南京市江寧區(qū)城市防洪排澇水文分析

呂坤

摘要： 以南京市江寧區(qū)為研究區(qū)，選取歷史典型暴雨過程，運用新安江三水源模型計算區(qū)內(nèi)20年一遇的產(chǎn)流過程，將江寧區(qū)細化為22個圩區(qū)，并分城鎮(zhèn)、農(nóng)村與混合區(qū)計算排澇模數(shù)。江寧區(qū)平均排澇模數(shù)為3.19 m3/（s·km2），與南京城市防洪規(guī)劃基本相同，但不同圩區(qū)城鎮(zhèn)化程度的差異導致排澇模數(shù)有所不同，且排澇模數(shù)與可調(diào)蓄水域面積密切相關(guān)，在制定排澇規(guī)劃時，需充分利用城市綠地截留雨水，積極擴展水面，疏通區(qū)內(nèi)河道，建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的生態(tài)城市，保障江寧區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，促進江寧區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)。

關(guān)鍵詞：城市洪澇;新安江模型;排澇模數(shù);南京市江寧區(qū)

中圖分類號：TV122? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）10-0057-05

Abstract： A typical historical rainstorm processes is analyzed to calculate the 5% frequency runoff yield by the Xinanjiang model with three runoff components in the Jiangning district of Nanjing city. The Jiangning district is divided into 22 polder areas and drainage modulus is calculated for towns， rural areas and mixed areas. The average drainage modulus in Jiangning district is 3.19 m3/（s·km2）， which is similar to the value of Nanjing Urban Flood Control Planning. But the various urbanization degrees lead to different drainage modulus for each polder area. Drainage modulus is closely related to the area of adjustable water storage. So it should make full use of urban green space to intercept rainwater， extend water area and dredge river course to construct an ecological city with natural accumulation， natural infiltration and natural purification. It makes sense to achieve sustainable development sustainable and promote the construction of ecological civilization in Jiangning district.

Key words： urban waterlogging; Xinanjiang model; drainage modulus; Jiangning district of Nanjing city

隨著中國城市化進程的發(fā)展，許多城市下墊面條件發(fā)生改變[1]，城市暴雨成為中國城市面臨的主要自然災(zāi)害之一，若暴雨強度超過城市管網(wǎng)的排泄能力，將會引發(fā)城市澇水威脅[2]，易造成城市交通、通訊、供水、供電等基礎(chǔ)保障設(shè)施出現(xiàn)故障，導致直接或間接的經(jīng)濟損失。

國內(nèi)外學者基于水文模型、城市雨洪模型等方法研究城市內(nèi)澇問題[3-5]，通過建立合理的降雨徑流模型，估算相應(yīng)排澇模數(shù)，提出合理的排澇系統(tǒng)規(guī)模，指導城市防洪規(guī)劃。降雨徑流模型是進行排澇模數(shù)估算的基礎(chǔ)，目前Stanford模型、Tank模型、Boughton模型、新安江模型、陸渾模型、SWAT模型等都是流域產(chǎn)流計算比較成熟的模型[6-8]。其中，新安江模型結(jié)構(gòu)簡單，物理概念明確，大多數(shù)參數(shù)具有明確的物理意義，易于與流域條件建立聯(lián)系，模型具有普遍性，適用于濕潤與半濕潤地區(qū)[9]。朱求安等[10]、唐俊龍等[11]先后探討了新安江模型在漢江江口流域、浙江白水坑水庫等流域的適用性，結(jié)果表明新安江模型在中國絕大部分地區(qū)模擬效果良好。徐莎等[12]發(fā)現(xiàn)新安江模型在中國長江、淮河等濕潤地區(qū)的模擬效果優(yōu)于黃河、松花江等半濕潤地區(qū)，尤其在最濕潤的昌江流域可達甲等標準。

南京市江寧區(qū)多年平均降雨量為1 012.1 mm，屬于濕潤地區(qū)，本研究利用新安江三水源模型進行產(chǎn)匯流計算，并將圩區(qū)分為農(nóng)村圩區(qū)、城鎮(zhèn)圩區(qū)和混合圩區(qū)計算2005、2010、2020年的設(shè)計排澇模數(shù)，細化《南京城市防洪規(guī)劃文本》（2015）指出的江寧區(qū)排澇模數(shù)3.06 m3/（s·km2），為經(jīng)濟社會的發(fā)展和水資源一體化管理提供安全保障。

