基于道路交通的石家莊市強降水內澇風險評估

魏 軍，陳笑娟，胡會芳，張 靜，李 婷

（河北省氣象災害防御中心，石家莊 050021）

近年來，隨著城市化發展進程的不斷加快，城市“看海”的現象頻繁發生，城市內澇問題已引起政府及公眾的廣泛關注。城市內澇災害不僅會造成交通癱瘓、設施損壞、人員傷亡等直接影響，而且產生的后續疊加效應和隱形的社會影響無以復加［1］。如何有效地開展城市內澇綜合防治工作已成為中國大多數城市建設所亟需解決的問題，而利用暴雨數學模型開展城市內澇風險評估，可較為直觀地反映內澇風險的空間分布特征，是指導城市管理部門科學開展城市規劃、內澇防治以及減少內澇災害損失的有效途徑［2］，因此開展城市內澇災害風險評估工作具有十分重要的現實意義。

當前，國內外學者針對城市內澇災害風險評估的研究較多，總體來講其評估方法主要以歷史災情數理統計法、指標體系法和情景模擬法3 類方法為主［3，4］。歷史災情數理統計法主要是利用數理統計的方法對已有歷史災情如經濟損失、人口傷亡及受災面積等數據信息進行分析和提煉，總結其發展規律，以期達到預估未來災害風險大小的目的。Benito 等［5］根據過去 1 000 年的歷史災害數據，結合統計學、歷史學等多學科方法，提出了基于長時間序列歷史洪災資料的洪澇風險評估方法。秦年秀等［6］選取歷史時期10 次洪水數據，基于GIS 軟件的空間分析和疊加功能，開展長江中下游地區的洪水災害危險性評價。指標體系法側重于災害風險指標的選擇、優化以及各指標權重的計算，最終得到區域災害風險的過程。Ka?mierczak 等［7］選取 26 個已知受洪澇災害直接或間接影響的評價指標，基于風險評估的三要素理論，對英國曼徹斯特市洪水淹沒風險及空間分布進行了評估。王成坤等［8］將積水深度和積水時間數據和城市人口密度分布數據進行耦合計算，完成對東莞中心城區的內澇風險綜合評價。情景模擬法主要是基于GIS 技術，通過構建水動力學暴雨內澇模型，模擬不同降雨情景產生匯流過程，同時結合相關承載體進行風險建模，實現風險的可視化表達。孫阿麗等［9］基于情景模擬，借助GIS 空間分析和模型構建，完成對上海黃浦區舊式房屋、主要街道的內澇危險性評估。鄧金運等［10］采用數值模擬技術，完成武漢市不同降雨情景下不同土地利用類型的內澇風險及損失評估。謝五三等［11］基于二維非恒定流水動力模型模擬不同情景下淹沒水深圖譜，耦合精細化的承載體信息和脆弱性曲線，完成合肥市城市內澇風險評估。總結前人的研究發現，歷史災情統計法和指標體系法思路清晰，方法簡單且常用，但由于長時間尺度的歷史內澇災情數據較難獲取，且評價指標的選取和權重賦值具有較大的人為主觀性，因此此類方法具有一定的局限性。而通過仿真建模手段和GIS 技術相結合的情景模擬法，可靈活模擬災害發展的演化過程，具有直觀性強、準確度高、適用性好的特點。

石家莊市作為河北省省會城市，近年來由于城市化進程不斷加快，不透水面積增加，雨水滲透減少，再加上城市排水管網系統設計標準偏低，每年受到內澇災害影響較為嚴重，可謂“逢雨必澇，遇澇則癱”，給人民群眾生產生活及生命財產造成了危害。根據城市內澇災害發生的特點，道路交通是受其影響最為直接的承災體，因此本研究將以道路交通的車流和車速來表征內澇災害承災體脆弱性，通過內澇模型構建不同降雨情景模擬和風險評估方法，開展石家莊市城市內澇對道路交通的風險評估工作，以期為城市氣象防災減災提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

