近年来, 随着城镇化进程的加快, 城市硬化地面增加, 暴雨后引发的城市内涝问题愈发严重, 人民的生命财产面临着极大的威胁, 传统城市排水系统面临着严峻的考验。2013年12月, 习近平总书记提出开展“海绵城市”建设, 标志着我国雨水管理从“快排控制”阶段进入“可持续性管理”阶段。2014年10月, 住房城乡建设部发布《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建 (试行) 》, 文中指出, “海绵城市”应是广义的涵义, 即包含低影响开发 (Low Impact Development, LID) 雨水系统、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统, 3个系统相互补充、相互依存, 共同构建海绵城市^[1]。

　　 石狮市位于福建省东南部沿海地区, 为三面环海的半岛, 规划面积约182km²。石狮市属亚热带海洋性季风气候区, 是台风活动频繁的地区之一, 极端气候的出现导致城市内涝时有发生。据统计, 石狮市中心城区严重易涝点约有8处, 易涝深度达到300~500mm。传统的易涝点整治工程主要侧重于城市雨水管渠系统和超标雨水径流排放系统的建设及改造, LID雨水系统搭建往往没有得到足够重视^[2,3]。

　　 本文结合石狮市金盛路-创业路交叉口易涝点整治, 利用LID雨水模型, 着重探索了“海绵城市”建设理念下, 城市内涝问题的预防和解决措施, 以期为LID设施应用以及海绵城市建设的向前推进提供参考。

　　 InfoWorks ICM软件计算模块包括排水管网系统水力模型、河道系统水力模型、二维城市/流域洪涝淹没模型、实时控制模块、水质模块及可持续构筑物模块 (LID模块) 等。

　　 排水管网系统水力模型包括水文模块、水力计算模块和污水量计算模块^[4,5]。二维城市/流域洪涝淹没模型引入地面高程模型, 考虑道路、建筑物等对水流的引导和阻拦作用, 利用模型可以模拟出洪水在地面上行进的过程, 研究易涝区域中洪水的流向及深度。

　　 LID模块提供了水动力及水文模型两种方式来模拟LID设施, 包括:生物滞留池、雨水花园、绿色屋顶、渗渠、透水铺装、雨水桶、屋顶隔断及植草沟等LID设施。

　　 石狮市金盛路-创业路交叉口易涝点位于石狮市香江路 (南洋路-石泉二路段) 北侧地块, 属中心城区, 现状开发较为完善。根据总规、现场勘查及相关资料, 该处地块总面积约102.9hm², 用地性质主要为居住用地、商业用地及教育用地等, 下垫面可分为屋顶、硬化道路、停车场、操场、绿地、农田等。各类型下垫面面积分布情况如表1所示。

　　 该处地块的雨水管道基本形成了系统管网, 主要排水通道为金盛路d800~1 000雨水管道及港塘路d800~1 000雨水管道等, 镇中路现状未敷设雨水管道, 片区内雨水排放出路为地块西侧的塘园溪及东侧的龟湖溪。易涝区域现状排水系统如图1所示。

　　 根据管线普查及现场勘查情况, 提取现状雨水排水管网及下垫面的数据信息等。该处地块共整理出雨水井98个、出水口3个、主管管段99段。研究区域共被划分成98个子集水区, 子集水区雨水汇流至对应的雨水井。易涝区域模型概化如图2所示。

　　 在选择产流模型时, 对渗透性表面和不渗透性表面分别考虑。该地块地表屋顶、硬化道路、停车场均为不透水性表面, 采用固定径流系数模型 (Fixed) 进行模拟。依据《室外排水设计规范》 (GB 50014-2006, 2014年版) , 各种屋面、混凝土或沥青路面的固定径流系数为0.85~0.95, 故考虑设定屋面的径流系数为0.90, 硬化道路、停车场的径流系数为0.95, 初损设为2.5mm^[5]。可渗透性地面采用广泛使用的Horton渗透模型进行模拟, 即假定可渗透性路面的渗透率随时间呈指数减小, 设定初渗率为80mm/h, 稳渗率为5mm/h, 衰减系数设为2h^-1, 初损设为10mm^[6]。

　　 汇流模型考虑采用SWMM非线性水库模型进行模拟, 根据SWMM模型用户手册, 不透水地面和透水地面的曼宁糙率分别设置为0.012和0.2。

　　 降雨事件考虑根据新编的石狮市暴雨公式[式 (1) ], 按照芝加哥雨型进行设计, 综合雨峰位置系数r取0.465。

　　 石狮市雨水管渠的设计重现期为2年, 一般采用短历时 (2h) 降雨进行模拟;低影响开发雨水系统一般通过中、小降雨事件来实现, 如重现期0.5年, 降雨历时为1h。本文考虑两种降雨事件, 对模型进行模拟, 分别为工况1:重现期0.5年, 降雨历时为1h;工况2:重现期0.5年, 降雨历时为1h。模型产流时间统一采用10h。

　　 利用InfoWorks ICM进行模拟, 采用积水深度对区域内涝风险进行评估, 分为4档0.02m<积水深度≤0.15 m, 0.15 m<积水深度≤0.45 m, 0.45m<积水深度≤1.00m, 积水深度>1.00m。