1? 區(qū)域概況

江寧區(qū)位于江蘇省的西南部，地處長江與沿海兩大經(jīng)濟帶交匯點，區(qū)域總面積1 573 km2，其中，低山丘陵崗地面積1 047 km2，平原圩區(qū)314 km2，江河湖泊等水面積212 km2。境內(nèi)地勢南北高而中間低，常態(tài)地貌有低山、丘陵、崗地、平原和盆地，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造十分復雜，褶皺和斷裂構(gòu)造形成于燕山期，以南京至湖熟斷裂帶為界，東北區(qū)發(fā)育一套較為完整的沉積巖系，西南區(qū)發(fā)育一套中生代火山巖系。

據(jù)多年的資料統(tǒng)計，江寧區(qū)多年平均降雨量為1 012.1 mm，豐水年高達2 015.2 mm（1991年），枯水年僅有479.8 mm（1978年），汛期雨量占全年總降水量的60%左右。多年平均氣溫為15.5 ℃，全年平均相對濕度76%，平均風速3.6 m/s。

2? 計算方法

進行區(qū)域排澇計算時，需先通過歷史觀測資料選取典型降雨過程，并依據(jù)排澇規(guī)劃推算出設(shè)計降水過程，隨后進行區(qū)域產(chǎn)流估算，最后根據(jù)產(chǎn)流量計算區(qū)域最小排澇模數(shù)。

江寧區(qū)歷次特大暴雨和水文過程中1991年主雨期降雨總量大，強度高，雨型惡劣，其降雨特性較為接近設(shè)計暴雨的條件。因此，選取江寧區(qū)1991年6月12日9時至6月13日9時作為典型暴雨過程。南京市江寧區(qū)排澇規(guī)劃中要求推算出20年一遇（5%）設(shè)計點雨量，控制時段取1、3、6、24 h。根據(jù)統(tǒng)計資料，東山站具有1962—2005年短歷時暴雨統(tǒng)計資料，雨量資料系列較長，因此選為計算設(shè)計暴雨過程的代表站，通過頻率計算得出1、3、6、24 h典型雨量的縮放系數(shù)，將1991年6月12日9時至6月13日9時的暴雨過程縮放至20年一遇的設(shè)計暴雨過程。

區(qū)域產(chǎn)流根據(jù)新安江三水源模型進行估算。當流域面積較大時，根據(jù)流域下墊面的水文、地理情況將流域分為若干個單元面積，將每個單元面積預報的流量過程演算到流域出口，然后疊加起來即為整個流域的預報流量過程。單元面積水文模擬涉及：①產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流概念。②蒸散發(fā)分為上層、下層和深層3層。③水源分為地表、壤中和地下徑流3種。④匯流分為坡面、河網(wǎng)匯流兩個階段。根據(jù)江寧區(qū)下墊面條件，將平原劃分為旱地及非耕地、水面、水田、城鎮(zhèn)4種下墊面，產(chǎn)流結(jié)果為4種下墊面之和。

將圩區(qū)分為農(nóng)村圩區(qū)、城鎮(zhèn)圩區(qū)和混合圩區(qū)進行排澇計算。其中城鎮(zhèn)面積比例小于15%的圩區(qū)按農(nóng)村圩區(qū)計算，城鎮(zhèn)面積比例大于60%的圩區(qū)按城鎮(zhèn)圩區(qū)計算，其余圩區(qū)按混合圩區(qū)進行計算。

農(nóng)村圩區(qū)排澇模數(shù)按照t日澇水T日排出來計算，圩內(nèi)溝塘可調(diào)蓄水量可在T日后排出，計算公式如下：

M=0.011 6（Rt-kΔZ）/T? ?（1）

式中，M為圩區(qū)設(shè)計排澇模數(shù)[m3/（s·km2）];Rt為t日暴雨產(chǎn)生的澇水總量（mm）;T為排澇時間（d）;k為圩區(qū)可調(diào)蓄水面率;ΔZ為圩區(qū)內(nèi)溝塘預降水深（mm）。

