基于GIS技術的漯河城市不同用地類型產流及淹沒風險分析?

白 天 吳雅文 金牧青 宋培豪 田國行

河南農業大學林學院 鄭州 450002

城鎮化使城市下墊面自然地貌被大量人工景觀取代，城市不透水地表增加，降低了城市的雨水截留和入滲能力[1]；雨洪災害已成為中國面臨最為突出的城市災害之一[2-3]。降雨機制的變化導致城市地區更易受到歷時短、強降雨的侵襲[4]，引起不同于地區洪水災害的城市內澇，其突發性和短時破壞力[5]，往往造成災難性后果。城市內澇年均經濟損失約占全國總產值3.5%，并有大量人員傷亡[6]。城市時空格局改變導致城市用地類型和性質的差異，是引起城市局部及周圍環境雨洪災害發生的因素之一。從城市土地利用的角度研究暴雨產流和積水過程能反映城市雨洪的時空分布特征[7]；借助GIS和RS模擬為城市規劃提供依據[8]，為防洪預警起到積極預先準備、預先評價、預先決策等作用。

1 研究區概況

漯河市年均降水量為804.3 mm，其中夏季428.6 mm。1956—2006年夏季降水量年均增加7.8 mm[9]。由于漯河地區夏季積狀云和積層混合云雨日增多，加之局部地區雷暴引發暴雨，降水集中在5—9月[9]。1949—1999年漯河發生澇災41次，平均1.2年發生1次[10-11]。城區地勢東北高、東南低，暴雨常因排泄不及時而造成水患，城市東南的召陵、鄧襄地區災害嚴重。城市中心積水點2014年23個，2016重新劃分為25個，2010年7月17日市區降雨2 h達187 mm，為近10年來之最[12]，2013年8月24日市區降雨1 h高達90 mm，2016年6月23日和7月19日市區降雨超過50 mm。城市暴雨造成大量積水，影響交通安全和居民活動、漂浮污染物擴散和水源二次污染。

2 研究數據與方法

2.1 研究數據

采用Trimble UX5 HP無人機航拍，進行融合拼接、地理配準、幾何糾正處理，獲得分辨率為0.09 m影像，覆蓋范圍為漯河市城區158 km2，獲取時間為2016年3月13—22日，可有效獲取城市用地等關鍵信息。

2.2 研究方法

2.2.1 用地信息和類型劃分

利用ArcGIS 10.2對航拍影像預處理以滿足土地利用分類精度要求。通過目視解譯和實地調查反饋完成分類處理，將研究區土地利用類型[13-14]分為2大類、7個類型:一是滲透地表，包括城市綠地(綠化用地，公園綠地，草坪及林地)、水域(城市水系，濕地，洼地)、農業用地 (農田，果園，苗圃)、未利用土地 (裸露土地，施工場地)；二是不滲透地表，包括道路用地(車行道路、人行道路)、建筑用地(居住區、工業區、商業區建筑用地)、公共管理用地(鋪裝廣場，停車場)。

2.2.2 產流和積水計算

SCS-CN是由美國農業部開發的降雨-產流水文模型[14]，在各國研究中廣泛應用[15]。為了精確地模擬城市水文，美國環保署提供了城市區域土地利用CN值表[15-16]反映城市的產流特性。國內外學者借助該模型從不同空間尺度開展了系列研究[17-19]，均得到良好反饋。通過漯河區域土層樣本的滲透系數與 SCS-CN 模型[14，16，20-21]擬合徑流曲線CN值，建立城市徑流模型:

(1)式中，Q:徑流量；P:降雨量；S:飽和儲水量。

城市管網是城市排水的重要途徑，依據 《室外排水規范》 (GB2014)、漯河市總體規劃(2009-2030)及漯河市徑流總控制率，設計漯河市室外排水量為35 mm/h，研究模型設定排水管網空間分布一致[22]，暴雨積水量公式為:

(2)式中，W:積水量；Q:徑流量；V:管網排水量；S:積水面積。

2.2.3 積水模型

采用ArcGIS10.2將點云數據轉換為數字高程DEM，提取洼地信息。城市建筑對研究區地表高程影響較大[23]，因建筑高程柵格數據缺乏，本次研究參考漯河市 《城市規劃管理技術規定》，將城市建筑高程統一設為24 m，其余地塊采用DEM高程[23]。城市雨洪直接原因是降雨，可視為無源淹沒，低洼處都可能積水，所以低于淹沒高程水位的區域視為淹沒區。研究采用GIS柵格法、1 m×1 m單元計算城市積水量，基于DEM匯水區模擬淹沒面積和淹沒深度[24-26]。

3 結果與分析

3.1 用地類型分析

分類圖像精度為1 m，包括滲透地表和不滲透地表2大類、7個土地利用類型 (＃11-23)(表1)。本文結合SCS-CN模型和土壤滲透隨機樣本調查，得到城市區域各類型土地所對應的CN值表(表1)和土地利用為類型C型[27-28]。

