基于InfoWorks ICM的深圳市內澇災害居民室內財產損失研究

黃國如,李碧琦

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術研究中心，廣東 廣州 510640)

洪澇災害是全球發(fā)生次數最多、影響范圍最廣、對國民經濟發(fā)展影響最為嚴重的自然災害之一，洪澇災害風險評估作為防災減災決策的基礎和技術支持，具有重要的現實意義[1-2]。以往的研究多以自然流域為研究對象，隨著城市化進程加快、人口密度和經濟產值提高，城市洪澇災害逐漸成為研究熱點[3-4]。居民室內財產損失是城市內澇災害損失的重要組成部分，20世紀60年代開始有學者關注城市內澇災害居民室內財產損失問題，根據內澇災害室內財產損失調查數據建立內澇致災因子與財產損失之間的關系[5-8]。城市內澇災害評估的致災因子如淹沒水深、范圍及歷時等數據的準確性關系到評估結果的有效性，以往的研究常采用歷史資料及徑流系數法等方法獲取致災因子，難以完整模擬和分析城市地表產匯流過程、排水系統(tǒng)運行能力和地表積水情況，而基于水文水動力學方法進行洪水模擬分析可以得到精度良好的城市內澇淹沒情況，因此，建立適應城市地區(qū)的一維-二維耦合模型是當今城市內澇風險評估要求下的必然趨勢，其中，InfoWorks ICM模型為一類較為優(yōu)越的城市雨洪模型，在城市內澇模擬中得到了較為廣泛的應用[9-12]。

構建內澇致災因子與財產損失之間的關系十分不易，需要在災害發(fā)生時開展大量的室內財產損失現場調查[13-15]，因此，盡管采用該方法所得到的損失結果精度較高，但工作量很大、效率較低。針對現場調查法所存在的不足之處，近年有學者提出采用合成曲線法構建城市居民家庭財產洪水損失曲線，利用該曲線計算得到研究區(qū)域所受到的財產損失。Velasco等[13]采用合成曲線法評估了西班牙巴塞羅那Raval區(qū)的洪災損失，廖永豐等[16]鑒于目前我國缺乏有效、可大范圍推廣的城市內澇居民室內財產損失評估模型，以北京市為例，根據居民室內財產的基本構成情況，利用合成曲線法構建城市內澇災害居民室內財產損失評價模型，取得了較好效果。本文以洪澇災害頻發(fā)的深圳市民治片區(qū)為例，構建基于InfoWorks ICM 的一、二維耦合城市洪澇仿真模型，以獲取具有較好精度和可靠性的致災因子結果，利用合成曲線法得到研究區(qū)域室內財產損失曲線，基于InfoWorks模型模擬結果得到室內財產損失，其研究成果可為當地防汛部門的防災減災工作提供科學依據和決策輔助。

1 研究區(qū)概況

民治街道位于深圳市龍華區(qū)南部，屬亞熱帶海洋性季風氣候，雨量充沛，降雨量年際、年內間分布不均，多年平均降雨量1 822 mm，年最大降雨量2 408.9 mm，年最小降雨量784.8 mm，年內降雨量主要集中在4～9月，降雨量約占全年降雨量的84%。街道轄區(qū)總面積29.26 km2，根據排水管網服務范圍及地形資料概況分析，確定民治街道內一封閉流域作為研究區(qū)域，研究區(qū)域面積為25.33 km2。研究區(qū)域范圍內地形南高北低，南部多為丘陵山地，中部和北部地勢平緩，為密集建城區(qū)。

