基于GIS 的贛州市宋代排水系統(tǒng)的數字化重現(xiàn)與新城區(qū)防澇強度評價研究

操海璐

（江西應用技術職業(yè)學院，江西 贛州 341000）

2021 年7 月份，河南發(fā)生歷史罕見的洪澇災害。河南省人民政府新聞辦公室8 月2 日下午舉行的新聞發(fā)布會通報，此次特大洪澇災害已致302 人遇難，50 人失蹤；全省共有150 個縣（市、區(qū)）、1663 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、1453.16 萬人受災；全省組織緊急避險93.38 萬人，轉移安置最高峰值147.08 萬人；倒塌房屋30616 戶、89001 間；農作物受災面積1635.6 萬畝，成災面積872.3 萬畝，絕收面積380.2萬畝；直接經濟損失約1337.15 億元。在重災區(qū)鄭州市，截至8 月1 日18 時，全市共遇難292 人，失蹤47 人[1]。這一歷史罕見的洪澇災害引起了社會的廣泛關注，筆者查閱了水利部發(fā)布的《中國水旱災害防御公報》，2009-2019年全國因洪澇受災人口年平均為10167.91 萬人，因洪澇死亡人口年平均為772 人，因洪澇直接經濟損失占當年GDP 的0.39%。這一個個數字的背后無不給城市防洪規(guī)劃敲響了警鐘。國家相繼出臺了《城鎮(zhèn)排水與污水處理條例》（國務院令641 號），頒布了國家標準《室外排水設計規(guī)范》（2014 修訂），水利部也發(fā)布了《城市防洪規(guī)劃編制大綱》（修訂稿）。各地的城市排水規(guī)劃、防洪規(guī)劃通常經過層層審批、專家論證，為什么還會出現(xiàn)如此嚴重的洪澇災害和城市內澇，值得我們研究。

在位于江西南部的贛州市章貢區(qū)，一江之隔的新舊城區(qū)出現(xiàn)了兩重天的不同局面，章江南岸的章江新城區(qū)經常內澇，而章江北岸的河套老城區(qū)卻有“千年不澇”之美譽。這引起了國內外學者的高度關注。

本文試圖采用GIS 技術將贛州老城區(qū)排水系統(tǒng)進行數字化重現(xiàn)。在對贛州老城區(qū)排水系統(tǒng)進行數字化重建的基礎上，對排水系統(tǒng)的防澇評價指標進行分析研究，并與章江新城區(qū)的雨水系統(tǒng)規(guī)劃進行分析比較，以指導章江新城區(qū)城市雨水防澇綜合規(guī)劃的修編。

1 贛州老城區(qū)排水系統(tǒng)——福壽溝的特點及其數字化重現(xiàn)

1.1 福壽溝概況

贛州市位于江西省南部。贛州市章貢區(qū)的河套老城區(qū)三面環(huán)水，章江、貢江兩條江繞城而過，在老城區(qū)的城北匯聚成贛江。贛州自西漢建城至宋的幾百年間屢遭洪澇侵襲。直到北宋熙寧年間（公元1068-1077 年），曾任北宋都水丞的劉彝出任贛州（宋稱虔州）知州，規(guī)劃并修建了城區(qū)36 條街道72 條小巷，同時根據老城區(qū)的地形特點，將老城區(qū)分為12 個集水排水區(qū)域，規(guī)劃建成了2 條主排水溝，才使贛州老城區(qū)免遭水患，至今已有近千年沒有發(fā)生過內澇，素有“千年不澇”之美譽。因為南北向的主排水溝形似篆體的“?！弊?，東西向的主排水溝形似篆體的“壽”字，民間將其稱為福壽溝[2]。福壽溝建成后，歷代水利專家學者都將其奉為城市排水系統(tǒng)的典范。

1.2 福壽溝的特點

1.2.1 結合地形、分區(qū)排放

“壽溝受城北之水，東南之水由福溝而出”，福溝自老城區(qū)的南門開始向北至八境路，壽溝自新贛南路至西門。福壽溝兩大主溝完成后，又陸續(xù)修建了大量的支溝，將老城區(qū)2.7 平方公里分成四個集水區(qū)，形成贛州城內“縱橫行曲，條貫井然”，主次分明、排蓄結合的排水網絡。

1.2.2 利用高差、自然排放

福壽溝的規(guī)劃設計充分尊重自然，根據地形的天然高差自然排放，順著溝渠從12 個出水口自然排放到章江、貢江河道，由于高差大，較少發(fā)生淤堵現(xiàn)象。

