南京市江寧區城市防洪排澇水文分析

呂坤

摘要： 以南京市江寧區為研究區，選取歷史典型暴雨過程，運用新安江三水源模型計算區內20年一遇的產流過程，將江寧區細化為22個圩區，并分城鎮、農村與混合區計算排澇模數。江寧區平均排澇模數為3.19 m3/（s·km2），與南京城市防洪規劃基本相同，但不同圩區城鎮化程度的差異導致排澇模數有所不同，且排澇模數與可調蓄水域面積密切相關，在制定排澇規劃時，需充分利用城市綠地截留雨水，積極擴展水面，疏通區內河道，建設自然積存、自然滲透、自然凈化的生態城市，保障江寧區的可持續發展，促進江寧區的生態文明建設。

關鍵詞：城市洪澇;新安江模型;排澇模數;南京市江寧區

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展，許多城市下墊面條件發生改變[1]，城市暴雨成為中國城市面臨的主要自然災害之一，若暴雨強度超過城市管網的排泄能力，將會引發城市澇水威脅[2]，易造成城市交通、通訊、供水、供電等基礎保障設施出現故障，導致直接或間接的經濟損失。

國內外學者基于水文模型、城市雨洪模型等方法研究城市內澇問題[3-5]，通過建立合理的降雨徑流模型，估算相應排澇模數，提出合理的排澇系統規模，指導城市防洪規劃。降雨徑流模型是進行排澇模數估算的基礎，目前Stanford模型、Tank模型、Boughton模型、新安江模型、陸渾模型、SWAT模型等都是流域產流計算比較成熟的模型[6-8]。其中，新安江模型結構簡單，物理概念明確，大多數參數具有明確的物理意義，易于與流域條件建立聯系，模型具有普遍性，適用于濕潤與半濕潤地區[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，結果表明新安江模型在中國絕大部分地區模擬效果良好。徐莎等[12]發現新安江模型在中國長江、淮河等濕潤地區的模擬效果優于黃河、松花江等半濕潤地區，尤其在最濕潤的昌江流域可達甲等標準。

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

1? 區域概況

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

據多年的資料統計，江寧區多年平均降雨量為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，并依據排澇規劃推算出設計降水過程，隨后進行區域產流估算，最后根據產流量計算區域最小排澇模數。

江寧區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計暴雨的條件。因此，選取江寧區1991年6月12日9時至6月13日9時作為典型暴雨過程。南京市江寧區排澇規劃中要求推算出20年一遇（5%）設計點雨量，控制時段取1、3、6、24 h。根據統計資料，東山站具有1962—2005年短歷時暴雨統計資料，雨量資料系列較長，因此選為計算設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，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年一遇的設計暴雨過程。

區域產流根據新安江三水源模型進行估算。當流域面積較大時，根據流域下墊面的水文、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產流采用蓄滿產流概念。②蒸散發分為上層、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、河網匯流兩個階段。根據江寧區下墊面條件，將平原劃分為旱地及非耕地、水面、水田、城鎮4種下墊面，產流結果為4種下墊面之和。

將圩區分為農村圩區、城鎮圩區和混合圩區進行排澇計算。其中城鎮面積比例小于15%的圩區按農村圩區計算，城鎮面積比例大于60%的圩區按城鎮圩區計算，其余圩區按混合圩區進行計算。

農村圩區排澇模數按照t日澇水T日排出來計算，圩內溝塘可調蓄水量可在T日后排出，計算公式如下：

M=0.011 6（Rt-kΔZ）/T? ?（1）

式中，M為圩區設計排澇模數[m3/（s·km2）];Rt為t日暴雨產生的澇水總量（mm）;T為排澇時間（d）;k為圩區可調蓄水面率;ΔZ為圩區內溝塘預降水深（mm）。

城鎮圩區通過管道排水系統將地面徑流排入河道，要求城鎮圩區河道應將入流澇水及時排出，在排水設計標準下不積水。按照江寧區城市河道排澇要求，河道的排澇標準為排除20年一遇的暴雨產生的澇水。

混合圩區根據圩內城市化區域的面積和農村面積的比例，運用加權平均的思想，結合農村圩區與城鎮圩區所計算的排澇模數，得出綜合排澇模數。

M=？琢1M1+？琢2M2? ? （2）

式中，M為城鄉混合圩區綜合排澇模數[m3/（s·km2）];M1為城鎮圩區排澇模數[m3/（s·km2）];M2為農村圩區排澇模數[m3/（s·km2）];？琢1、？琢2分別為城鎮面積與農村面積百分比。

