南京市江宁区城市防洪排涝水文分析

吕坤

摘要： 以南京市江宁区为研究区，选取历史典型暴雨过程，运用新安江三水源模型计算区内20年一遇的产流过程，将江宁区细化为22个圩区，并分城镇、农村与混合区计算排涝模数。江宁区平均排涝模数为3.19 m3/（s·km2），与南京城市防洪规划基本相同，但不同圩区城镇化程度的差异导致排涝模数有所不同，且排涝模数与可调蓄水域面积密切相关，在制定排涝规划时，需充分利用城市绿地截留雨水，积极扩展水面，疏通区内河道，建设自然积存、自然渗透、自然净化的生态城市，保障江宁区的可持续发展，促进江宁区的生态文明建设。

关键词：城市洪涝;新安江模型;排涝模数;南京市江宁区

中图分类号：TV122         文献标识码：A

文章编号：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

随着中国城市化进程的发展，许多城市下垫面条件发生改变[1]，城市暴雨成为中国城市面临的主要自然灾害之一，若暴雨强度超过城市管网的排泄能力，将会引发城市涝水威胁[2]，易造成城市交通、通讯、供水、供电等基础保障设施出现故障，导致直接或间接的经济损失。

国内外学者基于水文模型、城市雨洪模型等方法研究城市内涝问题[3-5]，通过建立合理的降雨径流模型，估算相应排涝模数，提出合理的排涝系统规模，指导城市防洪规划。降雨径流模型是进行排涝模数估算的基础，目前Stanford模型、Tank模型、Boughton模型、新安江模型、陆浑模型、SWAT模型等都是流域产流计算比较成熟的模型[6-8]。其中，新安江模型结构简单，物理概念明确，大多数参数具有明确的物理意义，易于与流域条件建立联系，模型具有普遍性，适用于湿润与半湿润地区[9]。朱求安等[10]、唐俊龙等[11]先后探讨了新安江模型在汉江江口流域、浙江白水坑水库等流域的适用性，结果表明新安江模型在中国绝大部分地区模拟效果良好。徐莎等[12]发现新安江模型在中国长江、淮河等湿润地区的模拟效果优于黄河、松花江等半湿润地区，尤其在最湿润的昌江流域可达甲等标准。

南京市江宁区多年平均降雨量为1 012.1 mm，屬于湿润地区，本研究利用新安江三水源模型进行产汇流计算，并将圩区分为农村圩区、城镇圩区和混合圩区计算2005、2010、2020年的设计排涝模数，细化《南京城市防洪规划文本》（2015）指出的江宁区排涝模数3.06 m3/（s·km2），为经济社会的发展和水资源一体化管理提供安全保障。

1  区域概况

江宁区位于江苏省的西南部，地处长江与沿海两大经济带交汇点，区域总面积1 573 km2，其中，低山丘陵岗地面积1 047 km2，平原圩区314 km2，江河湖泊等水面积212 km2。境内地势南北高而中间低，常态地貌有低山、丘陵、岗地、平原和盆地，区内地质构造十分复杂，褶皱和断裂构造形成于燕山期，以南京至湖熟断裂带为界，东北区发育一套较为完整的沉积岩系，西南区发育一套中生代火山岩系。

据多年的资料统计，江宁区多年平均降雨量为1 012.1 mm，丰水年高达2 015.2 mm（1991年），枯水年仅有479.8 mm（1978年），汛期雨量占全年总降水量的60%左右。多年平均气温为15.5 ℃，全年平均相对湿度76%，平均风速3.6 m/s。

2  计算方法

进行区域排涝计算时，需先通过历史观测资料选取典型降雨过程，并依据排涝规划推算出设计降水过程，随后进行区域产流估算，最后根据产流量计算区域最小排涝模数。

江宁区历次特大暴雨和水文过程中1991年主雨期降雨总量大，强度高，雨型恶劣，其降雨特性较为接近设计暴雨的条件。因此，选取江宁区1991年6月12日9时至6月13日9时作为典型暴雨过程。南京市江宁区排涝规划中要求推算出20年一遇（5%）设计点雨量，控制时段取1、3、6、24 h。根据统计资料，东山站具有1962—2005年短历时暴雨统计资料，雨量资料系列较长，因此选为计算设计暴雨过程的代表站，通过频率计算得出1、3、6、24 h典型雨量的缩放系数，将1991年6月12日9时至6月13日9时的暴雨过程缩放至20年一遇的设计暴雨过程。

