基于LI D理念的城市内涝原因分析及治理措施研究

2023-08-17郑宁

工程建设与设计 2023年14期

1 引言

传统的城市排水设计思路是将不能下渗或来不及下渗的雨水汇入雨水管道排出，存在雨水径流污染严重、雨水资源流失、生态环境破坏、内涝风险大等问题。同时，随着城市化的持续推进，硬化地面占比逐渐提高，直接影响到城市降水蓄渗。在连续强降雨天气下，汇流时间大幅缩短，地表径流增大，给城市的排水管网系统增加了较大的压力，使其超负荷运行，进而形成局部内涝现象，可能造成重大经济损失和人员伤亡。鉴于此，越来越多的学者开始研究新型雨水排放理念LID。所谓LID，是指低影响开发（Low Impact Development），主张从源头控制出发，选定经济合理的LID 设施来维持和修复自然水循环系统，达到减少地面径流、补充地下水、避免内涝和水源污染的效果[1]。因此，基于LID 理念分析城市内涝原因和治理措施具有十分重要的工程意义。

2 低影响开发排水设计原则及主要LI D设施比选

2.1 低影响开发设计原则

给排水设计人员在选择LID 设施时，应结合海绵城市专项规划文件，并遵循以下原则[2]：（1）尽量维持开发区域的原有自然生态，减少硬化地面面积，利用生态设施对不渗透区域进行分割，从源头减少雨水径流量；（2）采用小规模、分散化、源头式的设计方法，减少道路排水节点处的雨水来源，降低排水管网的压力；（3）延长雨水径流路径，降低雨水径流速度，有效地削减洪峰流量；（4）围绕“绿色，生态，低碳”主题，提高城市绿色覆盖率，减少城市硬化下垫面，并通过植物蒸腾作用降低城市热岛效应，为居民提供良好的生态环境。

2.2 主要LI D设施特点

城市排水中常用的LID 设施主要有透水铺装、绿色屋顶、生态植草沟、生态树池、雨水花园等[3]。

透水铺装（Permeable Pavement）也叫多孔性路面，渗透性能好，能加快雨水渗透，减少地表径流量。铺装材料包括透水混凝土、透水沥青、透水砖等，具体型号应结合城市建设区域气候气象特点、交通量大小、经济水平等因素选择。

绿色屋顶（Green Roof）是通过在建筑物顶部覆盖植物来减少不渗透面积，实现滞留雨水、延缓洪峰到来的目标。绿色屋顶的雨水滞留量主要取决于生长介质层的厚度和房屋的坡度。此外，屋顶绿色植物的蒸腾作用能改善城市气候，缓解热岛效。绿色屋顶有扩展型和密集型两类，前者质量轻、构造薄，适用于旧房屋改造；后者设计荷载大，常用于新建筑的开发。

生态植草沟、生态树池、雨水花园等均属于生物滞留设施（Biological Detention Facilities），通常设置在地势相对较低区域，利用植物、土壤、微生物相互作用对地面雨水径流蓄渗、净化。其中，生态树池一般设置在人行道和非机动车道之间，内部铺种植土，种植土表层铺反滤土工格栅和陶粒，种植土底部埋入排水砾石层、排水管等，这样既能延缓雨水流失速度，还能使超量雨水渗进池底后沿着排水管排出。植草沟开挖简单，景观效果好，占地面积小，根据功能不同可划分成转输型植草沟和渗透型植草沟，通常设置在道路路侧。雨水花园是自然形成或人工挖掘的浅凹绿地，可汇聚并吸收来自建筑物顶面或地面雨水，并通过植物、砂砾的综合作用使雨水净化、下渗，由内向外由砾石层、砂层、种植土壤层、覆盖层和蓄水层组成。

2.3 主要LI D设施技术比选

LID 技术应用效果与建设区条件密切相关，本文从机理、适用位置、建设效果、成本投入4 个方面对主要LID 设施的特点进行比选，见表1。

表1 LI D设施技术比选

3 城市内涝主要原因分析

3.1 依托工程概况

本文以西安市经开区（中心区）为研究对象，分析其内涝点的主要原因。经开区包括中心区、高铁新城、草滩区3 部分，规划面积158 km2（中心区约22 km2），地面起伏不大，地下水位10 m 以下，工程、水文地质状况良好，地势南高北低，属暖温带半湿润大陆性季风区，夏季高温多雨，冬季稍冷少雨，年降水量558～750 mm，7～9 月份是明显降水高峰。