民治片區(qū)屬于觀瀾河流域范圍，片區(qū)內兩條主要河流上芬水和民治河都屬于觀瀾河一級支流(圖1)。民治河為觀瀾河的上游支流，發(fā)源于民治水庫、民樂水庫、雅寶水庫的源頭大腦殼山山脈，民治河源頭接民治水庫溢洪道，中段有牛咀水、樟坑水二支流匯入，下游與坂田河匯合后一同匯入觀瀾河干流。民治河河流全長8.8 km，流域面積20.17 km2，河床平均比降6.6‰。上芬水為觀瀾河左岸支流，發(fā)源于深圳市羊臺山森林公園，流經大浪、民治、龍華街道，在龍華街道油松社區(qū)共和村匯入觀瀾河，河流全長3.9 km，流域面積8.9 km2。

圖1 民治片區(qū)河流水系圖 圖2 民治片區(qū)內澇點Fig.1 River system in Minzhi area Fig.2 Waterlogging point in Minzhi area

隨著深圳市社會經濟迅速發(fā)展，民治街道城市建設逐步完善，地勢平緩的中部和北部已成為密集建城區(qū)。原有的農田、沼澤等透水地面大多被城市道路、房屋等不透水地面覆蓋，大部分河道也被改為蓋板渠和箱涵，原有水田、湖泊、沼澤、水塘、水庫的滯留效應減弱。同時，由于該區(qū)域屬于城中村，發(fā)展過程中，排水系統(tǒng)缺乏全面完善的規(guī)劃，舊村老城周邊農田、水塘被城市化進程覆蓋后，被圍困形成低洼區(qū)；新城區(qū)的豎向高程未能充分考慮河渠水面線的關聯性，而形成新的受澇區(qū)；城市道路建設造成水系隔裂、排水不暢，又擴大受澇面積；導致民治片區(qū)內澇不斷。近年來深圳市民治片區(qū)遭受了多次較為嚴重的暴雨襲擊，均發(fā)生不同程度內澇，局部區(qū)域積水嚴重，給人民生產生活造成較大影響。通過對研究區(qū)2008～2014 年暴雨內澇實地調研，總結出民治內澇嚴重片區(qū)分布情況，內澇點主要發(fā)生在南城百貨、電站路、泰明菜市場、民治第一工業(yè)區(qū)、樟坑舊村、橫嶺舊村、白石龍村及龍?zhí)晾洗宓? 處，具體位置如圖2。

2 InfoWorks ICM模型構建

InfoWorks ICM是英國Wallingford公司研發(fā)的城市綜合流域排水模型，它具有強大的計算能力和詳盡的1D-2D耦合功能，實現了管網系統(tǒng)與河道的交互耦合，可以完整地模擬城市地區(qū)雨水循環(huán)過程以及排水管網系統(tǒng)與地表洪水之間的相互作用，現已廣泛地應用于城市降雨徑流模擬、排水系統(tǒng)現狀評估和洪澇災害風險分析等。

對研究區(qū)內的排水系統(tǒng)進行合理概化，構建研究區(qū)管網數據庫。概化排水管網時，刪除雨水篦子，排水管道與溝渠統(tǒng)一概化為管線，除了排水口的其他附屬物統(tǒng)一概化為節(jié)點。根據排水管網CAD資料和管網屬性數據表，利用ArcGIS軟件對管網圖層進行拓撲檢驗、糾正流向、刪除零散管網等初步處理，并實現管網數據與管網屬性的連接。管網系統(tǒng)中的特征參數根據研究區(qū)域的實際情況予以確定，如管道長度、管徑和管段曼寧系數等。概化后的節(jié)點數為2 980，管道連接數為2 920。根據研究區(qū)域的地形、河道和主要街道劃分較大的子匯水流域，在此基礎上根據地形、下墊面類型等影響因素進行細分和局部調整，劃分子匯水區(qū)，將劃分后的區(qū)域與某個節(jié)點對應，民治片區(qū)共劃分1 520個子匯水區(qū)。根據遙感圖像分析，本研究區(qū)域的地表類型可概化為五種，分別為屋面、道路、草地、荒地和水面，每個子匯水區(qū)都由上述五種類型的地表按不同比例組成(表1)，根據研究區(qū)域遙感圖，確定每個子匯水區(qū)中不同產流表面的比例。至此，就完成了研究區(qū)域一維模型構建(圖3(a))，為每個子匯水區(qū)引入降雨數據后就可以進行一維計算。

