連達(dá)軍，蘇　群

(蘇州科技學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

基于流域特征的城市排澇體系分析評(píng)價(jià)
——以蘇州市高新區(qū)為例

連達(dá)軍，蘇群

(蘇州科技學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

摘要：選取蘇州市高新區(qū)作為研究區(qū)，基于流域和水文特征對(duì)城市排澇體系進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。借助ArcGIS10.1對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水文分析，得到該區(qū)域的自然流域邊界和水文特征專題圖，將其與研究區(qū)排澇管道分布圖以及生態(tài)綠地專題圖進(jìn)行疊置分析，對(duì)其排澇方式、排澇管道擬合度和河道生態(tài)緩沖帶寬度等評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定性分析和定量測(cè)算，得到以下主要結(jié)論：研究區(qū)排澇體系與自然地形自然銜接，通過設(shè)置排水閘站總體上可防止雨澇和山洪災(zāi)害；研究區(qū)西部的鎮(zhèn)湖、通安、東渚和滸關(guān)等鎮(zhèn)生態(tài)綠地覆蓋率、生態(tài)緩沖帶平均寬度和排澇河道擬合度均較高，可在汛期有效蓄水并引導(dǎo)雨水；北部地勢(shì)較高的滸墅關(guān)地區(qū)綠地則可分擔(dān)山洪壓力；楓橋和獅山兩鎮(zhèn)是蘇州高新區(qū)中心，綠地覆蓋率、生態(tài)緩沖帶寬度和排澇河道擬合度都較低，是汛期較易形成城市內(nèi)澇的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

關(guān)鍵詞：排澇體系；流域；水文特征；排澇河道擬合度；生態(tài)緩沖帶

我國(guó)城市化進(jìn)程帶來經(jīng)濟(jì)繁榮、百姓富足和國(guó)家整體形象提升的同時(shí)，也導(dǎo)致環(huán)境污染和氣候復(fù)雜化等負(fù)面效應(yīng)，各種形式的安全問題頻現(xiàn)，成為城市管理者和城市居民揮之不去的陰影。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)有超過六成的城市曾遭遇內(nèi)澇災(zāi)害，僅2011年7月就有14座城市出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，這折射出我國(guó)城市防洪排澇系統(tǒng)缺陷和防災(zāi)能力不足[1-2]。本研究以蘇州市高新區(qū)為研究區(qū)，首先借助ArcGIS10.1軟件進(jìn)行城市流域和水文特征提取，形成城市流域及其邊界；在此基礎(chǔ)上分析評(píng)價(jià)其城市排澇系統(tǒng)，最后根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)完善的措施建議。

1研究區(qū)概況

蘇州地處以太湖為中心的淺碟形平原底部，全市地勢(shì)低平，自西向東緩慢傾斜。屬北亞熱帶南緣濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖潮濕多雨。河網(wǎng)水系基本是以太湖為樞紐，通過望虞河北入江，運(yùn)河水量由西入望亭，南出平望，由黃浦江東泄入江，形成該市的三大水系，如圖1所示[3]。蘇州新區(qū)位于蘇州市區(qū)西部，河網(wǎng)密度為4 km/km2，水系對(duì)該區(qū)域防洪防澇起著非常重要的作用，規(guī)劃重點(diǎn)是解決太湖洪水、山區(qū)產(chǎn)生的山洪和本地雨水的出路，特別是低洼地段暴雨引起的澇水災(zāi)害問題。基于此根據(jù)不同片區(qū)的具體水系與地形情況，設(shè)計(jì)排澇方案，總體上采用自然設(shè)防為主，局部聯(lián)圩的防洪方式，局部低洼地區(qū)開發(fā)時(shí)采用填高處理，并充分發(fā)揮現(xiàn)有河道的排澇功能，汛期通過排澇閘站進(jìn)行抽排。

圖1　研究區(qū)概況

2研究方法

2.1基于ArcGIS的城市流域和水文特征提取

借助ArcGIS10.1軟件的水文分析功能提取城市流域，圖2是進(jìn)行城市流域提取的流程圖。

該流程以數(shù)字高程模型為數(shù)據(jù)源，主要包括流向計(jì)算、流量計(jì)算、河網(wǎng)分級(jí)與特征提取，以及盆域分析等環(huán)節(jié)，輸出參數(shù)主要有河網(wǎng)矢量圖層和盆域邊界圖層。圖2中填洼計(jì)算是為了消除DEM(digital elevation model)文件中的異值屬性，利用柵格計(jì)算器工具中的條件函數(shù)Con()過濾河網(wǎng)支線，便于進(jìn)行河網(wǎng)分級(jí)與提取。