3? 結果與分析

3.1? 設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及20年一遇（5%）設計雨量結果見圖1、表1。

統計東山站1、3、6、24 h的典型雨量，得出相應的縮放系數，見表2。根據縮放系數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年一遇的設計暴雨過程，結果如圖2所示，通過同頻率法將東山站典型降水過程縮放至區域設計點雨量過程，基于該24 h降水過程進行區域產匯流計算。

3.2? 產流計算

江寧區20年一遇24 h設計點雨量為178.3 mm，將平原區分成22個計算單元（圩區）（圖3），根據各下墊面的特征及不同的產流規律，分別進行產流及坡面匯流計算，計算單元24 h設計暴雨的產流量，結果見表3，以秣陵聯圩、石壩圩、向陽圩、祿口機場圩為例。由表3可知，隨著江寧區城鎮化進程的持續，區域下墊面發生改變，主要體現在不透水路面增加、農田面積減少，使得各個圩區的產流量隨時間均有所增大，因此需調整相應的排澇模數。

3.3? 排澇計算

3.3.1? 農村圩區排澇模數? 江寧區20年一遇24 h設計點雨量為178.3 mm，按江寧區典型農業區產流模型計算得出20年一遇24 h暴雨的入河徑流系數約為0.8，折算得出相應的徑流深為R=142.6 mm。

江寧區是以農業為主的圩區，水稻、旱作物、經濟作物為主要的農作物，根據社會經濟發展的要求，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，在按此式計算結果的基礎上乘以1.3得到最終的結果。為了保證能及時騰空圩內調蓄庫容，預防下一次暴雨洪澇，溝塘調蓄的澇水量須在3 d內全部排出圩區，使圩內河道恢復到雨前水位。按此要求，計算得到的農村圩區排澇模數不得低于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蓄水面率，可以計算出相應的農村圩區排澇模數，計算結果見表4。由表4可知，相同預降雨深下隨著調蓄水面率的增加排澇模數逐漸降低，相同調蓄水面率下預降雨深越大則排澇模數越小。因此，各圩區需根據相應規劃要求選取相應排澇模數，且均要大于最小排澇模數。

3.3.2? 城鎮排澇模數? 根據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α=0.70進行產流計算，最小排澇模數不得小于24 h澇水24 h全部排出圩內河道的相應數值，即2.14 m3/（s·km2），因此，分析計算出的排澇模數若小于2.14 m3/（s·km2），則取2.14 m3/（s·km2），結果見表5。由表5可知，城鎮圩區排澇模數與農村圩區有相似的變化規律，但城鎮圩區排澇模數均大于農村，說明城鎮化建設改變了天然徑流排泄過程，城鎮排澇是排澇規劃的主要對象。

3.3.3? 城鄉混合圩區排澇模數? 江寧區各圩區排澇模數見表6。通過計算發現，2010年江寧區排澇模數均值為3.19 m3/（s·km2），略大于《南京城市防洪規劃文本》（2015）指出的江寧區排澇模數3.06 m3/（s·km2），且各圩區排澇模數有所差異，其中向陽圩區達7.36 m3/（s·km2），金村圩區為0.86 m3/（s·km2）。說明影響圩區排澇模數最主要的因素是城市化程度和可調蓄水域面積，水面率大，則調蓄功能強，鄭雄偉等[13]同樣指出城鎮圩區排澇模數與水面率、地面硬化率密切相關。城鎮化建設對原有水域的開發在一定程度上削弱了水域對澇水的調蓄能力，直接導致了排澇動力的不足。

城市圩區產流需由管道匯流至河道內，受到了城市管道排水能力的限制，對排澇模數的影響主要體現在徑流系數增大、匯流時間縮短、澇水損失增加3個方面。在制定規劃排澇動力時，不要只考慮加大排澇泵站本身的排澇流量，更主要的是利用現有條件削減對圩區排澇的不利影響，充分利用城市綠地截留雨水，優先考慮更多利用自然力排水，結合水環境、水景觀的要求，積極擴展水面，疏通區內河道等。構筑“排、滲、滯、蓄、用”相結合的排澇工程系統[14]，建設自然積存、自然滲透、自然凈化的生態城市。并在此基礎上，制定合理的排澇模數，把災害損失減少到最低限度[15]，真正實現以科學、高效、和諧的現代排澇體系保障江寧區的可持續發展，促進江寧區的生態文明建設。

4? 小結

本研究通過水文計算，分析了南京市江寧區各個圩區排澇模數，得到如下結論供參考。

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

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

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