城市洪水风险图编制研究——以福州为例*

李帅杰，谢映霞，程晓陶

(1.中国城市规划设计研究院，北京100037;2.中国水利水电科学研究院，北京100038)

城市洪水风险图编制研究
——以福州为例*

李帅杰1，谢映霞1，程晓陶2

(1.中国城市规划设计研究院，北京100037;2.中国水利水电科学研究院，北京100038)

洪水风险图是标识区域洪涝成因、量级、特性、危及对象及应急对策等风险信息分布特征的一系列图的总称，当前已成为国内外城市防洪减灾工作中重要的非工程类措施之一。针对我国对洪水风险图的多元化需求，从不同服务目的出发对洪水风险图编制工作进行研究。提出了洪水风险图分层编制技术，将洪水风险图划分为实际洪水淹没图、洪水风险预测图和水灾风险评价信息等3个层次，并根据分层设计原则对编制不同类型洪水风险图所需的既往洪水信息、洪水风险预测信息、水灾风险评价信息做了详细论述。提出将洪涝仿真模拟技术应用于城市洪水风险图编制工作之中，针对洪水风险图的应用目的合理选定计算模型的初始条件、边界条件与运行控制方式等，经模拟计算获取编制洪水风险图所需的洪水风险信息。

洪水风险图;分层编制技术;洪水仿真模拟;洪水风险;福建福州

改革开放以来，我国城镇化率己从1978年的17.9％提高到2013年的53.73％。国际经验表明，城镇化率在30％～60％之间，是城镇化进程最为快速的阶段，城市聚集的人口与财产随之快速膨胀。加之我国人口基数大，此进程尤为迅猛，城市暴雨洪涝特性随城镇化的变化更为敏感与显著。伴随着快速城镇化发展，近些年我国城市洪涝问题集中爆发且呈现不断频发与加剧的趋势，如我国各地城市频频陷入“看海”的窘境，成为媒体与公众持续关注的热点。传统的“洪涝灾害控制”模式偏重强调工程技术的重要性，寄希望于通过加强城市水利工程与排水工程体系建设增强对洪涝灾害时空分布的调控能力，以保障重要区域特别是中心城市的防洪排涝安全。然而，面对城市的迅猛扩张以及防洪排涝形势发生的新变化，单纯依靠防洪排涝工程体系达到确保防洪排涝安全的目标难以实现，超标准洪水风险与暴雨内涝致灾已对城市发展构成严重的威胁。为了有效应对与抑制城市化进程中不断加剧的洪涝灾害风险，在当前“洪涝风险管理”理念的指导下，采取防洪排涝和非工程措施并举的综合防治措施，是开展城市洪涝风险管理与防灾减灾管理的重要手段。为此，综合多类型与多层次洪涝风险信息的洪水风险图成为研究开发的重点课题。

洪水风险管理理念在世界范围内的推进与发展进程中，许多国家从自身对防灾减灾安全、规范土地利用、科学规划与应急管理等多方面的需求出发，对洪水风险图的编制作了大量的研究工作。美国的洪水风险图编制研究工作是随着国家洪水保险制度的建立与完善逐渐发展起来的［1］，1968年美国发布《全国洪水保险法》［2］，国家洪水保险政策随之开始推行，作为其重要支撑技术的洪水风险图的编制工作也正式开始实施。美国联邦应急管理管理局(FEMA)为了有效地提升社区参加洪水保险比率和洪泛区管理水平，开展了洪水保险费率图(Flood Insurance Rate Map，FIRM)和河道洪泛区边界图(Flood Boundary and Floodway Map，FBFM)的编制研究。洪水保险费率图是基于洪水保险模式与风险分析技术，综合满足精度需求的风险分析成果和相应的区划信息绘制而成，美国联邦政府将100年一遇洪水作为洪水保险费率区划的基准洪水［3］，洪水保险费率图中需要标示出100年一遇洪水的详细淹没特征(包括淹没范围和最大淹没水深等)，用于确定详细的洪水风险区划以精算洪水保险费率;河道洪泛区边界图是利用历史洪水资料和洪水风险分析成果综合绘制而成，图中标示出不同等级洪水(如100、500年一遇)形成的洪泛区边界，但不显示等高线、淹没水深或洪水水位等信息［3］。1994年日本建设省提出编制一级河川洪水风险图的要求，日本洪水风险图的编制工作正式开始。目前建设省绘制的洪水风险图包括防御对象泛滥区域图、洪水泛滥危险区域图、洪水灾害地图［4］。防御对象泛滥区域图以河道设计洪水水位为基准，经分析计算低于基准水位的区域要在图中被标示出来。洪水泛滥危险区域图和洪水灾害地图是由基于数学模型的洪水风险分析成果编制而成，根据使用对象与目的的不同，洪水灾害地图又被分为避难指导、灾害学习、防灾情报等3种类型［5］。

