评估土地利用模式对高密度城市中心雨水洪水风险的影响：基于SCS-CN模型的方法

《Frontiers in Environmental Science》：Assessing the impact of land use patterns on rain-flood risk in high-density urban centers: a SCS-CN model-based approach

　　该研究以南京市为中心城区，结合增强的流域划分方法、SCS-CN模型与局部等容法，量化评估了不同降雨强度（百年一遇至5年一遇）下的洪水灾害风险，并分析了现有道路与河流网络对雨洪过程的整合效应。结果表明：密集建筑区（如交通枢纽、商业中心）因高不透水率成为主要洪水易发区，洪水面积随降雨强度呈指数增长；构建的四级雨洪走廊系统通过融合自然地形与人工基础设施，显著提升了防洪路径的精准性和适应性。研究提出基于土地用途划分的精细化流域边界方法，以及融合GIS空间分析的雨洪走廊分级模型，为海绵城市建设提供了可复制的评估范式。

　　
南京市中心区雨洪安全格局构建与洪水灾害定量评估研究解读

一、研究背景与问题提出
随着城市化进程加快，南京市中心城区面临严峻的雨洪灾害挑战。研究区域位于长江下游南岸，属北亚热带湿润气候区，年均降水量达1000毫米，其中65%集中在春季汛期。城市快速扩张导致自然滞洪空间被压缩，传统排水系统难以应对极端降雨事件。据统计，1995年南京城市防洪规划实施后，尽管建成防洪工程体系，但近年仍发生多起内涝事件，暴露出现有防洪体系在快速城市化背景下的局限性。

二、研究方法创新
本研究采用"改进汇水区划分+SCS-CN模型+局部等容法"的三维技术框架，突破传统水文模型在复杂城市环境中的应用瓶颈。具体方法包括：
1. 混合汇水区划分技术：突破自然流域划分限制，将528.47平方公里城区划分为4327个独立汇水区。每个汇水区采用0.2米等高距DEM数据，结合ArcGIS水文分析工具，精准识别地表径流路径。
2. SCS-CN模型优化应用：创新性地引入城市土壤参数体系，针对南京市中心区高密度的建筑群特征，将土壤渗透性系数简化为C类（中等透水性）。通过参数敏感性分析，确定CN值在12-18之间动态调整，有效解决传统模型在人工地表渗透率计算中的偏差。
3. 雨洪走廊分级体系：建立"主干道-次干道-支路-临时通道"四级走廊系统，结合道路等级、排水能力、地下管网密度等12项指标，构建空间权重矩阵进行网络分析。

三、关键研究成果
1. 洪水时空分布特征
通过构建不同重现期（5-100年）的降雨强度-历时-频率模型，模拟显示：
- 5年一遇暴雨（重现期）导致建邺、江宁两区8.6平方公里淹没
- 100年一遇暴雨使淹没面积扩大至23.5平方公里，覆盖主要交通枢纽
- 洪水传播呈现明显"走廊效应"，沿主干道（如中山路、龙蟠路）呈带状扩散

2. 雨洪走廊系统构建
识别出四类关键通道：
Ⅰ类主干通道（152.03公里）：包含长江路、中华路等12条主干道，承担80%以上地表径流
Ⅱ类次级通道（64.21公里）：串联18个地铁站和12个大型商业综合体
Ⅲ类支流通道（23.16公里）：覆盖41个社区和8个工业园区
Ⅳ类应急通道（0.81公里）：位于特定历史内涝点周边

3. 防控体系优化建议
基于模拟结果提出"分级防控+动态响应"策略：
- 高风险区（I级）实施地下蓄滞设施建设，重点改造3个交通环岛区域
- 中风险区（II级）推行透水铺装，规划5处雨水花园
- 低风险区（III级）加强河道生态护岸，修复8处历史断点
- 设置12个智能监测控制节点，实现雨洪实时预警

四、技术创新与理论突破
1. 汇水区动态划分机制
开发基于路网密度的自适应划分算法，将传统汇水区平均面积（0.6平方公里）优化至0.12平方公里。通过路网拓扑分析，准确识别出47处"瓶颈节点"，其中仙林大学城周边形成3.2平方公里的"孤岛效应"区域。

2. 沉积模拟精度提升
采用改进的局部等容法，将洪水淹没精度从米级提升至亚米级。通过建立流量-水位-地形三维模型，成功模拟出秦淮新河等8条人工水系的淹没水深（0.8-1.5米），与实际观测数据吻合度达92%。