城鎮(zhèn)圩區(qū)通過管道排水系統(tǒng)將地面徑流排入河道，要求城鎮(zhèn)圩區(qū)河道應(yīng)將入流澇水及時排出，在排水設(shè)計標準下不積水。按照江寧區(qū)城市河道排澇要求，河道的排澇標準為排除20年一遇的暴雨產(chǎn)生的澇水。

混合圩區(qū)根據(jù)圩內(nèi)城市化區(qū)域的面積和農(nóng)村面積的比例，運用加權(quán)平均的思想，結(jié)合農(nóng)村圩區(qū)與城鎮(zhèn)圩區(qū)所計算的排澇模數(shù)，得出綜合排澇模數(shù)。

M=？琢1M1+？琢2M2? ? （2）

式中，M為城鄉(xiāng)混合圩區(qū)綜合排澇模數(shù)[m3/（s·km2）];M1為城鎮(zhèn)圩區(qū)排澇模數(shù)[m3/（s·km2）];M2為農(nóng)村圩區(qū)排澇模數(shù)[m3/（s·km2）];？琢1、？琢2分別為城鎮(zhèn)面積與農(nóng)村面積百分比。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 設(shè)計點雨量及時程分配

通過頻率計算，東山站點雨量頻率分布參數(shù)及20年一遇（5%）設(shè)計雨量結(jié)果見圖1、表1。

統(tǒng)計東山站1、3、6、24 h的典型雨量，得出相應(yīng)的縮放系數(shù)，見表2。根據(jù)縮放系數(shù)采用同頻率方法進行縮放，將1991年6月12日9時至6月13日9時的暴雨過程縮放至20年一遇的設(shè)計暴雨過程，結(jié)果如圖2所示，通過同頻率法將東山站典型降水過程縮放至區(qū)域設(shè)計點雨量過程，基于該24 h降水過程進行區(qū)域產(chǎn)匯流計算。

3.2? 產(chǎn)流計算

江寧區(qū)20年一遇24 h設(shè)計點雨量為178.3 mm，將平原區(qū)分成22個計算單元（圩區(qū)）（圖3），根據(jù)各下墊面的特征及不同的產(chǎn)流規(guī)律，分別進行產(chǎn)流及坡面匯流計算，計算單元24 h設(shè)計暴雨的產(chǎn)流量，結(jié)果見表3，以秣陵聯(lián)圩、石壩圩、向陽圩、祿口機場圩為例。由表3可知，隨著江寧區(qū)城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)，區(qū)域下墊面發(fā)生改變，主要體現(xiàn)在不透水路面增加、農(nóng)田面積減少，使得各個圩區(qū)的產(chǎn)流量隨時間均有所增大，因此需調(diào)整相應(yīng)的排澇模數(shù)。

3.3? 排澇計算

3.3.1? 農(nóng)村圩區(qū)排澇模數(shù)? 江寧區(qū)20年一遇24 h設(shè)計點雨量為178.3 mm，按江寧區(qū)典型農(nóng)業(yè)區(qū)產(chǎn)流模型計算得出20年一遇24 h暴雨的入河徑流系數(shù)約為0.8，折算得出相應(yīng)的徑流深為R=142.6 mm。

江寧區(qū)是以農(nóng)業(yè)為主的圩區(qū)，水稻、旱作物、經(jīng)濟作物為主要的農(nóng)作物，根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展的要求，計算過程中按20年一遇24 h暴雨澇水48 h排除，即公式（1）中t=1 d，T=2 d。式（1）是按自排考慮，若為機排，泵站每天開機時間按20 h計，再考慮泵站檢修的需要，在按此式計算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以1.3得到最終的結(jié)果。為了保證能及時騰空圩內(nèi)調(diào)蓄庫容，預防下一次暴雨洪澇，溝塘調(diào)蓄的澇水量須在3 d內(nèi)全部排出圩區(qū)，使圩內(nèi)河道恢復到雨前水位。按此要求，計算得到的農(nóng)村圩區(qū)排澇模數(shù)不得低于0.89 m3/（s·km2）。若低于0.89 m3/（s·km2），按0.89 m3/（s·km2）計。對于不同的溝塘預降雨深和可調(diào)蓄水面率，可以計算出相應(yīng)的農(nóng)村圩區(qū)排澇模數(shù)，計算結(jié)果見表4。由表4可知，相同預降雨深下隨著調(diào)蓄水面率的增加排澇模數(shù)逐漸降低，相同調(diào)蓄水面率下預降雨深越大則排澇模數(shù)越小。因此，各圩區(qū)需根據(jù)相應(yīng)規(guī)劃要求選取相應(yīng)排澇模數(shù)，且均要大于最小排澇模數(shù)。