经开区（中心区）已建成的雨水管网系统，由于建设时期不同，采用的设计标准也存在一定的差异。经开区现有排水管网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、漕运明渠、幸福河、泾河等。经开区共有排水提升泵站7 座，水泵35 台，液压工作站12 台，大型移动式抽水车龙吸水2 台、履带式龙吸水4 台，主要担负着区内下穿通道和道路积水点的积水抽排工作。

3.2 城市内涝风险评估

3.2.1 风险评估方法

根据调查资料可知，区域内内涝点有5 个，分别为文景路（凤城九路—凤城十路）、凤城一路南康新村前（开元路—贞观路）、凤城北路（凤城十二路—北三环南辅道）、凤城九路（明光路—文景路）、凤城八路（张家堡转盘）。

目前，常采用的内涝风险评估方法包括历史灾情数理评估统计法、指标体系评估法、水力模型评估法。由于西安市目前的内涝资料仅为主城区2008—2014 年统计的城区积水点资料，缺乏周边地区历史内涝资料，不具备采用单独一种方法进行全规划区内涝风险评估的条件[4]。因此，经开区内涝风险评估方法参考西安市，具体流程为：（1）通过指标体系评估法对整个规划区进行内涝风险的初步评估，划分出内涝高风险区、中风险区及低风险区；（2）基于现有的积水点资料进行校核，并采用水力模型法对内涝高风险区、中风险区进行评估；（3）按各风险因子可能产生的灾害风险的大小，将各风险因子划分成若干个风险区段，确定各因子的风险指数。

3.2.2 风险评估结论

采用InfoWorks ICM 系统对经开区（中心区）现状排水管网进行模拟计算，以暴雨重现期P=50 年时，地面积水≥15 cm为易涝点评定标准，计算结果如图1 所示。

图1 重现期为50 年时经开区内涝风险模拟

由图1 可知，经开区（中心区）易涝点较多，模拟结果显示的易涝点与经开区多年来的实际发生易涝点基本一致，说明模拟结果较为正确、可信。同时，地面积水深度≥15 cm 的城市内部积水点不多，故将经开区整体内涝风险等级评定为内涝中风险区。

3.3 城市内涝风险原因分析

在7～9 月降雨高峰期，经开区（中心区）均会出现不同程度的内涝问题，主要原因如下。

3.3.1 城市化进程影响

随着经开区（中心区）经济水平的快速发展，区域内不透水地面占比越来越高，阻碍了雨水的自然下渗，使得地表径流大幅增加。此外，城市不断向外围扩张，原先的排水系统可能变成下游地区，上游新建地区的雨水排入后会增加其汇水面积，造成排水管网超负荷运转，此时地势低洼处易积水[5]。

3.3.2 设计标准较低

和欧美发达国家相比，我国排水管道系统仅能解决1～3年（一般地区）或3～5 年（重点地区）小重现期的暴雨径流，但对超过雨水管网排水能力的暴雨径流则缺乏相应措施和统一的设计方法。为了节约投资，各城市在建设排水管网时甚至采用标准下限，比如，一般地区设计重新期取1 年，重点地区取3年。经调查，西安市雨水排水系统的设计重现期一般取1～3年，对火车站、铁路北客站等重点区域取3 年，立交下穿通道取5 年，均采用了较低的设计标准，其中，经开区（中心区）现状雨水管网设计重现期均为1 年。当城市遇到重现期为50～100 年的特大暴雨时，城市排水管网排水能力自然不满足排水需求，从而出现内涝。

3.3.3 排水系统衔接不畅

城市道路在开展竖向设计时，未对沿线绿地标高进行充分调研，使得道路标高低于绿地，路面积水难以排入。

3.3.4 排水系统管养不及时

城市排水管网和防洪分属在市政、水力、环保、电力等部门，统一协调难度大。排水系统建成后如不及时维护管理，也会造成局部排水能力下降而出现局部内涝现象[6]，比如，各类淤泥、垃圾等进入雨水管道，如不及时疏通会堵塞管道，造成积水；再比如，管道施工、道路施工等损坏城市原排水管网系统的现象，导致排水不畅。

4 城市内涝治理措施及治理效果评价

4.1 低影响开发控制目标

依据GB 50014—2021《室外排水设计标准》对城市内涝防治设计重现期的要求，西安属于大城市，设计重现期取50年。同时，满足居民住宅和工商业建筑物的底层不进水、道路中的一条车道积水深度不超过15 cm 的要求。如发生超过城市内涝防治重现期的降雨时，城市运转能基本正常，不得造成严重的经济损失和人员伤亡。