基于GIS 的贛州市宋代排水系統的數字化重現與新城區防澇強度評價研究

操海璐

（江西應用技術職業學院，江西 贛州 341000）

2021 年7 月份，河南發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）、1663 個鄉鎮、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劃敲響了警鐘。國家相繼出臺了《城鎮排水與污水處理條例》（國務院令641 號），頒布了國家標準《室外排水設計規范》（2014 修訂），水利部也發布了《城市防洪規劃編制大綱》（修訂稿）。各地的城市排水規劃、防洪規劃通常經過層層審批、專家論證，為什么還會出現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，一江之隔的新舊城區出現了兩重天的不同局面，章江南岸的章江新城區經常內澇，而章江北岸的河套老城區卻有“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 技術將贛州老城區排水系統進行數字化重現。在對贛州老城區排水系統進行數字化重建的基礎上，對排水系統的防澇評價指標進行分析研究，并與章江新城區的雨水系統規劃進行分析比較，以指導章江新城區城市雨水防澇綜合規劃的修編。

1 贛州老城區排水系統——福壽溝的特點及其數字化重現

1.1 福壽溝概況

贛州市位于江西省南部。贛州市章貢區的河套老城區三面環水，章江、貢江兩條江繞城而過，在老城區的城北匯聚成贛江。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，規劃并修建了城區36 條街道72 條小巷，同時根據老城區的地形特點，將老城區分為12 個集水排水區域，規劃建成了2 條主排水溝，才使贛州老城區免遭水患，至今已有近千年沒有發生過內澇，素有“千年不澇”之美譽。因為南北向的主排水溝形似篆體的“?！弊郑瑬|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的典范。

1.2 福壽溝的特點

1.2.1 結合地形、分區排放

“壽溝受城北之水，東南之水由福溝而出”，福溝自老城區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，又陸續修建了大量的支溝，將老城區2.7 平方公里分成四個集水區，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，較少發生淤堵現象。

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。當年排水溝渠規劃設計的斷面尺寸很大，在現存的溝渠中，最大的寬1.0m，深1.6m；最小的寬、深各0.6m。

1.2.4 排水系統完善

贛州老城區宋代排水系統由福壽溝、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。

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。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，并且帶走泥沙以及其他雜物。水窗的設計充分體現了古人的智慧，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。這一完善的系統設計，充分體現了古人尊重自然、順應自然、與水不爭的哲學思想。

1.3 福壽溝的數字化重現

本文用Mapgis 平臺，根據清同治年間的贛州市城區圖及福壽溝圖，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計了贛州市老城區宋代排水系統的基礎數據如下：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 贛州市老城區宋代排水系統及章江新城區雨水系統防澇性評價

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代排水系統規劃的借鑒意義，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宋代排水系統的實際情況進行優化，構建了下列9 個指標作為排水系統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中的表征值進行賦值，結合權重值，構建排水系統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影響最直接的指標是設計重現期P，本研究以重現期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，排水系統可能形成的積水深度和積水時間，并得出排水系統的防澇強度評價等級。

表2 城市排水系統防澇性評價

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宋代排水系統及章江新城區排水系統各指標要素的表征值及防澇強度，見表3。

表3 贛州市老城區宋代排水系統及章江新城區雨水系統防澇強度

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

3 新城區城市排水系統規劃修編的建議

為提高新城區排水系統的防澇強度，建議從下列幾個方面對現有排水系統規劃進行優化。

3.1 提高重現期

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

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可持續運行?，F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“爆管”的現象。建議新城區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 根據地形分區規劃

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

3.6 增加出水口

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

3.7 加強蓄排結合

老城區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。章江新城區雖然建設了一個湖區面積600 余畝的中央生態公園，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增加用于調蓄的池塘，而且接入排水管網，重現福壽溝蓄排結合的生態系統。