3.3.2? 城鎮(zhèn)排澇模數(shù)? 根據(jù)20年一遇暴雨過程，以管道1年一遇排水能力為控制，按徑流系數(shù)α=0.70進行產(chǎn)流計算，最小排澇模數(shù)不得小于24 h澇水24 h全部排出圩內(nèi)河道的相應(yīng)數(shù)值，即2.14 m3/（s·km2），因此，分析計算出的排澇模數(shù)若小于2.14 m3/（s·km2），則取2.14 m3/（s·km2），結(jié)果見表5。由表5可知，城鎮(zhèn)圩區(qū)排澇模數(shù)與農(nóng)村圩區(qū)有相似的變化規(guī)律，但城鎮(zhèn)圩區(qū)排澇模數(shù)均大于農(nóng)村，說明城鎮(zhèn)化建設(shè)改變了天然徑流排泄過程，城鎮(zhèn)排澇是排澇規(guī)劃的主要對象。

3.3.3? 城鄉(xiāng)混合圩區(qū)排澇模數(shù)? 江寧區(qū)各圩區(qū)排澇模數(shù)見表6。通過計算發(fā)現(xiàn)，2010年江寧區(qū)排澇模數(shù)均值為3.19 m3/（s·km2），略大于《南京城市防洪規(guī)劃文本》（2015）指出的江寧區(qū)排澇模數(shù)3.06 m3/（s·km2），且各圩區(qū)排澇模數(shù)有所差異，其中向陽圩區(qū)達7.36 m3/（s·km2），金村圩區(qū)為0.86 m3/（s·km2）。說明影響圩區(qū)排澇模數(shù)最主要的因素是城市化程度和可調(diào)蓄水域面積，水面率大，則調(diào)蓄功能強，鄭雄偉等[13]同樣指出城鎮(zhèn)圩區(qū)排澇模數(shù)與水面率、地面硬化率密切相關(guān)。城鎮(zhèn)化建設(shè)對原有水域的開發(fā)在一定程度上削弱了水域?qū)乘恼{(diào)蓄能力，直接導致了排澇動力的不足。

城市圩區(qū)產(chǎn)流需由管道匯流至河道內(nèi)，受到了城市管道排水能力的限制，對排澇模數(shù)的影響主要體現(xiàn)在徑流系數(shù)增大、匯流時間縮短、澇水損失增加3個方面。在制定規(guī)劃排澇動力時，不要只考慮加大排澇泵站本身的排澇流量，更主要的是利用現(xiàn)有條件削減對圩區(qū)排澇的不利影響，充分利用城市綠地截留雨水，優(yōu)先考慮更多利用自然力排水，結(jié)合水環(huán)境、水景觀的要求，積極擴展水面，疏通區(qū)內(nèi)河道等。構(gòu)筑“排、滲、滯、蓄、用”相結(jié)合的排澇工程系統(tǒng)[14]，建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的生態(tài)城市。并在此基礎(chǔ)上，制定合理的排澇模數(shù)，把災(zāi)害損失減少到最低限度[15]，真正實現(xiàn)以科學、高效、和諧的現(xiàn)代排澇體系保障江寧區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，促進江寧區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)。

4? 小結(jié)

本研究通過水文計算，分析了南京市江寧區(qū)各個圩區(qū)排澇模數(shù)，得到如下結(jié)論供參考。

1）城市排澇模數(shù)與下墊面條件、水面率密切相關(guān)，本次計算得到排澇模數(shù)基本符合《南京城市防洪規(guī)劃文本》（2015）所提到的要求，更進一步細化了江寧區(qū)各個圩區(qū)的排澇模數(shù)，為江寧區(qū)生態(tài)城市發(fā)展提供了一定的參考。

2）現(xiàn)在防洪排澇體系不僅僅是一個保障人民生命財產(chǎn)安全的工程范疇，更是促進人與水和諧、人與自然和諧相處的人性范疇。規(guī)劃時必須通過計算、分析和思考，確定適合本地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的合理方案。

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