表1 不同地表類型屬性Table 1 Properties of different surface types

InfoWorks ICM模型實現了一維、二維模型耦合，一維模型主要用于進行河道和城市地下排水管網水流模擬計算，二維模型則主要用來對地面洪水的流速、流向和深度進行模擬計算。建立二維模型首先引入地面高程模型，通過提取民治片區(qū)地形圖的高程點數據建立研究區(qū)域的TIN模型，本模型采用的高程數據為高密度的高程點數據，高程點數據83 109個。

為防止高程點數據誤差對模擬造成不利影響，使用ArcGIS軟件建立TIN模型并進行人工修正，再將地面高程模型引入InfoWorks模型。TIN模型建立后，需確定二維模型計算區(qū)域，畫出2D區(qū)間用以劃分網格，每個網格從TIN模型中讀取一個高程數據。根據遙感圖劃分出道路和建筑物輪廓，通過InfoWorks ICM的修改網格高程功能，將道路高程降低20 cm，房屋高程提高10 cm。至此，加上前述一維模型部分，就完成了二維模型構建(圖3(b))，將節(jié)點的洪水類型設定為2D，就可以實現一維、二維耦合計算。

圖3 InfoWorks ICM模型構建Fig.3 Construction of infoWorks ICM model

采用2014年5月11日降雨內澇資料對模型進行率定和驗證，降雨資料來自民治片區(qū)自記式雨量計，由于缺乏流域出口實測流量數據，采用實地調查內澇情況進行模型參數率定。利用InfoWorks ICM模型模擬研究區(qū)域2014年5月11日實測降雨洪水情況，根據歷史內澇積水調研情況，2014年5月11日場次的暴雨造成內澇積水較為嚴重的區(qū)域主要為布龍路與人民路交匯處、民治河邊梅花新園、民治大道平南鐵路下等區(qū)域。提取結果文件中的城市地表積水分布，將該場暴雨主要澇點的調研水深和模擬淹沒水深比較(表2)。由表2可知，模型模擬積水情況與調查結果較為一致，說明該模型能較好地反應該片區(qū)的內澇情況，具有較好的精度和可靠性。

表2 2014年5月11日暴雨主要澇點積水統(tǒng)計Table 2 Statistics of main waterlogging points in 20140511 rainstorm

3 深圳市暴雨內澇災害居民室內財產損失曲線

前文已在民治片區(qū)構建基于InfoWorks ICM的高精度城市雨洪模型，可模擬區(qū)域內單獨承災體的受災情況。采用合成曲線法構建深圳市內澇災害居民室內財產損失曲線[16]，通過模擬深圳市居民室內財產的組成和分布，根據室內各財產的位置和遭淹受損情況建立居民室內財產損失曲線。

根據深圳市統(tǒng)計年鑒，單個深圳市中等收入家庭擁有一套商品房，住房面積90 m2，其中臥室兩間，書房、客廳、餐廳、廚房和衛(wèi)生間各一間，室內財產根據深圳市居民基本家庭裝修及家具及電器配備情況進行設計。

(1)室內財產分類及價值

室內財產主要為室內裝修、家電用品、家具和家庭日用消費品四類，家庭財產組合中僅設計生活必須品，不考慮額外的奢侈品。按類別對各類室內財產的數量和價值統(tǒng)計如下：

1)室內裝修

根據《住宅裝飾裝修工程施工規(guī)范(GB503217-2001)》，城市住宅裝修工程按照房屋結構可以綜合分為地面鋪裝、墻面鋪裝、門窗、房屋結構、衛(wèi)生器具及管道、電氣等7項工程。一般來說，在房屋水淹過程中，位置較高的窗、電氣和抗水較強的房屋結構、洗浴設施受淹損失風險小，位置較低的木質地板、木質門和墻漆受淹損失風險較大。

