不需要经过特殊的净化， 经简单的过滤就可引入到农田。

图9 生态过滤农田作用原理

4 LID 雨洪管理网络构建与评价

4.1 构建雨洪管理网络

通过构造河道上游湿地、 生态种植坑、 生态过滤农田和渗透性排水系统等LID 设施， 并利用砖石材料建成挡水墙引导地表径流流入， 能够整合湿地、 农田、 道路等绿色空间， 在全村设计生态化的排水设施， 由点到线再到面， 最后形成覆盖全村的立体景观排水网络。 这种生态化雨水管理网络能够渗透到古村落的每一处内涝积水点，可有效调节雨洪的汇流时间和流向， 减少地表径流总量， 去除水中污染物质， 解决查济村的水安全和水生态问题。 相对于传统粗放的乡村雨水排放方法， 查济村的雨洪管理网络(图10) 可以在不同尺度的古村规划和设计中加以运用， 具有推广和应用价值。

图10 查济村雨洪管理网络示意图

4.2 改造前后暴雨淹没范围对比

改造前， 查济村的暴雨淹没区主要位于许溪上游地段以及许溪下游与岑溪交汇处， 周边居民点受影响较大； 改造后， 60%以上的暴雨径流能够通过挡水墙、 排水管道流入生态农田和生态坑内， 下渗、 过滤并储存起来， 提高许溪水体质量，为村民提供充足的生活用水和农业灌溉用水(图11)。 同时， 许溪上游湿地能够像海绵一样储存降水； 而且， 雨洪管理可以在暴雨时有效将洪水压力分散到遍布村庄的LID 设施中， 降低了洪水的威胁。

图11 改造前后暴雨重现期淹没范围模拟

5 结语

LID 作为一种生态化的雨洪管理方法， 在一定程度上能够从景观生态学的视角解决查济村的雨洪问题， 实现雨水的源头控制和管理。 通过分析查济村雨洪管理的现状问题， 提出河道湿地、排水边沟、 生态种植坑、 生态农田等低影响开发设施的构造方法， 构建形成查济村立体化的雨洪管理网络， 实现雨水渗透、 收集和过滤的水生态循环过程。 合理地规划与整治古村落的排水系统、绿地系统和空间开发能够最大程度地减少古村风貌的破坏， 实现生态效益的最大化。 未来， 各地古村落应积极探索低影响开发模式下雨洪管理的途径与方法， 拓展传统水资源的利用方式， 使村庄在面对暴雨、 洪水等自然灾害时能够形成自我保护体系， 在面对内部或外来的污染时能形成自我净化的体系。 通过自下而上的设计， 促进古村落水循环利用过程与景观化、 人性化基础设施的有机融合， 日积月累， 古村落必将成为生态、 有机、 可持续发展的“海绵乡村”。