圖2　基于ArcGIS的城市流域特征與邊界提取流程

2.2基于流域特征的城市排澇系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)

城市擴(kuò)張改變了傳統(tǒng)的土地利用方式，部分軟質(zhì)綠地正被水泥石板代替，導(dǎo)致汛期城市蓄水空間萎縮，地表徑流增加且匯流時(shí)間縮短；若能結(jié)合城市地貌，基于流域和水文特征構(gòu)建城市排澇體系，則可降低城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。因此，選取排澇方式、排澇河網(wǎng)與自然水系的擬合度，以及管線綠化緩沖帶與流域的重疊度作為現(xiàn)代城市排澇系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1)排澇方式城市排澇體系包括集水點(diǎn)、地下管網(wǎng)、河道和排澇閘站。若僅靠增加雨水提升泵站的方式進(jìn)行排澇，不僅降低雨水排除速度，也加大管網(wǎng)投資且水資源得不到很好蓄留。因此，系統(tǒng)規(guī)劃布設(shè)時(shí)就應(yīng)充分考慮流域、水文特征和自然地勢(shì)，將排澇體系與流域內(nèi)的河流、湖泊和濕地自然銜接；考慮到汛期軟質(zhì)地表土壤過濕等超飽和現(xiàn)象，還應(yīng)設(shè)置暗渠協(xié)助排水，總體形成集蓄水排水相結(jié)合的復(fù)合排水體系。

2)排澇管線與自然水系的擬合為防止人工排澇系統(tǒng)截彎取直、縮小河道斷面、變自然坡面為渠道式垂直砌石護(hù)坡的不合理改造，應(yīng)將人工管線與自然水系的平面擬合程度、截面相似度和表面粗糙比作為評(píng)價(jià)排澇體系的指標(biāo)。河網(wǎng)擬合度N可表示為

N=匯水線密度/常年河密度。

(1)

3)河道緩沖綠地寬度按照生態(tài)排澇體系建設(shè)目標(biāo)，應(yīng)在各級(jí)排水管線兩側(cè)設(shè)置一定的生態(tài)緩沖區(qū)域，以達(dá)到蓄水分洪的作用，因此，可將生態(tài)緩沖區(qū)寬度D作為排澇體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3　蘇州市自然流域邊界和水文特征

D=生態(tài)綠地面積/常年河總長(zhǎng)。

(2)

3結(jié)果與討論

3.1蘇州高新區(qū)流域特征分析

以蘇州市90 m分辨率DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按圖2所示方法對(duì)蘇州市區(qū)進(jìn)行水文分析，得到該市自然流域邊界和水文特征，結(jié)果見圖3。由圖可見，蘇州高新區(qū)位于蘇州市區(qū)幾大流域分水嶺之間，地勢(shì)較高，汛期不易受到外部水患的影響，但有山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，且該區(qū)內(nèi)部子流域特征不明顯。為此，基于5 m分辨率DEM對(duì)蘇州新區(qū)進(jìn)行水文分析，結(jié)果如圖4所示。從該區(qū)子流域邊界和水文特征分析結(jié)果可見，自然水系一部分向西流入太湖，另一部分則主要匯入?yún)^(qū)域南部較低地區(qū)；另外，區(qū)域南部子流域較多，汛期容易積水，可能產(chǎn)生內(nèi)澇災(zāi)害。

3.2基于流域和水文特征的城市排澇系統(tǒng)評(píng)價(jià)

蘇州市高新區(qū)排水體系與自然地形自然銜接，銜接處設(shè)置集水點(diǎn)和排水閘站(如圖4(a)所示)，北部地勢(shì)較高地區(qū)的排澇河網(wǎng)則可有效防止山洪災(zāi)害，這種排澇體系的分區(qū)布設(shè)方案有利于汛期排澇；通過局部填高方式雖可使建筑物免受洪水災(zāi)害影響，但該方式改變了研究區(qū)原始地形，子流域和水文特征相應(yīng)發(fā)生變化，汛期更容易增大局地徑流和匯流時(shí)間，其對(duì)區(qū)域內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響效應(yīng)與流域內(nèi)軟質(zhì)地表及排洪河道兩側(cè)生態(tài)緩沖區(qū)規(guī)劃設(shè)置相關(guān)。圖5是根據(jù)ArcGIS統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以及式(1)和式(2)計(jì)算結(jié)果繪制的研究區(qū)排澇體系部分評(píng)價(jià)指標(biāo)柱狀圖。