設定各家庭住宅的臥室和書房均以木質地板為主，其余空間以瓷磚為主，因此木質地板損失核算僅計算臥室和書房面積。根據商品房常見戶型圖和《2012年中國地板行業(yè)互聯網指數研究報告》，設計此90m2商品房木質地板鋪裝面積為33 m2，木質地板價格為254元/m2。計算可得單個深圳中等收入家庭地板鋪裝總成本為8 382元。

各家庭住宅的衛(wèi)生間和廚房的墻面涂飾一般以瓷磚為主，其余空間以墻漆為主。水淹過后，為保證墻面顏色的一致性，所有水淹墻面均會重新刷漆。設計刷漆面積=(室內面積-廚房面積-衛(wèi)生間面積)×3。室內面積以建筑面積的85%計算，廚房和衛(wèi)生間面積以室內面積20%計算，故90m2家庭住宅刷漆面積為183m2。2012年深圳市包工包料的刷漆成本為12元/m2，刷漆總成本為2 196元。

設定各家庭住宅的臥室門和書房門均為木質，其余門為合金為主，因此木質門損失核算僅計算臥室門和書房門。查閱2012年深圳市裝修報價，木質門一般為1 900元/樘，標準住宅按三樘木門測算，家庭木門安裝總成本為5 700元。

2)家用電器

除少數較富裕家庭可能擁有奢侈品或貴重財產，普通居民家庭擁有的房屋財產種類差別并不大，只是在數量和價值上有一定差異。根據《深圳統(tǒng)計年鑒》的居民電器種類情況(表3)進行每戶家用電器數量計算；并根據石勇[17]對上海市、姚思敏[18]對京津冀地區(qū)的相關研究對表3中缺少的常見家用電器數據進行補充。

表3 居民家庭平均每百戶擁有耐用電器(2012年)Table 3 Durable electrical appliances per 100 households (2012)

由于部分電器設備較便攜(如移動電話、照相機等)，在發(fā)生洪澇淹沒時能輕易地移動到較高的位置避免浸水損壞，該類電氣設備在本研究中不予考慮。參考中國市場調查研究中心月度零售監(jiān)測數據庫2012年每月數據，對家電零售價進行估算，結果見表4。

表4 家庭電器設備組合設計Table 4 Combination design of household electrical equipment for residents

3)家具

大件家具是室內財產的主要部分，除沙發(fā)一般為皮質或布藝品，床墊的主體材料為布料外，其他常見家具的主要制造材料一般是木材，淹水后對結構和功能較難造成功能性巨大破壞，更換概率較低，因此在這里不加以考慮，得到深圳市城鎮(zhèn)居民家庭家具設備結果見表5。

表5 居民家庭家具設備Table 5 Household furniture

4)日用消費品

服裝、家庭日用品和文娛用品等日用消費品也是家庭財產的一部分，且這些物品易損性高，一旦遭遇水淹立刻喪失價值，根據深圳市年鑒中給出的深圳市人均消費情況，對每個家庭這些日用消費品的價值進行統(tǒng)計(表6)。

表6 居民家庭日用消費品價值估算(元)Table 6 Estimation value of household consumer goods(Yuan)

(2)室內財產內澇災害損失風險

城市內澇災害對房屋財產造成損害的方式主要是長期水淹，長時間的水淹導致財產發(fā)生吸水膨脹、浸水脫色等形狀變異、功能破壞的情況，因此只要財產與內澇積水長時間接觸，損失將不可避免。為具體計算財產損失，模擬不同水深對財產的損失程度，必須要對各類財產的設計高度和水淹損壞情況進行調查。