　　 易涝区域模拟结果如图3所示。

　　 一般来说, 人行道比路面高0.15m以上, 沿街商铺及底层住宅的室内地坪一般比人行道高0.30m以上, 故积水深度超过0.15m时, 积水淹没路边石, 对道路交通产生影响;积水深度超过0.45m时, 积水淹没沿街商铺及底层住宅, 对居民生命财产产生影响。根据上述评估结果, 当发生短历时降雨时, 该区域地块内多处出现积水深度超过0.15m的积水, 工况1和工况2下的积水量分别达到2 900.7m³和12 949.7m³。特别是金盛路-创业路交叉口, 积水随地势向北, 个别地块处积水深度甚至超过0.45m, 这说明该区域内涝较为严重, 急需进行整治。

　　 通过对模拟结果进行分析, 可知当发生2年一遇 (降雨历时为2 h) 降雨时, 地块总降雨量为69 869.1m³, 地表径流量为54 628.0m³, 其中通过雨水管网排出系统的雨水量达41 514.2m³, 仅占径流总量的75.6%。这表明该区域的雨水管渠排水能力不足, 按照传统的雨水“快排”观念, 应尽快对管网进行提标改造, 将地面径流收集转输至水体。这种传统的雨水控制理念往往导致雨水资源流失以及水环境恶化。

　　 根据降雨量及径流量, 可计算研究区域的综合径流系数为0.782。根据《室外排水设计规范》 (GB50014-2006, 2014年版) , 综合径流系数高于0.7的地区应采用渗透、调蓄等措施。通过对研究区域进行低影响开发, 可达到降低雨水径流量、削减并延缓径流峰值, 减轻雨水管渠的排水压力, 降低内涝风险的目的。

　　 根据《石狮市排水 (雨水) 防涝综合规划》 (2016~2030年) , 城镇基础设施建设应综合考虑雨水径流量的削减。新建城区的下凹式绿地率宜达到新建绿地的50%;人行道、非机动车道、地面公共停车场和广场等可采用渗透性铺装。在场地条件许可的情况下, 要求新建人行道、非机动车道、地面公共停车场和建设工程外部庭院的透水铺装率不得小于60%。

　　 目前, 下凹式绿地、植草沟、绿色屋顶、透水铺装、生物滞留池等是较为常见的LID设施^[7]。结合本区域的实际情况, 本文考虑将区域内15%的硬化道路设置生物滞留设施;60%的屋顶改造为绿色屋顶;90%的停车场改造为透水铺装;50%绿地均改造为下凹式绿地。

　　 本文的生物滞留池、透水路面及绿色屋顶模拟的参数取值参考侯盖娟^[8]和王景^[9]的课题研究。下凹式绿地的洼蓄量为绿地的固有初损+下凹深度, 根据海绵城市建设技术指南, 下沉式绿地的下凹深度一般为100~200mm, 故本文下凹式绿地的护坡高度值取150mm, 其余参数与平面绿地一致。

　　 采用相同降雨事件进行模拟, 模型运行结果如图4所示。

　　 LID改造前后, 区域内雨水系统运行情况如表2和表3所示。

　　 降雨后, 区域内地面产生径流, 其出路包括:管网排出、形成地面积水及被LID设施截留等。根据表2分析, LID设施改造前, 区域内的地表径流主要通过管网排出系统及形成积水, 剩余的截留雨水较少, 主要储存于雨水管道内, 管道排水能力不足是片区内易涝的主要原因;LID设施改造后, 区域内的地表径流量减少, 同时截留的雨水量增加, 区域管网排出系统量有明显的减少, 这表明片区经LID设施改造后, 显示出“海绵吸水”的功能。

　　 根据表2和表3可知, 经过LID设施改造后, 本区域积水情况得到一定程度的改善。其中, 0.5年一遇 (降雨历时为1h) 降雨条件下, 区域内LID设施改造前后的积水面积和积水量分别降低了53.5%和62.7%;2年一遇 (降雨历时为2h) 降雨条件下, 区域内LID设施改造前后的积水面积和积水量分别降低了15.8%和25.3%。这说明LID设施改造可在一定的程度上缓解城市内涝问题, 特别是重现期较短、历时较短的降雨, 可有效控制城市积水的产生。但是, LID设施无法完全代替雨水管网的功能, 这是因为海绵城市是由LID雨水系统、城市管渠系统及超标雨水排放系统共同组成, 缺一不可的。对于雨水管网不达标的地区, 应优先进行管网提标, 再进行LID设施的改造, 实现雨水的资源化。

　　 本文利用LID雨水模型, 在石狮市易涝区域内布置典型的LID改造措施, 分别模拟了重现期为0.5年一遇、降雨历时为1h的降雨和重现期为2年一遇、降雨历时为2h的降雨, 可以看出5种LID设施对雨水径流的削减控制有明显的效果, 特别是重现期较短、历时较短的降雨。但是, LID雨水系统不能完全替代城市管渠系统的功能。在实际工程中必须采用灰色设施与绿色设施相结合的设计形式。