基于GIS的臺州臨海暴雨內澇模型研究

張弛+潘少華+吳穎暉+金凌鵬+王杰

摘要：該文基于筆者參與的國網浙江省電力公司科技項目，以基于GIS的臺州臨海暴雨內澇模型為研究對象，論文首先分析了暴雨內澇成因，進而基于GIS構建了內澇仿真模型和內澇模型，以供相關人士參考與借鑒。

關鍵詞：暴雨 內澇模型 仿真模型

1世紀被稱為城市的世紀，聯合國前任秘書長加利在談到城市的地位時曾說：“在未來社會里，城市特別占主導地位，城市的未來不僅決定了各國的前途，而且將決定整個地球的命運”。城市作為人類文明的標志和社會經濟發展的載體，是人口、經濟和社會發展的重要區域和集聚中心，同時也是自然災害易發和頻發區域，特別是隨著氣候變暖和城市化進程的加快，洪澇災害已成為影響世界各國城市安全和經濟社會發展的主要自然災害，且頻度和強度不斷加強。從2000年至今，日本首都東京、捷克首都布拉格、美國新奧爾良市、澳大利亞羅克漢普頓市、泰國首都曼谷、越南峴港市、印度首都新德里等城市均發生了嚴重的洪澇災害，損失巨大。中國城市雖然與洪澇災害有4 000多年的斗爭史，但在洪澇災害面前，人類依然顯得渺小，僅1998年洪澇災害就造成3 000人喪生，1 500萬人無家可歸，并造成了200億美元的經濟損失。近幾年，洪澇災害極大地束縛了我國城市的正常運轉，并有愈演愈烈之勢，特別是2011—2016年，北京、上海、武漢、成都、杭州、南京、重慶、大連等大城市輪番上演暴雨淹城的景象，給居民的生活及城市形象帶來嚴重的影響，“逢暴雨必澇”已成為中國城市的真實寫照。因此，城市洪澇災害已成為各國媒體與公眾關注的熱點，而預防與減少洪澇災害則成為各國政府與學者研究的重點課題。本文選擇浙江臺州臨海市，應用GIS技術，開展了暴雨內澇模型構建研究。

1 研究區域概況

試點區域選擇在臺州臨海市，為浙江省臺州市代管縣級市（如圖1）。

2 城市暴雨內澇成因分析

城市暴雨內澇其實質是由于暴雨徑流不能及時排走而引起城市局部地面受淹，是由多種自然因素和人為因素共同作用而形成的，兼有自然災害與人文災害的雙重性質。一般來說，主要有以下幾方面的因素。

2.1 氣候變暖對降雨的影響

氣候變暖對生態系統的影響是多方面的，其中最重要的一條就是加速水循環過程，而水循環速度加快將導致暴雨增多。2007年由包括英國氣象局哈德利中心在內的多個國家氣候研究部門共同完成，并在《since》雜志上發表的一篇文章指出，人為因素造成的全球變暖是導致2007年夏季北半球部分地區暴雨成災的罪魁禍首，這項研究首次證實了降雨量增加與全球氣候變暖有關。由于人類活動導致大氣中溫室氣體含量增加，產生了溫室效應，同時，大氣中含水量增加，雨強增大，大雨、暴雨的發生概率呈抬頭之勢。另外，城市熱島效應也有利于增強城市空氣的對流，增加空氣中水汽含量，水汽含量增加、足夠的凝結核、空氣對流強度增大這三大要素導致城市暴雨強度加大。

2.2 城市不透水面積對雨洪徑流的影響

目前，我國正處于一個經濟快速發展的時期，到處可見拔地而起、鱗次櫛比的高樓大廈，城市道路也在不斷地延長、拓寬，而作為城市主要透水區域的綠地面積則被逐步蠶食，從而使城市下墊面不透水面積比例不斷增加，而不透水面積增加的直接水文效應表現為徑流系數的增大和水文過程的尖瘦化。據統計，上海市1948—2002年新增城市建設用地4萬hm2，隨著建成區面積的增加，上海城區地面綜合徑流系數由1950年的0.53變為2001年的0.71，徑流系數增加了34%，即在相同的匯水區域內，相同降雨場次的雨水徑流總量將提高34%，大大加重了城市雨水排放系統的流量負荷。

同時，城市不透水面積比例的增加也提高了雨水匯流的水力效率，再加上原有的天然河道也往往被裁彎取直，其總長度及河網密度均有明顯下降，堤岸也大都被人為硬化，使雨水徑流在排放過程中流速增大，暴雨峰值提前，從而增加了城市暴雨內澇形成的概率。