区域产流根据新安江三水源模型进行估算。当流域面积较大时，根据流域下垫面的水文、地理情况将流域分为若干个单元面积，将每个单元面积预报的流量过程演算到流域出口，然后叠加起来即为整个流域的预报流量过程。单元面积水文模拟涉及：①产流采用蓄满产流概念。②蒸散发分为上层、下层和深层3层。③水源分为地表、壤中和地下径流3种。④汇流分为坡面、河网汇流两个阶段。根据江宁区下垫面条件，将平原划分为旱地及非耕地、水面、水田、城镇4种下垫面，产流结果为4种下垫面之和。

将圩区分为农村圩区、城镇圩区和混合圩区进行排涝计算。其中城镇面积比例小于15%的圩区按农村圩区计算，城镇面积比例大于60%的圩区按城镇圩区计算，其余圩区按混合圩区进行计算。

农村圩区排涝模数按照t日涝水T日排出来计算，圩内沟塘可调蓄水量可在T日后排出，计算公式如下：

M=0.011 6（Rt-kΔZ）/T   （1）

式中，M为圩区设计排涝模数[m3/（s·km2）];Rt为t日暴雨产生的涝水总量（mm）;T为排涝时间（d）;k为圩区可调蓄水面率;ΔZ为圩区内沟塘预降水深（mm）。

城镇圩区通过管道排水系统将地面径流排入河道，要求城镇圩区河道应将入流涝水及时排出，在排水设计标准下不积水。按照江宁区城市河道排涝要求，河道的排涝标准为排除20年一遇的暴雨产生的涝水。

混合圩区根据圩内城市化区域的面积和农村面积的比例，运用加权平均的思想，结合农村圩区与城镇圩区所计算的排涝模数，得出综合排涝模数。

M=？琢1M1+？琢2M2    （2）

式中，M为城乡混合圩区综合排涝模数[m3/（s·km2）];M1为城镇圩区排涝模数[m3/（s·km2）];M2为农村圩区排涝模数[m3/（s·km2）];？琢1、？琢2分别为城镇面积与农村面积百分比。

3  结果与分析

3.1  设计点雨量及时程分配

通过频率计算，东山站点雨量频率分布参数及20年一遇（5%）设计雨量结果见图1、表1。

统计东山站1、3、6、24 h的典型雨量，得出相应的缩放系数，见表2。根据缩放系数采用同频率方法进行缩放，将1991年6月12日9时至6月13日9时的暴雨过程缩放至20年一遇的设计暴雨过程，结果如图2所示，通过同频率法将东山站典型降水过程缩放至区域设计点雨量过程，基于该24 h降水过程进行区域产汇流计算。

3.2  产流计算

江宁区20年一遇24 h设计点雨量为178.3 mm，将平原区分成22个计算单元（圩区）（图3），根据各下垫面的特征及不同的产流规律，分别进行产流及坡面汇流计算，计算单元24 h设计暴雨的产流量，结果见表3，以秣陵联圩、石坝圩、向阳圩、禄口机场圩为例。由表3可知，隨着江宁区城镇化进程的持续，区域下垫面发生改变，主要体现在不透水路面增加、农田面积减少，使得各个圩区的产流量随时间均有所增大，因此需调整相应的排涝模数。

3.3  排涝计算

3.3.1  农村圩区排涝模数  江宁区20年一遇24 h设计点雨量为178.3 mm，按江宁区典型农业区产流模型计算得出20年一遇24 h暴雨的入河径流系数约为0.8，折算得出相应的径流深为R=142.6 mm。