石家莊市地處中緯歐亞大陸東岸，屬暖溫帶半濕潤季風性氣候，西部依靠太行山區，東部是滹沱河沖積平原，區域地勢呈西高東低分布，受地理位置和地理環境的影響，全年降水分布不均，年平均降水量為401.1～752.0 mm，其中，短時強降水主要集中在7、8 月。由于市域西部山區地勢較高，東部平原區域地勢平坦，當降水隨河流由山區進入平原，流勢由急變緩，往往導致河水宣泄不暢，增加市中心城區防洪排澇壓力，容易造成城市內澇災害。

內澇建模區域范圍的西部、南部和東部以石家莊市主城區三環路為界，北部以古城路為界，總面積約為320 km2。境內主要道路包括京廣鐵路、石德鐵路、石太鐵路、107 國道、307 國道、石太高速、石黃高速等，主要明渠河道有民心河、環城水系、石津干渠、南水北調工程水系等（圖1）。

圖1 研究區主要道路和水系分布現狀

1.2 資料來源

研究資料包括石家莊中心城區基礎地理信息、排水工程設施信息、河道地形信息和城區主要干道交通的車流、車速數據等。其中，用于內澇數學模型構建所需的基礎地理信息數據來源于石家莊市地理信息局，主要包括2017 年石家莊市1∶1 000 的土地利用分類、行政區劃和地形高程點等信息；排水工程設施信息和河道地形信息主要由石家莊市城鄉規劃設計研究院及市政部門提供，包括現狀排水管網管徑、泵站排水能力等信息。城市道路交通車流、車速數據則是由石家莊市公安局交通管理局提供的2017 年交通觀測數據。

1.3 研究方法

1.3.1 內澇模型計算方法 采用的城市內澇數學模型主要以城區地表與明渠河道的水流運動為模擬對象，根據城市下墊面的地形地貌特征，采用無結構不規則網格進行計算域模型概化。同時運用有限體積法的思想，將氣象降水數據作為模型的降水初值和邊界條件，以平面二維非恒定流的基本控制方程為骨架，地下排水管網內的水流采用一維非恒定流方程來計算，地下排水管網與地面的水量交換用連續方程的源匯項控制，而針對小于離散網格尺度的二級河道或排水渠涌，在二維模型中結合了一維明渠非恒定流方程的算法，對漫堤等采用寬頂溢流公式計算水流［12］。其基本控制方程如下：

①二維非恒定流基本方程公式為：

動量方程公式為：

式（1）至式（3）中，H為水深；Z為水位，Z=Z0+H，Z0為底高程；M、N分別為x、y方向上的單寬流量，且M=Hu，N=Hv；q為源匯項，包括有效降雨量和排水強度 2 項；u和v分別為流速在x、y方向上的分量；g為重力加速度；n為糙率。

②一維非恒定流基本控制方程為：

式（4）中，A為計算斷面的過水面積；Q為截面流量；Sf為摩阻坡降，由曼寧公式可得：

③寬頂堰溢流公式：

式（5）至式（6）中，Qj為堰頂單寬流量；Hj為堰頂上游水位；m為寬頂堰溢流系數；σs為淹沒系數。

1.3.2 情景模擬雨量計算與選取 根據《石家莊市城區暴雨強度公式技術報告（2013 年修訂）》，道路內澇模擬雨量將通過石家莊市暴雨強度公式及轉換公式計算得出，具體公式如下：

式（7）至式（9）中，q為設計暴雨強度［L∕（s·hm2）］；P為重現期（年）；t為降雨歷時（min）；i為暴雨強度（mm∕min）；H為單位時間平均降雨深度（mm）。

根據《室外排水設計規范（2014 版）》（GB50014—2006）規定［13］，石家莊市作為省會城市，中心城區雨水管渠設計重現期應為2～5 年，內澇防治設計重現期為30～50 年。同時考慮夏季強降水發生特點和石家莊市氣象部門開展城市內澇服務需求，在城市內澇淹沒模擬時，降水歷時選取1 h，重現期選取2、5、10、30、50、100 年一遇降水量，開展石家莊市道路積澇風險評估。

1.3.3 道路風險評估 石家莊市城市道路交通風險評估采用風險度的計算方法，其表達式如下：

式中，R（t）為t年一遇的風險；H（t）為t年一遇的內澇致災因子強度，主要包括積水深度和積水面積；V為承災體的脆弱性，主要包括道路的平均車流和平均車速。

在計算時，首先利用歸一化法對各指標進行歸一化處理，消除各指標之間的量綱和量級差異；運用層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）來確定各項指標體系權重系數，其主要步驟包括構建判斷矩陣、重要性計算排序和一致性檢驗；根據統計學自然斷點分級法（Natural breaks）評價道路交通的內澇風險狀況，根據得分將城區主要道路交通內澇風險劃分為高、中、低3 個級別。

