基于LI D理念的城市內(nèi)澇原因分析及治理措施研究

1 引言

傳統(tǒng)的城市排水設(shè)計思路是將不能下滲或來不及下滲的雨水匯入雨水管道排出，存在雨水徑流污染嚴(yán)重、雨水資源流失、生態(tài)環(huán)境破壞、內(nèi)澇風(fēng)險大等問題。 同時，隨著城市化的持續(xù)推進(jìn)，硬化地面占比逐漸提高，直接影響到城市降水蓄滲。在連續(xù)強降雨天氣下，匯流時間大幅縮短，地表徑流增大，給城市的排水管網(wǎng)系統(tǒng)增加了較大的壓力，使其超負(fù)荷運行，進(jìn)而形成局部內(nèi)澇現(xiàn)象，可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。 鑒于此，越來越多的學(xué)者開始研究新型雨水排放理念LID。 所謂LID，是指低影響開發(fā)（Low Impact Development），主張從源頭控制出發(fā)， 選定經(jīng)濟(jì)合理的LID 設(shè)施來維持和修復(fù)自然水循環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到減少地面徑流、補充地下水、避免內(nèi)澇和水源污染的效果[1]。 因此，基于LID 理念分析城市內(nèi)澇原因和治理措施具有十分重要的工程意義。

2 低影響開發(fā)排水設(shè)計原則及主要LI D設(shè)施比選

2.1 低影響開發(fā)設(shè)計原則

給排水設(shè)計人員在選擇LID 設(shè)施時， 應(yīng)結(jié)合海綿城市專項規(guī)劃文件，并遵循以下原則[2]：（1）盡量維持開發(fā)區(qū)域的原有自然生態(tài)，減少硬化地面面積，利用生態(tài)設(shè)施對不滲透區(qū)域進(jìn)行分割，從源頭減少雨水徑流量；（2）采用小規(guī)模、分散化、源頭式的設(shè)計方法，減少道路排水節(jié)點處的雨水來源，降低排水管網(wǎng)的壓力；（3）延長雨水徑流路徑，降低雨水徑流速度，有效地削減洪峰流量；（4）圍繞“綠色，生態(tài)，低碳”主題，提高城市綠色覆蓋率，減少城市硬化下墊面，并通過植物蒸騰作用降低城市熱島效應(yīng)，為居民提供良好的生態(tài)環(huán)境。

2.2 主要LI D設(shè)施特點

城市排水中常用的LID 設(shè)施主要有透水鋪裝、綠色屋頂、生態(tài)植草溝、生態(tài)樹池、雨水花園等[3]。

透水鋪裝（Permeable Pavement）也叫多孔性路面，滲透性能好，能加快雨水滲透，減少地表徑流量。 鋪裝材料包括透水混凝土、透水瀝青、透水磚等，具體型號應(yīng)結(jié)合城市建設(shè)區(qū)域氣候氣象特點、交通量大小、經(jīng)濟(jì)水平等因素選擇。

綠色屋頂（Green Roof）是通過在建筑物頂部覆蓋植物來減少不滲透面積，實現(xiàn)滯留雨水、延緩洪峰到來的目標(biāo)。 綠色屋頂?shù)挠晁疁袅恐饕Q于生長介質(zhì)層的厚度和房屋的坡度。 此外，屋頂綠色植物的蒸騰作用能改善城市氣候，緩解熱島效。 綠色屋頂有擴(kuò)展型和密集型兩類，前者質(zhì)量輕、構(gòu)造薄，適用于舊房屋改造；后者設(shè)計荷載大，常用于新建筑的開發(fā)。

生態(tài)植草溝、生態(tài)樹池、雨水花園等均屬于生物滯留設(shè)施（Biological Detention Facilities）， 通常設(shè)置在地勢相對較低區(qū)域，利用植物、土壤、微生物相互作用對地面雨水徑流蓄滲、凈化。 其中，生態(tài)樹池一般設(shè)置在人行道和非機動車道之間，內(nèi)部鋪種植土，種植土表層鋪反濾土工格柵和陶粒，種植土底部埋入排水礫石層、排水管等，這樣既能延緩雨水流失速度，還能使超量雨水滲進(jìn)池底后沿著排水管排出。 植草溝開挖簡單，景觀效果好，占地面積小，根據(jù)功能不同可劃分成轉(zhuǎn)輸型植草溝和滲透型植草溝，通常設(shè)置在道路路側(cè)。 雨水花園是自然形成或人工挖掘的淺凹綠地， 可匯聚并吸收來自建筑物頂面或地面雨水，并通過植物、砂礫的綜合作用使雨水凈化、下滲，由內(nèi)向外由礫石層、砂層、種植土壤層、覆蓋層和蓄水層組成。

2.3 主要LI D設(shè)施技術(shù)比選

LID 技術(shù)應(yīng)用效果與建設(shè)區(qū)條件密切相關(guān)，本文從機理、適用位置、建設(shè)效果、成本投入4 個方面對主要LID 設(shè)施的特點進(jìn)行比選，見表1。