2.3 城市雨水管網排水標準低

目前，我國城市采用的市政排水系統標準偏低，GB 50014-2006《室外排水設計規范》規定“一般地區，重現期一般采用0.5～3年；重要干道、重要地區或短期積水即能引起較嚴重后果的地區，一般采用3～5年”。但在實際設計中，大多數城市的排水標準重現期多選取下限，如，北京、上海、廣州大部分地區的排水標準為1年一遇，重點地區或特別重要地區為3～5年一遇，與國外城市普遍采用的2～5年一遇的排水標準相比，我國城市的排水標準偏低，而且一些老城區的市政排水系統已經使用幾十年，部分管道老化破損，甚至堵塞，致使整個排水系統排水能力低下，是導致城市暴雨內澇的一個重要原因。

2.4 城市排水系統“雨污混接”現象普遍存在

目前，我國很多城市的排水系統形成了合流制、分流制并存的混合排水體制，新建區域多采用分流制排水系統。然而，由于我國城市排水系統的建設滯后于城市發展，部分城市排水系統執法監管不到位等原因，污水管道被人為接入或誤接入雨水管網，實際上很多城市的分流制排水系統并未形成真正的分流制，雨污混接現象普遍存在。“雨污混接”使城市污水未經處理就通過雨水排放系統直接排入受納水體，污染城市水環境；同時，還由于“污”走“雨”路，污水占據了部分雨水的排放空間，在一定程度上削減了雨水排放系統的排洪能力。

2.5 城市地面沉降日趨嚴重

隨著社會經濟的發展和城市人口的激增，城市用水量也隨之迅猛增長，再加上地表水資源的匱乏，一些城市不得不大量超采地下水資源以滿足工農業生產以及居民生活用水的需求，導致部分區域地下水位下降嚴重。據我國水利部《2008年中國水資源公報》的數據顯示，截止2008年底，我國平原區地下水位降落漏斗數量共計81個，漏斗總面積7萬km2，且地下水位降落量、漏斗區個數及面積均呈現逐年增加的趨勢。地下水位的下降導致了諸如天津、上海、杭州、滄州等幾十座城市出現了不同程度的地面沉降、塌陷等。地面沉降進一步加劇了城市內澇災情。

2.6 城市排水管理體制不健全

城市排水管理是一個復雜而龐大的系統工程，涉及規劃、城建、市政（給排水）、環境、水利等多個部門和專業，然而，各部門、各專業之間長期各自為政、各行其是，缺乏必要的溝通與合作，是我國城市暴雨內澇的一個間接原因。我國的城市排水管理體制歷經多次變遷，從建國初期的塊狀管理到80年代的規劃、建設分離，過渡到90年代興起的規劃、建設、管理分離模式。

90年代后期興起城市水務一體化管理后，城市給排水基礎設施管理模式更加復雜。城市內部的河道管理也相當復雜，如，有些地區采用了建國初期形成的塊狀管理模式，城市內部水系歸城建部門管理，有些地區則由水利、水務部門實施對河道的管護。城市河道、城市內部排水基礎設施是城市排水系統的重要組成部分，管理過程中，針對復雜的管理模式，需要協調不同部門，這就有可能導致排澇泵站收集不到雨水，而雨水排不出去。同時，由于城市暴雨洪水預見期短，暴雨預測技術、預測網尚不完備，再加上部分城市缺乏城市暴雨洪水預案，這就可能導致城市災害應急管理措施不及時。

3 基于GIS的臺州臨海暴雨內澇模型構建

3.1 數據準備

（1）DEM（數字高程模型）數據。臺州臨海高分辨率DEM數據，1∶500比例尺的DEM數據。數據時效性要求為最新數據，不早于2014年。

（2）地形圖數據。臺州臨海1∶500全要素地形圖數據，房屋數據需要構面數據。

（3）暴雨公式。暴雨公式及其參數。

（4）土地利用類型數據。臺州臨海土地利用類型數據（構面數據），如，屋頂、路面、綠地和水系等。

（5）排水管網數據。臺州臨海排水管網數據：①排水管網的雨水管網數據。分為雨水管點和管線，包括平面坐標、地面高程、埋深、水流方向、材質、斷面尺寸，檢查井的類型、井深、斷面尺寸。排水管線需要做接邊處理，并且沒有重復的管線以及獨立的管線。②泵站的分布與排水能力。在模型計算中，考慮泵站的排水對管網中水流分布的影響。

3.2 城市內澇風險分析

（1）內澇風險區域確定。城市低洼地形處可能產生積水的最大區域是城市內澇的風險區域。在地形分析中，此類地形稱之為洼地。基于DEM，設計洼地檢測算法，確定城市易積澇區域，準確提取出洼地的范圍和出口等特征信息。

（2）內澇風險分析。根據臺州臨海的地形數據，采用一定的算法確定水流方向，就可以確定整個城市區域地表的雨水運動過程，進而獲得每一個低洼區域的上游匯水區域的面積，亦即水流累積值。上游匯水面積越大，降雨期間來自上游的水流累積量就越大，那么對應的低洼地形發生積水的風險也就越大。