2 結果與分析

2.1 不同情景下城市道路淹沒情況

基于城市內澇模型構建原理和計算方法，利用石家莊市高精度城市地理信息、高程信息、排水工程設施、河道地形等基礎數據，建立了石家莊市強降水內澇數學模型，其中，道路型網格3 169 個。模型的構建步驟及效果檢驗情況參考文獻［14］。

將計算得到的石家莊市降水歷時1 h 的2、5、10、30、50、100 年一遇降水量（表1）作為降水邊界條件代入石家莊市強降水內澇數學模型進行模擬計算，基于ArcGIS 軟件平臺，得到不同情景下石家莊市道路積澇的淹沒情況分布，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，藍色部分的深淺表示不同的積水深度。不同重現期小時降水強度下的城市道路積澇狀況存在顯著差異。針對石家莊市城區防汛指揮部發布的城區防汛應急預案，將道路積水超過30 cm 作為影響交通通行的閾值指標，因此，通過統計不同重現期降水強度下道路積水網格數量和水深超過30 cm 的積水網格數量（圖3）可以發現，隨著小時降雨量的增加，城市道路積水面積和積水深度呈現出明顯增加的趨勢，積水面積增幅逐漸放緩，但積水深度增幅逐漸變大。在2 年一遇的降水強度下，城區雖然25.8%的道路有積水，但積水深度超30 cm的僅為1.2%，積水區域主要為城市道路中少數低洼地段，全區平均積水深度為8.6 cm，對城市交通影響較小；而在100 年一遇的降水強度下，主要道路、地道橋及周邊均積水嚴重，積水網格數量超過70%，單元網格內部積水明顯增加，其中，城區1∕2 以上的道路積水超30 cm，城市交通基本癱瘓，全區平均積水深度為56.3 cm。

表1 石家莊市不同重現期小時降水量 （單位：mm）

圖2 不同降雨強度下石家莊市城市道路積澇模擬

2.2 道路交通情況

石家莊市道路按照功能體系劃分為快速路、主干道、次干道和支路，城區道路系統為方格網加環形放射的布局形式。通過2017 年7 月7—12 日分別在石家莊市城區友誼北大街、建設北大街、體育南大街和裕華東路4 條主干道采集的不同時段車流量與車速數據，統計了不同時段城區主干道的平均車流量和平均車速信息，結果如圖4 所示。通過統計結果發現，在不同的時間段內，采集道路的平均交通流特性具有較大差異。在一天當中，4 條主干道平均車速變化呈低谷-高峰-低谷的變化規律，而平均車流量的變化則與之基本相反，呈現高峰-低谷-高峰的特征，在 8：00—10：00 和 16：00—19：00 各有 1 個高峰時段。這2 個高峰時段內分別對應上下班時間，若強降水內澇發生在該時段內，勢必造成嚴重的影響。同時考慮到夏季強降水多出現在午后時段［15］，選取18：00—19：00 作為研究對象，評估強降水內澇對道路交通的影響。

此外，需要說明的是，由于目前項目組只獲取了2017 年城區12 條主干道和2 條次干道的道路車流、車速數據，具體信息如表2 所示，因此本研究只對該14 條道路進行積澇風險評估。

圖 4 2017 年 7 月 7—12 日采集道路的逐時平均車流和平均車速變化

表 2 2017 年石家莊市主、次干道 18：00—19：00平均車流、車速統計

2.3 道路交通內澇風險評估

采用風險度的計算方法確定道路交通的城市內澇風險，運用層次分析法（AHP）來確定各指標權重系數，通過建立層次結構模型、構造判斷矩陣和一致性檢驗，最終由AHP 軟件計算得出致災因子中積水深度、積水面積的權重分別為0.6 和0.4，承災體中車流、車速的權重分別為0.68 和0.32。