表1 漯河土地利用/覆蓋SCS模型CN值

3.2 漯河市城市徑流及積水量分析

根據研究區的區位條件，本次研究選取了T2、 T5、 T10、 T20、T30、 T50、T100重現期和 2010年7月17日近10年最大降雨93.5 mm(Tmax)共8個降雨強度，以1 h降雨時長作為基礎數據，結合修正SCS模型對漯河用地類型產流、淹沒風險進行模擬研究，并計算積水量[18-19]。

設漯河市暴雨積水處于相對靜止，不考慮地面徑流的流速影響[22]。由表2可知，降雨強度隨重現期的增加而加強，T100降雨強度低于2010年93.5 mm/h的最大降雨量，區域極端天氣的頻率和強度與日俱增。模擬結果 (表2)，徑流量和積水總量隨降雨強度的增加而增加，而徑流減少量比例減少反映了城市可滲透土地面積的減少，從而降低了城市表面的滲透能力，這也是引起城市局部大量積水的主要原因之一。

3.3 城市暴雨內澇情景模擬

提取研究區數字高程DEM，將暴雨淹沒區看作無源淹沒狀態[18，22]，采用ArcGIS 10.2計算淹沒高程、淹沒面積、淹沒比例和最大深度 (表3)。

表2 不同重現期產流和積水總量

表3 不同重現期淹沒深度和面積

8個情景的淹沒高程接近該區域平均海拔69.65 m，平均淹沒比例接近49.31%。漯河市東北高，東南低，最大高程差達29.3 m，最大坡度差為0.2%；城市中心，沙澧河以北積水較少、以南積水多，東南部召陵、鄧襄模擬結果積水嚴重，最大積水深度 T2最低6.92 m、Tmax最高8.99 m(圖3)；T2時，已出現大面積淹沒區域，應為防災避險的重要區域。結合漯河市歷史報告，城市東部和東南部的召陵，鄧襄是雨洪災害頻發地帶與模擬情景吻合[29]。

淹沒深度和面積隨重現期增加而增長，增長量由快及緩，T10是重要拐點，積水深度和面積增加速率減緩，在58 mm/h降雨量條件下 (表2，表3)，淹沒面積達55.15%，危害性極大，城市應對強降雨災害的能力不足。漯河城市中心對于10年一遇暴雨內澇災害是安全的，隨著暴雨強度增加淹沒面積增加，但城市周圍暴雨災害嚴重(圖 1)。

農業用地淹沒面積最大、增長最快；其次是建筑用地和道路用地，未利用土地和城市綠地受災面積較小，而城市水域受到暴雨影響最小 (表4)。

表4 漯河各類用地淹沒面積比例

3.4 城市暴雨內澇分級

將淹沒深度分為5個等級:0～0.5 m(低風險)， 0.5～1 m(較低風險)， 1～1.5 m(中風險)，1.5～2.5 m(較高風險)，≥2.5 m(高風險)，繪制淹沒深度圖[22，30](圖2)。通過不同等級劃分能明確城市防洪規劃區域，加強局部-鄰里、社區詳細規劃，合理安排雨水網絡和綠地，劃分可滲與可排，提高城市雨水資源循環利用的能力。

4 結論與討論

1)研究區產流量、積水深度和面積隨暴雨強度增強而增加。T10為重要拐點，綜合產流量20.78 mm/h，淹沒面積達55.15%，T2-T10淹沒面積增長率大于T10-Tmax，T10降雨強度58 mm/h是積水面積的突增點、城市防災避險的關鍵；該時期淹沒范圍主要是城市東南農田，暴雨災害表現出初期沖刷現象 (圖1)[31]，伴隨大量污染物。由此可知，城市區域暴雨不僅影響城市內部，也嚴重危及到城市周圍的農田。

2)城市中心與周圍環境存在顯著差異。城市外圍農業用地淹沒面積最大、淹沒速率最快，最大淹沒面積占農田總面積的64.90%，是研究區域的18.77%；而中心城區的淹沒范圍，建筑用地＞道路用地＞城市綠地＞未利用土地＞公共管理與商業用地。除水域外，城市綠地對暴雨徑流衰減量最大。

圖1 漯河不同重現期淹沒范圍和深度

3)研究區28.24%的城市綠地難以實現對地表徑流滲透和存蓄，但綠地景觀潛力巨大，通過改善入滲能力和冠層截流等方式可有效削減地表徑流[32]，緩解城市排水壓力[33]。

4)平原城市的河道因防洪要求，河堤高于城市平面，難以及時疏散徑流。沙澧河堤壩高于路面3～4 m，阻礙雨水排出，而小型河流管渠化和填埋破壞了城市脈絡，加大了城市排水壓力；城區濕地面積小且破碎度大難以容納短時強降雨。

結合研究區域地面高程DEM分析徑流和淹沒過程，繪制漯河淹沒圖和災害等級圖對開展城市雨洪災害預警和管理具有積極作用。未來將通過更精確的研究進行深入分析，延長時間序列和動態觀測，更準確、真實地反映城市雨洪災害；同時建立數據庫為城市雨洪災害監控和 “海綿城市”規劃管理提供基礎數據。

圖2 漯河不同重現期漯河淹沒區風險等級

[33]ZHANG B，XIE G D，LI N，et al.Effect of urban green space changes on the role of rainwater runoff reduction in Beijing，China[J].Landscape ＆ Urban Planning，2015，140(140):8-16.