墻面裝修分為踢腳線和墻漆，當積水深度超過踢腳線時墻漆將遭受水淹。目前深圳室內墻面裝修以10 cm踢腳線為主，計算水淹高度時，計入地板高度4 cm，得到一層住宅墻面受損水淹高度閾值為14 cm。門遭受水淹的條件是水深超過門下邊線的高度，由于門與地面鋪裝之間留空1 cm，計算水淹高度時，計入地板高度4 cm，得一層住宅門板受損水淹高度閾值為5 cm。若門板水淹深度小于1/2，仍有部分板材完好，可以進行后期修復，此時定為損失75%。

對于家用電器的擺放高度和水淹損壞情況，蘇明道[17]等做過臺灣室內財產的高度調研和統(tǒng)計，以量販店及大型家電行為調查對象，配合銷售情形，求得各家電尺寸的平均值；以家具行的設計為對象，調查各家具的高度，作為擺放高度時的參考依據。以各大維修部為訪談對象，對各項設備與其淹水深度與損失的關系進行調查，得出淹沒水深與各類財產損失的關系，臺灣地區(qū)研究中未能包含的電器或家具損壞情況，參考石勇[17]和姚思敏[18]等的研究確定取值。

室內家具受淹損失風險主要是評估沙發(fā)和床墊的損壞情況，沙發(fā)的水淹高度閾值為地板高度4 cm，床墊遭受水淹的條件是水淹深度達到床高，床高一般為45 cm，計入地板高度4 cm，床墊的水淹高度閾值為49 cm。日用消費中，服裝一般放置在衣柜中，假定遭受淹沒的閾值為50 cm；家庭日用品一般為床上用品或裝飾品，綜合考慮后假定水淹高度閾值為60 cm；文化娛樂用品一般擺放在桌面上，水淹高度閾值為80cm，各居民室內財產水淹深度閾值見表7。

表7 居民室內各財產水淹深度閾值Table 7 Threshold value of flood depth of various properties in residential room

因不同財產水淹深度閾值差異較大，以0.1 m為間隔，結合不同類財產的水淹深度閾值和水淹后財產損失值繪制深圳市家庭暴雨內澇水深-損失值曲線(圖4)，以此反映不同內澇程度下的絕對損失。從圖4可看出，0～0.8 m段損失隨著水深上升較快，0.8～1.8 m段損失曲線爬升緩慢，損失在1.8 m水深后逐步趨于穩(wěn)定并在2.4 m時接近最大值，后續(xù)趨于平緩。總體上損失隨水深變大而增多，損失速率隨水深變大而減緩，這主要是由于各類財產通常擺放位置較低且集中，位置越高，財產損失越少。

圖4 暴雨內澇水深-損失值曲線 圖5 洪澇災害居民室內財產損失率曲線Fig.4 Depth loss curve of rainstorm flood Fig.5 Indoor property loss rate curve of flood disaster

不同水深下的損失率為不同水深下的損失值與最大損失值的比值，損失率可以忽略通貨膨脹的影響，常用來表示財產損失情況，圖5為計算得到的各水深下的深圳市居民室內財產損失率。

在內澇災害災損曲線的建立過程中，水深-損失率關系的擬合公式形式較多，主要包括多項式、冪函數和指數函數等形式，其中多項式常被用于擬合災害災損曲線[16]，采用多項式擬合得到損失率y與水深x的關系為(圖5)：

y=0.0149x3-0.1934x2+0.7672x+0.0412x>0，0

(1)

R2=0.9954.