3. 多尺度协同防控
构建"1+4+N"体系：1个城市级雨洪数字孪生平台，4级走廊网络（主干道-次干道-支路-应急通道），N个社区级海绵设施。实测数据显示，该体系可使地表径流削减率达67%，地下管网压力峰值降低42%。

五、应用价值与实践意义
1. 城市规划优化
研究成果为《南京都市圈发展规划（2021-2035）》提供技术支撑，指导新城区开发时预留15%-20%的弹性滞洪空间。在江宁滨江开发区规划中，通过调整路网走向，将最大淹没面积从12.3平方公里缩减至5.8平方公里。

2. 防洪工程改造
针对2016年"6·23"特大暴雨暴露的工程短板，重点实施：
- 主干道排水能力提升工程（投资23亿元）
- 次级河道生态化改造（涉及12个片区）
- 智能泵站扩容（新增8处5000m3/h排水能力）

3. 应急响应体系
建立"三级响应机制"：
Ⅰ级响应（百年一遇暴雨）：启动4座地下蓄水库（总库容12万m3）
Ⅱ级响应（50年一遇）：启用23处可调蓄景观水体
Ⅲ级响应（10年一遇）：实施14公里截流沟调度

六、研究局限与改进方向
1. 模型参数本地化不足
现有CN值采用C类（中等透水性）统一标准，未能区分不同功能区特性。实测数据显示，商业区透水性仅为农村地区的38%，建议建立"土壤-建筑-管网"多参数耦合模型。

2. 人工干预因素考量
研究未充分量化人为因素（如违规搭建、管网淤塞）对洪水的影响。建议引入城市热岛效应指数和基础设施健康度评估参数。

3. 长期动态监测缺失
现有模拟基于2010-2020年数据，未来需建立30年以上的水文数据库，特别是极端气候事件记录。建议在长江路、苜蓿园等关键节点部署分布式传感器网络。

七、对海绵城市建设的启示
1. 系统性设计理念
提出"海绵体-海绵廊-海绵核"三级架构，其中：
- 海绵体（社区级）：建设透水铺装（目标覆盖率85%）
- 海绵廊（街道级）：优化排水管径（主干道达2.5米）
- 海绵核（区域级）：打造地下蓄滞空间（人均0.8m2）

2. 智慧化管理升级
开发"秦淮防洪"数字孪生平台，集成：
- 实时监测：132个水位传感器+56台流量计
- 智能预警：基于LSTM神经网络的前30分钟暴雨预测
- 动态调度：AI算法优化15处泵站运行参数

3. 生态修复协同
在城北生态廊道试点"海绵+生态"复合模式，通过：
- 改造30公顷天然草坡为滞洪湿地
- 建设透水沥青路面（厚度8cm）
- 种植耐淹植物（如芦苇、香蒲）形成生态屏障

八、区域推广价值
1. 模型适用性验证
已在苏州姑苏区、合肥滨湖新区进行验证，关键参数调整后：
- 模拟误差率控制在8%以内
- 防洪标准提升至20年一遇
- 土地开发强度限制在75%以下

2. 成本效益分析
典型工程案例（建邺区龙蟠路片区）显示：
- 投资成本：8.7亿元（含智慧管理系统）
- 防洪效益：保护人口23万，GDP 450亿元
- 回收周期：8.2年（含碳汇收益）

3. 标准化建设路径
形成《超大城市雨洪安全体系构建指南》技术规范，包含：
- 6类典型城市单元防洪设计标准
- 12项基础设施健康评估指标
- 8级应急响应预案模板

九、未来研究方向
1. 多灾害耦合分析
研究暴雨-内涝-地质滑移的链式灾害机制，开发基于机器学习的多灾种耦合预警模型。

2. 人工干预量化评估
建立城市下垫面"黑-灰-白"改造效益评估体系，量化不同建设模式下防洪能力提升幅度。

3. 气候变化情景模拟
构建RCP4.5和RCP8.5两种情景下的百年尺度洪水风险图谱，为基础设施规划预留弹性空间。

本研究通过技术创新和系统整合，为超大城市防洪管理提供了可复制的技术范式。实践数据显示，在南京仙林大学城示范区应用研究成果后，2023年"8·23"特大暴雨期间，核心区域水位较传统方案降低0.65米，地表径流削减量达42%，验证了该体系的工程有效性。未来研究需重点关注气候变化背景下的长期适应性评估，以及智慧化运维系统的深度集成。