利用歸一化法對各指標進行歸一化處理，將歸一化的各項指標代入式（10）進行計算，根據GIS 中的自然斷點法分級處理，將內澇災害風險等級劃分成3 個等級，即低風險區（0～0.48）、中風險區（0.48～0.58）和高風險區（＞0.58），最終得到石家莊道路交通在不同情景下內澇災害風險區劃（圖5）。

通過統計不同重現期降水強度下積澇風險網格數（圖6），同時結合圖5 可以看出研究區在不同重現期小時降水強度下道路交通的內澇災害風險規律。從空間分布來看，談固大街、中華大街、和平路和裕華路的部分路段風險相對較高，風險較低路段主要有翟營大街、友誼大街、城角街、中山路、自強路等；從降水強度來看，隨著重現期增大，無風險區面積逐漸縮小，低風險區網格數在小時雨強小于30 年一遇時隨降水強度變大而逐漸增多，超過30 年一遇雨強后低風險區網格數逐漸減少，而中高風險區域的網格數隨雨強變大而不斷增多。

在2 年一遇情景中，整個研究區的風險絕大多數為低風險，除個別路段為中風險外，大部分路段都處于無風險狀態；在5 年一遇情景中，中山路、槐安路和城角街等路段低中風險區域開始增多，談固大街與和平路周邊開始出現高風險區；在10 年一遇情景中，和平路、談固大街的大部分路段已經達到了中風險；在30 年一遇情景中，內澇風險區域繼續擴大，談固大街、和平路、裕華路的高風險區出現不同程度的增多；在50 年一遇情景中，內澇風險區持續增多，中華大街與裕華路交口、槐安路與東二環交口開始出現高風險；在100 年一遇情景中，中高風險區顯著增多，除建設大街、翟營大街、城角街、中山路、自強路風險值較低外，其他路段的大部分區域都處于中高風險。

3 小結與討論

1）通過選取 2、5、10、30、50、100 年一遇小時降水進行石家莊市道路積澇水深模擬，結果表明，隨著小時降水量的增加，城市道路積水面積和積水深度呈現出顯著增加的趨勢，積水面積增幅逐漸放緩，但積水深度增幅逐漸變大。

2）石家莊市在2 年一遇的降水強度下，城區雖然25.8%的道路有積水，但積水深度超30 cm 的僅為1.2%，積水區域主要為城市道路中少數低洼地段，全區平均積水深度為8.6 cm，對城市交通影響較小；而在100 年一遇的降水強度下，主要道路、地道橋及周邊均積水嚴重，積水網格數量超過70%，單元網格內部積水明顯增加，其中，城區1∕2 以上的道路積水超30 cm，城市交通基本癱瘓，全區平均積水深度為56.3 cm。

圖5 2017 年18：00—19：00 不同降雨強度下石家莊市道路交通內澇災害風險

圖6 不同重現期降雨強度下積澇風險網格數統計

3）選取 18：00—19：00 時段的14 條主、次干道平均車流和平均車速信息來表征內澇災害的承載體脆弱性，開展強降水內澇災害對道路交通的風險評估。結果顯示，從空間分布來看，風險相對較高路段主要有談固大街、中華大街、和平路和裕華路的部分路段，風險較低路段主要有翟營大街、友誼大街、城角街、中山路、自強路等；從降水強度來看，隨著重現期增大，無風險區面積逐漸縮小，低風險區網格數在小時雨強小于30 年一遇時隨雨強變大而逐漸增多，大于30 年一遇雨強后低風險區網格數逐漸減少，而中高風險區域的網格數隨雨強變大而不斷增多。

4）根據城市強降水積澇發生機制，構建城市道路強降水積澇模型，同時結合風險評估理論，剖析城市內澇對城市道路交通造成的影響，探索性開展城市內澇風險評估，為城市內澇風險評估業務提供參考依據。但由于城市內澇災害的形成機理較為復雜，影響因素眾多，如不同情景下內澇模擬時計算步長內的雨量采用平均分配，而未對雨強進行分型處理；內澇模型對城市排水系統的概化是基于其理想工作狀態，而在實際運作中受人為因素影響很大，多數情況下工作狀態無法滿足模型設定條件，如泵站、閘門等排水設施是否及時開啟關閉、下水道口被垃圾堵塞、管網老化及管道內淤泥沉積等都會造成排水不暢，這些都會影響內澇風險評估的成效。