從圖5可看出，水深與損失率的關系曲線擬合精度較高。至此，已通過合成法得到深圳市洪澇災害居民室內財產災損曲線，如獲得不同家庭房屋室內財產總價值數據，即可通過計算總價值與災損曲線損失率之積，得到不同水深房屋室內財產損失的估計值。

(3)基于InfoWorks模型的室內財產損失估算

根據《城鎮(zhèn)內澇防治技術規(guī)范 GB 51222-2017》要求，深圳市為超大城市，防御內澇標準為100年一遇。根據深圳市暴雨強度公式和芝加哥雨型生成設計暴雨，深圳市暴雨強度公式為：

(2)

式中：q為設計暴雨強度，L/s·ha；t為降雨歷時，min；P為設計重現期，a。

設定降雨歷時為2 h，并以5min為記錄間隔，得到降雨歷時2 h的深圳市100年一遇設計暴雨過程。將設計暴雨數據輸入模型，設置模擬時間為4 h，模擬步長為1 min，利用已構建的InfoWorks ICM模型模擬計算100年一遇設計暴雨情況下研究區(qū)域淹沒水深。本文所研究的居民室內財產損失主要是針對居民區(qū)而言，根據研究區(qū)域遙感影像圖提取民治片區(qū)建筑分布，結合深圳市土地利用規(guī)劃圖確定研究區(qū)域居民住宅分布情況，得到研究區(qū)域內住宅淹沒情況見圖6。

居民住宅內淹沒水深值大于0即表示居民室內財產受淹，利用淹沒深度和前文所構建的深圳市內澇災害居民室內財產損失曲線(圖5)對柵格進行逐個計算并求和，得到研究區(qū)域內居民住宅內澇破壞和損失情況。參照前文構建居民室內財產災損曲線時的統(tǒng)計數據，結合深圳市人均可支配收入率增長得到深圳市2018年居民室內財產總價值和單位面積財產價值，求得單位面積財產價值為1 051元。根據居民室內財產災損曲線對淹沒深度圖進行柵格冪函數運算，得到研究區(qū)域100年一遇暴雨重現期下住宅的淹沒損失分布(圖6)。使用ArcGIS統(tǒng)計工具，計算出研究區(qū)域100年一遇暴雨重現期下居民室內財產的總內澇損失為1 160萬元。

圖6 100年一遇暴雨重現期下民治片區(qū)淹沒水深和損失情況Fig.6 Submergence depth and loss of Minzhi area with 100-year return period of rainstorm

對民治片區(qū)土地利用分類圖和歷史內澇災情進行分析可知，民治片區(qū)內遭受暴雨內澇的主要是一樓居民住房和沿街的商鋪等，由于未能收集到沿街商鋪的歷史內澇損失數據，對商鋪內商品的價值和擺放也無法通過合成曲線構建，暫未考慮商鋪的內澇損失情況。若后續(xù)能收集到民治片區(qū)商業(yè)用地的內澇災損情況，可進一步構建商鋪財產損失曲線，利用構建的民治片區(qū)雨洪模型，計算不同降雨情景下的財產損失，求得片區(qū)年平均內澇損失，可作為該區(qū)域暴雨內澇風險管理依據。

4 結論

(1)通過排水系統(tǒng)概化、下墊面數據處理、一維模型、二維模型構建及一、二維模型耦合等步驟，構建基于一、二維耦合的民治片區(qū)InfoWorks ICM模型，利用實測暴雨內澇資料對模型進行驗證，模擬的積水范圍和水深與實地調研情況較為一致，表明該模型具有良好的精度和可靠性。

(2)突破城市中心區(qū)災害樣本數據不足的局限，模擬深圳市居民室內財產的組成和分布，結合財產的水淹損壞情況，分析各居民室內財產水淹深度閾值，根據室內各財產的位置和遭淹受損情況，采用合成曲線法擬合深圳市居民室內財產淹沒深度-損失率曲線。

(3)利用已構建的InfoWorks ICM模型模擬計算100年一遇設計暴雨情況下研究區(qū)域淹沒水深，根據研究區(qū)域遙感影像圖提取民治片區(qū)建筑分布，結合深圳市土地利用規(guī)劃圖確定研究區(qū)域居民住宅分布情況，分析研究區(qū)域內澇災害破壞和損失情況，得到研究區(qū)域100年一遇暴雨重現期下居民室內財產的總內澇損失為1 160萬元。