江宁区是以农业为主的圩区，水稻、旱作物、经济作物为主要的农作物，根据社会经济发展的要求，计算过程中按20年一遇24 h暴雨涝水48 h排除，即公式（1）中t=1 d，T=2 d。式（1）是按自排考虑，若为机排，泵站每天开机时间按20 h计，再考虑泵站检修的需要，在按此式计算结果的基础上乘以1.3得到最终的结果。为了保证能及时腾空圩内调蓄库容，预防下一次暴雨洪涝，沟塘调蓄的涝水量须在3 d内全部排出圩区，使圩内河道恢复到雨前水位。按此要求，计算得到的农村圩区排涝模数不得低于0.89 m3/（s·km2）。若低于0.89 m3/（s·km2），按0.89 m3/（s·km2）计。对于不同的沟塘预降雨深和可调蓄水面率，可以计算出相应的农村圩区排涝模数，计算结果见表4。由表4可知，相同预降雨深下随着调蓄水面率的增加排涝模数逐渐降低，相同调蓄水面率下预降雨深越大则排涝模数越小。因此，各圩区需根据相应规划要求选取相应排涝模数，且均要大于最小排涝模数。

3.3.2  城镇排涝模数  根据20年一遇暴雨过程，以管道1年一遇排水能力为控制，按径流系数α=0.70进行产流计算，最小排涝模数不得小于24 h涝水24 h全部排出圩内河道的相应数值，即2.14 m3/（s·km2），因此，分析计算出的排涝模数若小于2.14 m3/（s·km2），则取2.14 m3/（s·km2），结果见表5。由表5可知，城镇圩区排涝模数与农村圩区有相似的变化规律，但城镇圩区排涝模数均大于农村，说明城镇化建设改变了天然径流排泄过程，城镇排涝是排涝规划的主要对象。

3.3.3  城鄉混合圩区排涝模数  江宁区各圩区排涝模数见表6。通过计算发现，2010年江宁区排涝模数均值为3.19 m3/（s·km2），略大于《南京城市防洪规划文本》（2015）指出的江宁区排涝模数3.06 m3/（s·km2），且各圩区排涝模数有所差异，其中向阳圩区达7.36 m3/（s·km2），金村圩区为0.86 m3/（s·km2）。说明影响圩区排涝模数最主要的因素是城市化程度和可调蓄水域面积，水面率大，则调蓄功能强，郑雄伟等[13]同样指出城镇圩区排涝模数与水面率、地面硬化率密切相关。城镇化建设对原有水域的开发在一定程度上削弱了水域对涝水的调蓄能力，直接导致了排涝动力的不足。

城市圩区产流需由管道汇流至河道内，受到了城市管道排水能力的限制，对排涝模数的影响主要体现在径流系数增大、汇流时间缩短、涝水损失增加3个方面。在制定规划排涝动力时，不要只考虑加大排涝泵站本身的排涝流量，更主要的是利用现有条件削减对圩区排涝的不利影响，充分利用城市绿地截留雨水，优先考虑更多利用自然力排水，结合水环境、水景观的要求，积极扩展水面，疏通区内河道等。构筑“排、渗、滞、蓄、用”相结合的排涝工程系统[14]，建设自然积存、自然渗透、自然净化的生态城市。并在此基础上，制定合理的排涝模数，把灾害损失减少到最低限度[15]，真正实现以科学、高效、和谐的现代排涝体系保障江宁区的可持续发展，促进江宁区的生态文明建设。

4  小结

本研究通过水文计算，分析了南京市江宁区各个圩区排涝模数，得到如下结论供参考。

1）城市排涝模数与下垫面条件、水面率密切相关，本次计算得到排涝模数基本符合《南京城市防洪规划文本》（2015）所提到的要求，更进一步细化了江宁区各个圩区的排涝模数，为江宁区生态城市发展提供了一定的参考。

2）现在防洪排涝体系不仅仅是一个保障人民生命财产安全的工程范畴，更是促进人与水和谐、人与自然和谐相处的人性范畴。规划时必须通过计算、分析和思考，确定适合本地区可持续发展的合理方案。

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