1.2.3 選材合理且斷面大

排水溝渠的斷面為矩形，選用磚石溝墻、條石蓋板的結構形式，在溝渠建造時還專門開辟了存放空間，存放了不少原有的磚石材料，以備后期的維修，為溝渠的后期維修提供了便利的條件。當年排水溝渠規(guī)劃設計的斷面尺寸很大，在現(xiàn)存的溝渠中，最大的寬1.0m，深1.6m；最小的寬、深各0.6m。

1.2.4 排水系統(tǒng)完善

贛州老城區(qū)宋代排水系統(tǒng)由福壽溝、蓄水池、城墻、壕溝、水窗五部分組成，構建起了蓄排結合的完善排水系統(tǒng)。

福壽溝與城內的幾十口池塘連通起來，組成了排水網絡中容量很大的蓄水庫，以調節(jié)暴雨流量，減少下水道溢流。一旦雨量大增，福壽溝里的水暴漲，溝里的水流入水塘進行調節(jié)。為了防止在雨季章、貢二江的江水上漲超過出水口，從而出現(xiàn)倒灌入城的情況，人們高筑城墻，還在出水口處建造了水窗12 個，“視水消漲而后閉之，水患頓息”。水窗設置在出水口處，坡度很陡，水進入水窗后會形成強大的水流沖開閘門排入江中，并且?guī)ё吣嗌骋约捌渌s物。水窗的設計充分體現(xiàn)了古人的智慧，完全達到了自動化啟閉的效果，至今尚在運行。其原理是，每當江水水位低于水窗時，即借溝道的水力將水窗沖開閘門進行排水；相反，當江水水位高于水窗時，則借江水之力將水窗關閉，城內的水順著福壽溝流向幾十口池塘，防止內澇。這一完善的系統(tǒng)設計，充分體現(xiàn)了古人尊重自然、順應自然、與水不爭的哲學思想。

1.3 福壽溝的數字化重現(xiàn)

本文用Mapgis 平臺，根據清同治年間的贛州市城區(qū)圖及福壽溝圖，根據其記載的福壽溝狀況結合實地調研情況，繪制了贛州市福壽溝數字圖，詳見圖1。

圖1 福壽溝數字化圖

在數字化復原的基礎上統(tǒng)計了贛州市老城區(qū)宋代排水系統(tǒng)的基礎數據如下：集水面積：2.7 平方公里；主溝長12.78km，排水溝平均斷面積1.4m2；次溝長44.56km，平均斷面積0.032m2；用于調蓄水的池塘79 口，容量11.06 萬m3；城墻8.126km；壕溝（護城河）3.78km，平均斷面積18.67m2；排水口（水窗）12 個。

2 贛州市老城區(qū)宋代排水系統(tǒng)及章江新城區(qū)雨水系統(tǒng)防澇性評價

2.1 指標的構建

根據Cutter 提出的VPM（vulnerability of place model）模型理論，其評價指標主要包括物理性指標和社會性指標，本文主要是分析宋代排水構筑物對現(xiàn)代排水系統(tǒng)規(guī)劃的借鑒意義，所以重點關注其物理性指標。龍浩等構建了城市雨水系統(tǒng)安全性評價模型[3]，本文在其安全性評價指標的基礎上根據贛州市老城區(qū)宋代排水系統(tǒng)的實際情況進行優(yōu)化，構建了下列9 個指標作為排水系統(tǒng)防澇強度的評價指標：（1）雨水口相對高差（ha）；（2）篦子間距（qa）；（3）管徑大小（da）；（4）單位集水面積管道容量（ra）；（5）管道坡度（ia）；（6）單位集水面積構筑物調蓄容量（ga）；（7）出水口設置（Oa）；（8）徑流系數（αa）；（9）應急設施（ja）。

2.2 確定指標權重

由于各個指標在排水系統(tǒng)中的防澇性作用不同，在進行評價前，對各評價指標進行權重測定。本研究采用層次分析法（AHP）測定了各指標的權重（w），見表1。

表1 排水系統(tǒng)防澇性評價指標權重值

2.3 防澇性評價模型

用德爾菲法（Delphi method）或直接計算法對上述防澇性評價指標在排水系統(tǒng)中的表征值進行賦值，結合權重值，構建排水系統(tǒng)防澇性評價的數學模型：