表1 LI D設(shè)施技術(shù)比選

3 城市內(nèi)澇主要原因分析

3.1 依托工程概況

本文以西安市經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）為研究對象，分析其內(nèi)澇點的主要原因。 經(jīng)開區(qū)包括中心區(qū)、高鐵新城、草灘區(qū)3 部分，規(guī)劃面積158 km2（中心區(qū)約22 km2），地面起伏不大，地下水位10 m 以下，工程、水文地質(zhì)狀況良好，地勢南高北低，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)區(qū)，夏季高溫多雨，冬季稍冷少雨，年降水量558～750 mm，7～9 月份是明顯降水高峰。

經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）已建成的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，由于建設(shè)時期不同，采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也存在一定的差異。 經(jīng)開區(qū)現(xiàn)有排水管網(wǎng)684.7 km，其中，雨水管道425.1 km，污水管道259.6 km，主要排洪河工程包括皂河、漕運明渠、幸福河、涇河等。 經(jīng)開區(qū)共有排水提升泵站7 座，水泵35 臺，液壓工作站12 臺，大型移動式抽水車龍吸水2 臺、履帶式龍吸水4 臺，主要擔(dān)負(fù)著區(qū)內(nèi)下穿通道和道路積水點的積水抽排工作。

3.2 城市內(nèi)澇風(fēng)險評估

3.2.1 風(fēng)險評估方法

根據(jù)調(diào)查資料可知，區(qū)域內(nèi)內(nèi)澇點有5 個，分別為文景路（鳳城九路—鳳城十路）、鳳城一路南康新村前（開元路—貞觀路）、鳳城北路（鳳城十二路—北三環(huán)南輔道）、鳳城九路（明光路—文景路）、鳳城八路（張家堡轉(zhuǎn)盤）。

目前， 常采用的內(nèi)澇風(fēng)險評估方法包括歷史災(zāi)情數(shù)理評估統(tǒng)計法、指標(biāo)體系評估法、水力模型評估法。 由于西安市目前的內(nèi)澇資料僅為主城區(qū)2008—2014 年統(tǒng)計的城區(qū)積水點資料，缺乏周邊地區(qū)歷史內(nèi)澇資料，不具備采用單獨一種方法進(jìn)行全規(guī)劃區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險評估的條件[4]。 因此，經(jīng)開區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險評估方法參考西安市，具體流程為：（1）通過指標(biāo)體系評估法對整個規(guī)劃區(qū)進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險的初步評估， 劃分出內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)及低風(fēng)險區(qū)；（2）基于現(xiàn)有的積水點資料進(jìn)行校核，并采用水力模型法對內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)進(jìn)行評估；（3）按各風(fēng)險因子可能產(chǎn)生的災(zāi)害風(fēng)險的大小，將各風(fēng)險因子劃分成若干個風(fēng)險區(qū)段，確定各因子的風(fēng)險指數(shù)。

3.2.2 風(fēng)險評估結(jié)論

采用InfoWorks ICM 系統(tǒng)對經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）現(xiàn)狀排水管網(wǎng)進(jìn)行模擬計算，以暴雨重現(xiàn)期P=50 年時，地面積水≥15 cm為易澇點評定標(biāo)準(zhǔn)，計算結(jié)果如圖1 所示。

圖1 重現(xiàn)期為50 年時經(jīng)開區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險模擬

由圖1 可知，經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）易澇點較多，模擬結(jié)果顯示的易澇點與經(jīng)開區(qū)多年來的實際發(fā)生易澇點基本一致， 說明模擬結(jié)果較為正確、可信。同時，地面積水深度≥15 cm 的城市內(nèi)部積水點不多， 故將經(jīng)開區(qū)整體內(nèi)澇風(fēng)險等級評定為內(nèi)澇中風(fēng)險區(qū)。

3.3 城市內(nèi)澇風(fēng)險原因分析

在7～9 月降雨高峰期，經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）均會出現(xiàn)不同程度的內(nèi)澇問題，主要原因如下。

3.3.1 城市化進(jìn)程影響

隨著經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，區(qū)域內(nèi)不透水地面占比越來越高，阻礙了雨水的自然下滲，使得地表徑流大幅增加。 此外，城市不斷向外圍擴(kuò)張，原先的排水系統(tǒng)可能變成下游地區(qū)， 上游新建地區(qū)的雨水排入后會增加其匯水面積，造成排水管網(wǎng)超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，此時地勢低洼處易積水[5]。

3.3.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低

和歐美發(fā)達(dá)國家相比， 我國排水管道系統(tǒng)僅能解決1～3年（一般地區(qū)）或3～5 年（重點地區(qū)）小重現(xiàn)期的暴雨徑流，但對超過雨水管網(wǎng)排水能力的暴雨徑流則缺乏相應(yīng)措施和統(tǒng)一的設(shè)計方法。 為了節(jié)約投資，各城市在建設(shè)排水管網(wǎng)時甚至采用標(biāo)準(zhǔn)下限，比如，一般地區(qū)設(shè)計重新期取1 年，重點地區(qū)取3年。 經(jīng)調(diào)查， 西安市雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期一般取1～3年，對火車站、鐵路北客站等重點區(qū)域取3 年，立交下穿通道取5 年，均采用了較低的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其中，經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)設(shè)計重現(xiàn)期均為1 年。 當(dāng)城市遇到重現(xiàn)期為50～100 年的特大暴雨時， 城市排水管網(wǎng)排水能力自然不滿足排水需求，從而出現(xiàn)內(nèi)澇。