從圖4(b)自然水文與流域綠地之間空間關(guān)系和圖5中綠地覆蓋率可以看出，研究區(qū)西部的鎮(zhèn)湖、通安、東渚和滸關(guān)等鎮(zhèn)生態(tài)綠地分布集中，生態(tài)緩沖帶平均寬度約13～23 m，可在汛期有效蓄水以緩沖太湖洪水水位；北部地勢(shì)較高的滸墅關(guān)地區(qū)綠地則可分擔(dān)山洪壓力。上述鎮(zhèn)區(qū)排澇河道與匯水線的擬合度也比較高，汛期可以保證較好地引導(dǎo)雨水和山洪。楓橋和獅山兩鎮(zhèn)是蘇州高新區(qū)中心，綠地覆蓋率、生態(tài)緩沖帶寬度和排澇河道擬合度都較低，是汛期較易形成城市內(nèi)澇的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，也是重點(diǎn)防御內(nèi)澇災(zāi)害的對(duì)象。

圖4　排澇系統(tǒng)平面擬合度和流域綠地

圖5　排澇體系生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)空間分布柱狀圖

4結(jié)論

排澇系統(tǒng)是現(xiàn)代城市的生命線工程，作為防洪減災(zāi)的重要手段，在現(xiàn)代城市快速發(fā)展過程中發(fā)揮愈加顯著的作用?；贏rcGIS10.1軟件對(duì)DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析，得到蘇州市高新區(qū)的流域邊界和水文特征。將其與研究區(qū)排澇管道分布圖以及生態(tài)綠地專題圖進(jìn)行疊置分析，得到蘇州市高新區(qū)排澇系統(tǒng)總體上與流域和水文特征匹配，可為汛期內(nèi)澇和山洪災(zāi)害防御提供決策支持。但目前排澇方案中對(duì)局部低洼地區(qū)進(jìn)行填高處理方式可能改變自然流域和水文特征，并不是減緩洪澇災(zāi)害的有效手段，需要綜合其他方式發(fā)揮作用。另外本研究雖提及以人工河道和自然水系的截面相似度和表面粗糙比作為排澇系統(tǒng)分析的指標(biāo)，由于資料限制并沒有進(jìn)行定量測(cè)算和分析，應(yīng)作為進(jìn)一步研究的方向。本研究結(jié)果作為城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)工作，可為城市災(zāi)害應(yīng)急防御提供參考。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Analysis and Evaluation of Urban Drainage System Based on Watershed Characteristics:A Case Study of Suzhou Hi-tech District

LIAN Dajun,SU Qun

(School of Environmental Science and Engineering,Suzhou University of Science &Technology,Suzhou,Jiangsu 215009,China)

Abstract:Taking Suzhou Hi-tech District as the study area,this paper analyzed and evaluated urban drainage system based on watershed and hydrologic characteristics.The natural watershed boundary and hydrological characteristics were firstly achieved based on the hydrological analysis of the study area with the help of ArcGIS.Then an overlay analysis was made of its hydrological characteristics,drainage pipeline distribution and ecological green space,and the qualitative analysis and quantitative calculation were made of such evaluation indexes as drainage methods,drainage pipeline fitting degree and ecological buffer zone width of rivers.The main conclusions were finally made as follows.As the drainage system is reasonably converged with the topography of the study area,rain water-logging and mountain flood disasters can be prevented by setting up drainage sluice stations.In the western part of the study area such as Zhenhu town,Tongan town,Dongzhu town and Xuguan town where the ecological green coverage,the average width of ecological buffer belt and drainage channel fitting degree are higher,rain water can be effectively stored and guided during flood seasons.The greenbelt in Xushuguan town,located in the northern part of the study area with higher terrains,can share the pressure of mountian torrents.Fengqiao town and Shishan town,located at the center of Suzhou Hi-tech District with lower green coverage,ecological buffer belt width and drainage channel fitting degree,is the high-risk area where unban inland inundation often takes place during flood seans.

Key words:drainage system;watershed;hydrologic characteristics;drainage channel fitting degree;ecological buffer belt

收稿日期：2015-08-31

基金項(xiàng)目：2011年江蘇省政府留學(xué)基金項(xiàng)目(JS-2012-275)；住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項(xiàng)目(2013-R2-9)

作者簡(jiǎn)介：連達(dá)軍(1972—)，男，山西屯留人，副教授，博士，主要從事災(zāi)害監(jiān)測(cè)與空間信息決策分析研究. E-mail：ldjwwyx@126.com

中圖分類號(hào)：X43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3767(2016)01-0061-05