城市暴雨積水成因分析與人工模擬降雨器

摘要：

隨著城市化的發展，暴雨積水現象日益突出。本文在分析積水成因的基礎上，建立了人工模擬降雨器，監測不同級別的雨水對城市的模擬影響，從而為城市建設提供寶貴數據。

關鍵詞：城市暴雨；積水原因；人工模擬降雨器

1. 引言

近20年來，隨著我國城市化進程的迅猛發展，城市地區由于人口密集，物資和財產密度不斷加大等特點，高強度暴雨積水形成的洪澇災害對城市化地區產生的威脅和帶來的損失愈來愈大。災害一旦發生，不僅給人們的日常生活帶來不便，嚴重的話還可能危及人民和集體的生命和財產安全，破壞城市整體形象。通過人工模擬降雨器可以對暴雨積水形成的原因進行分析，可以找出防汛工作中及建設中的薄弱點與空白點，由此加以改進，減輕災害帶來的損失。同時，如何對城市地區地面積水的發生區域及形成過程進行預測，以有效地分析澇情可能造成的后果，及時可靠地制定城市排澇減災對策和措施是日前城市防汛研究和實踐的重要課題。

2. 城市暴雨積水成因分析

2.1 城市地區的流域特性

相對于天然流域而言，城市地區的水文氣象特性和產、匯流機制遠較前者復雜。

首先，城市地區由于城市化影響產生的“熱島”、“塵罩”和“雨島”效應，影響了區域的降雨特性。主要表現為汛期大暴雨次數及在大暴雨中降水總量和平均雨強增大，使得城市地區暴雨出現的幾率明顯增加。其次，城市化的過程，顯著改變了土地利用特性，致使城市地區與天然流域的產匯流特性大為不同。土地利用特性的改變突出表現為建筑物密集、高樓林立、道路縱橫交錯，綠化率和水面率降低，增加了不透水面積，天然透水面積的比率卻大幅下降。由此直接改變了當地雨洪徑流的形成條件，導致徑流總量增加，流速加大；峰量增高，峰現提前，歷時縮短。再次，為了迅速排出城市地區產生的雨水徑流，市政部門興建了排水管網系統。加上地面沉降等因素，低洼區不得不依靠泵站動力抽排的強排水模式。這使匯流速度顯著加快，而入河強度明顯提高。

最后，我國城市在建設發展過程中，往往存在與水爭地，侵占河道，破壞水系的現象，致使城市地區水面率大幅降低。結果使得城市滯蓄雨洪的能力急劇減弱，影響城市的防洪安全。

2.2 城市地區暴雨積水的形成原因

綜合來說，城市暴雨積水的產生主要有以下三個方面的原因

1自然原因：

①
  球氣候變化和城市化等原因，暴雨次數增多和強度加大。

②沿海城市多屬感潮河網地區，地勢平坦，如暴雨時恰逢外河道發生高水（潮）位時，會影響到城市排水能力，內河水無法外排。同時，為保護防汛墻設施安全，防止河水漫溢，防汛泵站停泵，從而造成暴雨積水。特別是遭遇風、暴、潮“三碰頭”時，情勢更加嚴峻。

2排水設施抵御暴雨能力不足：

①
  多老城區的設計暴雨重現期標準偏低，當遭遇超標準暴雨時，容易造成暴雨時積水。

②一些系統泵站和主干管線雖已建成，但收集支管由于種種原因尚未完善，造成實際排水能力達不到系統標準。系統中一些地區管道處排水系統的末梢，或下游管道管徑偏小造成瓶頸導致積水。

③排水系統的改造，使得原有系統的服務區域范圍發生變更，存在泵站與管道系統排水能力不相配套的情況。

3人為因素：

①市區面積逐年擴大，且市區不透水面積比例迅速提高；下滲量減小，產流增大，匯流加快，形成暴雨洪水。

②長期超采地下水引起地面沉降，形成一些排水不暢、地勢低洼區，容易造成暴雨積水。

③城市發展，施工建設管理不善造成建筑垃圾或居民生活垃圾堵塞或淤積管道，造成排水不暢，局部地面積水成災。

④突發因素的影響，如泵站故障停泵導致的積水。

3. 城市暴雨積水人工模擬降雨器

降雨過程是開展這項工作的基礎條件，天然降雨周期長，受環境氣候影響大，很難獲得理想效果。人工模擬降雨大廳可以克服這一特點，引進這一項目對城市暴雨積水科學利用具有相當重要的意義。

人工模擬降雨器實驗平臺中可以引入不同的模塊完成不同地形的模擬實驗，如：“滲水模塊、滯水模塊、蓄水模塊、凈水模塊等可以完成生態透水材料，雨水花園，人工濕地、可滲透路面、透水性廣場，雨水濕地實驗，屋頂綠化，高花壇，低位花壇，淺溝渠滲透實驗，雨水凈化，排水管網概化布置，管道實時水深、流速等多種實驗， “實現雨水→地面積水→管道中水→河道中水”一體實驗 .