3.3.3 排水系統(tǒng)銜接不暢

城市道路在開展豎向設(shè)計時， 未對沿線綠地標(biāo)高進(jìn)行充分調(diào)研，使得道路標(biāo)高低于綠地，路面積水難以排入。

3.3.4 排水系統(tǒng)管養(yǎng)不及時

城市排水管網(wǎng)和防洪分屬在市政、水力、環(huán)保、電力等部門，統(tǒng)一協(xié)調(diào)難度大。 排水系統(tǒng)建成后如不及時維護(hù)管理，也會造成局部排水能力下降而出現(xiàn)局部內(nèi)澇現(xiàn)象[6]，比如，各類淤泥、垃圾等進(jìn)入雨水管道，如不及時疏通會堵塞管道，造成積水；再比如，管道施工、道路施工等損壞城市原排水管網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致排水不暢。

4 城市內(nèi)澇治理措施及治理效果評價

4.1 低影響開發(fā)控制目標(biāo)

依據(jù)GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對城市內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期的要求， 西安屬于大城市， 設(shè)計重現(xiàn)期取50年。 同時，滿足居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層不進(jìn)水、道路中的一條車道積水深度不超過15 cm 的要求。 如發(fā)生超過城市內(nèi)澇防治重現(xiàn)期的降雨時，城市運轉(zhuǎn)能基本正常，不得造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

4.2 經(jīng)開區(qū)內(nèi)（中心區(qū)）澇控制措施

基于低影響開發(fā)理念，對經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）內(nèi)澇采取以下控制措施：

1）對于易澇積水點，由于雨污混接、錯接導(dǎo)致的易澇區(qū)域采用雨污分流措施進(jìn)行改造； 由于管道老化、 堵塞導(dǎo)致的積水，采用新建雨、污水管道的方式進(jìn)行改造；由于管道建成年限早，管徑較小不能滿足雨水排水需求導(dǎo)致的積水，依據(jù)防澇規(guī)劃采用擴(kuò)大管徑新建管道的方式進(jìn)行改造；

2）為了避免城市主干路兩側(cè)局部積水，將現(xiàn)狀兩側(cè)隔離帶改造為下沉式蓄水綠化帶，從而把路面積水引入下沉綠帶，控制地表徑流；

3）對城市道路綠地下凹處地塊產(chǎn)生的冒水、積水情況，設(shè)置生物滯留池，從而增加雨水滲透量；

4）為降低下游管道出流壓力，尤其是地勢低處冒水、積水情況，在積水處上游位置設(shè)置高位調(diào)蓄池，把雨水徑流的高峰流量暫留在池內(nèi)，緩解管道出流壓力，同時收集到的雨水資源可以沖洗廁所、澆灑路面、澆灌草坪、水景補水；

5）利用砂土地質(zhì)優(yōu)勢，對局部積水處設(shè)置滲蓄池，對雨水進(jìn)行收集和存儲，緩解積水情況。

4.3 經(jīng)開區(qū)內(nèi)澇控制效果

雨洪管理模型（SWMM）是通過構(gòu)建道路匯水面積、排水節(jié)點、LID 設(shè)施等來模擬某一區(qū)域內(nèi)的降雨情況。 本文利用SWMM 模型計算了暴雨重現(xiàn)期P=50 年時，場地開發(fā)前、傳統(tǒng)城市開發(fā)、低影響開發(fā)下的路面徑流量，計算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同城市開發(fā)模式下路表徑流

由圖2 可知，經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）在低影響開發(fā)模式下的地面徑流峰值約等于傳統(tǒng)城市開發(fā)模式下的0.46 倍， 徑流峰值出現(xiàn)時間延遲了約70 min。 同時，低影響開發(fā)模式下與場地開發(fā)前的徑流趨勢大致相同， 說明兩者的自然生態(tài)環(huán)境相似，LID 設(shè)施對地面徑流控制效果較好。

5 結(jié)語

本文分析了城市低影響開發(fā)排水設(shè)計原則、 主要LID 設(shè)施特點，并依托西安經(jīng)開區(qū)（中心區(qū)）對城市內(nèi)澇產(chǎn)生原因、內(nèi)澇控制措施及控制效果進(jìn)行評價，主要得到以下結(jié)論：

1）盡快完成區(qū)域內(nèi)雨、污分流改造；

2）低影響開發(fā)理念主張用LID 設(shè)施從源頭控制地面徑流，常用LID 設(shè)施主要有透水鋪裝、綠色屋頂、生態(tài)植草溝、生態(tài)樹池、雨水花園等；

3）在降雨高峰期，受城市化進(jìn)程影響、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低、排水系統(tǒng)銜接不暢、排水系統(tǒng)管養(yǎng)不及時等因素影響，容易出現(xiàn)不同程度的內(nèi)澇問題；