式中V 表示防澇強度。

2.4 防澇強度的判定

鑒于對城市排水系統(tǒng)影響最直接的指標是設計重現(xiàn)期P，本研究以重現(xiàn)期P 和防澇強度V 為基礎性指標，以積水深度和積水時間為表觀性指標，結合近年來我國城市內澇特點，制定城市雨水防澇性等級評價表，見表2。表2 中，根據計算出的P 值，可以得出不同降雨強度情況下，排水系統(tǒng)可能形成的積水深度和積水時間，并得出排水系統(tǒng)的防澇強度評價等級。

表2 城市排水系統(tǒng)防澇性評價

2.5 防澇性評價

根據上述數學模型，可以計算贛州市老城區(qū)宋代排水系統(tǒng)及章江新城區(qū)排水系統(tǒng)各指標要素的表征值及防澇強度，見表3。

表3 贛州市老城區(qū)宋代排水系統(tǒng)及章江新城區(qū)雨水系統(tǒng)防澇強度

經綜合評價，贛州市老城區(qū)宋代排水系統(tǒng)的防澇強度為0.926，章江新城區(qū)排水系統(tǒng)的防澇強度為0.479。贛州市老城區(qū)宋代排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性能“很好”，防澇強度“很高”；而章江新城區(qū)排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性能“差”，防澇強度“低”。由此詮釋了贛州市老城區(qū)“千年不澇”之謎，而一江之隔的章江新區(qū)經常出現(xiàn)內澇的現(xiàn)象。

3 新城區(qū)城市排水系統(tǒng)規(guī)劃修編的建議

為提高新城區(qū)排水系統(tǒng)的防澇強度，建議從下列幾個方面對現(xiàn)有排水系統(tǒng)規(guī)劃進行優(yōu)化。

3.1 提高重現(xiàn)期

目前，章江新城區(qū)排水系統(tǒng)的設計重現(xiàn)期為1 年，這個標準顯然太低了，1 年的重現(xiàn)期幾乎是“不設防”。建議將重現(xiàn)期提高到20 年，重新計算管網密度和管網斷面，對現(xiàn)有規(guī)劃進行大的修編。

3.2 合理使用管道材料

管道材料的合理選取，能夠保證城市排水系統(tǒng)可持續(xù)運行?，F(xiàn)在大部分城市的排水管網幾乎都采用鋼筋混凝土預制管涵，鋼筋混凝土預制管涵較易腐蝕，耐用年限和經濟壽命都遠遠低于磚石結構，鋼筋混凝土預制管涵只能更換不能維修，經常出現(xiàn)“爆管”的現(xiàn)象。建議新城區(qū)的排水溝渠管網全部采用磚石結構，雖然造價相對較高，但可保長治久安。

3.3 合理確定斷面形式

目前，贛州市章江新城區(qū)排水主管的管徑為1000mm，支管的管徑為150-400mm，管徑太小不利于雨水的收集排放，建議改為磚石結構的矩形斷面形式，并加大斷面面積。

3.4 合理使用鋪裝材料

贛州市章江新城區(qū)在建設過程中，大量用混凝土結構覆蓋地面，導致地面透水率降低，加大了城市的雨水徑流系數，使得城市排水系統(tǒng)的壓力加大。建議根據海綿城市的要求合理使用道路鋪裝材料，在人行道、非機動車道、城市廣場等低負荷地面用透水率大、徑流系數小的材料鋪裝或進行綠化。

3.5 根據地形分區(qū)規(guī)劃

章江新城區(qū)面積18.33 平方公里，共設置了6 個分水區(qū)，而老城區(qū)只有2.7 平方公里，設置了4 個分水區(qū)，章江新城區(qū)的分水區(qū)顯然偏少。所以，章江新城區(qū)排水系統(tǒng)應當根據地形情況增加集水排水分區(qū)。

3.6 增加出水口

章江新城區(qū)的集水面積達18.33 平方公里，僅設置4個出水口，而老城區(qū)只有2.7 平方公里，卻建有12 個出水口，有必要增加新區(qū)的出水口，以減低現(xiàn)有出水口的排放強度。

3.7 加強蓄排結合

老城區(qū)宋代福壽溝能做到洪水不澇，其城內大小79口池塘起到了蓄排結合的作用。章江新城區(qū)雖然建設了一個湖區(qū)面積600 余畝的中央生態(tài)公園，但大部分排水溝渠沒有與其連通，而且容量有限，對洪水的調蓄能力不足。參照福壽溝的設計理念，建議在每個集水排水分區(qū)增加用于調蓄的池塘，而且接入排水管網，重現(xiàn)福壽溝蓄排結合的生態(tài)系統(tǒng)。