（3）分析內澇風險時需要涉及的問題包括：①所依據的地形范圍。②風險的承載對象。③最大積水深度。④水流累積值。首先要找到城市所在的流域，確定其范圍，只有在合理的地形范圍內才能得到符合實際的分析結果。其次，要確定風險承載的對象及其可承受的最大積水深度，不同的風險承載對象對水深的敏感程度存在較大差異，比如行人可忍受的積水深度小于車輛，在給定風險承載對象的前提下分析內澇風險才有實際意義。然后，計算每一個低洼地形的最大積水深度，當其低于風險承載對象可承受的最大積水深度時可以認為這個低洼地形的內澇風險較小；當其大誑沙惺艿淖畬蠡疃仁痹蛉銜玫匭蔚哪誒苑縵戰洗蟆W詈？對于前述分析中有較大內澇風險的低洼地形計算水流累積值，并依據水流累積值和地形數據給出量化的風險值。

3.3 內澇仿真模型構建

強降雨是引發城市內澇的主要致災因子。在強降雨發生時，排水能力不足的局部區域會形成地表積水，亦即城市內澇現象。建立城市內澇模型，實質上就是模擬雨水從大氣層到達地表后，沿地表形成徑流，最后經由排水管網輸送到受納水體的全過程。

這個過程可以分解為4個子過程，即降雨過程、產流過程、地表匯流過程、管網匯流過程。與之相對應的，是城市內澇模型的4個子模型：降雨模型、產流模型、地表匯流模型、管網匯流。

雨水運動的全過程如圖2所示。A為時空分布有差異的降雨過程，對應降雨模型；B為雨水在地表的產流過程，對應產流模型；C為雨水徑流匯集到雨水口的過程，對應地表匯流模型；D為排水管網的將雨水輸送到受納水體的過程，對應管網匯流模型。

3.4 暴雨內澇模型構建

該文所采用的城市社區內澇模型是集降雨模型、產匯流模型、數學計算模型和GIS空間分析模型為一體的綜合模型。其中，降雨模型、產匯流模型是整個內澇模型的基礎，數學計算模型和GIS空間分析模型是整個模型的核心。數學計算模型提供了數值方面的運算和算法的實現，GIS空間分析模型提供了GIS柵格空間分析方法和模擬過程的顯示，如圖3所示。

（1）降雨模型。為了保證計算的精度，暴雨強度公式由臺州市氣象局提供。在沒有降雨資料或者資料不充分的研究區域，一般采用平均降雨強度表示一場降雨，認為降雨過程中降雨強度是不變的。采用這種處理方式形成的洪峰徑流量可能比平均強度相同且強度隨時間變化的暴雨形成的洪峰徑流量要小，尤其是當雨峰在降雨歷時的末端時。在實際的降雨過程中，開始時降雨強度較小，隨時間增加而逐漸變大，然后又變小直到雨停。針對此種情況，該模型中選取了單峰雨型中的芝加哥暴雨過程線進行相應的演算。

（2）產流模型。用于產流計算的方法主要有徑流系數法、超滲產流法、蓄滿產流法和SCS徑流曲線法。在城市區域短歷時暴雨過程中，與形成地表徑流的雨水量相比，植被吸收、蒸發和下滲所損失的雨水量可以忽略。據此，產流模型采用徑流系數法。

（3）地表匯流模型。地表匯流模型描述了雨水徑流產生后如何在地表運動，并最終通過雨水口進入排水管網的過程。模擬雨水口匯水區的地表匯流過程的模型有水力學模型和水文學模型兩類。水力學模型在分析影響匯流過程的物理因素的基礎上采用一定的數學模型來表達地表匯流過程的物理規律。水文學模型則不關心地表匯流過程自身的特性或控制其的物理規律，將研究區域視為一個系統，其目的是建立輸入輸出關系，模擬過去和預測未來，關注的是系統的功能。

（4）管網匯流模型。當模型計算精度要求較高時，需要提供管道的初始條件和邊界條件，采用動力波模型模擬雨水徑流在管道的流動，計算能力滿足要求時采用Preissman隱式差分對整個排水管網進行同步解算；而計算精度要求一般時可以采用馬斯京根法計算管道的流量過程，采用空間上依次解算的方式從上游往下游逐步對整個排水管網進行求解。

4 結語

城市暴雨內澇模型是一個復雜的系統工程，涉及災害學、風險學、地理學、環境學和社會學等多個學科的理論與方法。該文只是從對城市暴雨內澇的理論、方法和實證做了有益的探索，相對于該研究領域科學理論的拓展和現實問題的解決還僅僅是一個開端。

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