国内洪水风险图的编制研究起步较早，1980年代中国水利水电科学研究院研发了基于一维和二维圣维南方程组的水力学数值模型，基于该模型刘树坤教授在小清河流域、北金堤与东平湖滞洪区开展了洪水风险图的编制研究;其后随着数值计算技术在国内的迅速发展，许多科研院所相继开发了可为洪水风险图编制提供风险信息的水力学模型，洪水风险图的研制工作开始推广至辽河、珠江、黄河下游等江河流域的干流段以及沈阳、广州、海口、深圳、哈尔滨等城市区域［1］。1997年国家防总办公室发布1号文件，全国各流域机构与省级防汛机构按要求开始推进七大江河、大中型水库和重要防洪城市的洪水风险图的编制工作，国家防总在后续发出的《洪水风险图制作说明》［1］、《洪水风险图制作纲要(试行)》［6］中对洪水风险图的编制做了分期规划和制作技术说明，实施证明该项工作有效的推动了全国范围洪水风险图的研制进程。2004年，国家防汛抗旱总指挥部办公室确立了全面推动我国洪水风险图编制工作的思路，组织编制了《洪水风险图编制导则》［7］，同年年底《导则》通过专家评审。2009年，在《洪水风险图编制导则》的基础上国家防汛抗旱总指挥部办公室进一步推出了更为详细的《洪水风险图编制技术细则(试行)》［8］。

针对我国对洪水风险图的多元化需求，本文从不同服务目的(包括加强洪水管理、辅助防汛指挥、规范人类行为、提高公众风险意识)出发对洪水风险图编制工作进行研究。并以我国福州市制定排涝工程规划为例对洪水风险图编制作实例研究，针对不同频率的设计暴雨方案，应用福州市雨洪仿真模型分析福州市在现状排涝工程条件下和2020年规划排涝工程条件下可能形成的洪水风险，根据洪水风险分析成果编制现状与规划排涝工程下福州市洪水风险图，并据此对规划排涝工程运用前后的减灾效益作对比分析。

1 洪水风险图编制分析

洪水风险图是标识区域洪水成因、量级、特性、危及对象及应急对策等风险信息分布特征的一系列图的总称，当前已成为国内外防洪减灾工作中重要的非工程类措施之一［9-10］。

我国防洪减灾工作对洪水风险图编制的目的与用途具有多元化的期待，希望洪水风险图能为各级政府及相关部门、防汛指挥部门与社会公众提供洪水风险信息。我国国家防汛抗旱总指挥部办公室下发的“洪水风险图制作说明”明确指出我国洪水风险图制作的目的是:为各级防汛指挥部门防汛抗洪抢险救灾提供决策依据;增强全民抗洪减灾意识;用于指导洪泛区的安全建设、开发利用和管理;在发生洪水的紧急情况下选择正确的路线及地点疏散群众;为洪涝灾情评估系统提供基础依据［4］。

1.1 分层编制分析

根据需要的编制信息不同，可将洪水风险图划分为实际洪水淹没图、洪水风险预测图和水灾风险评价信息等3个层次。

(1)实际洪水淹没图

实际洪水淹没图是通过将调查、监测或计算还原得到的既往洪水信息描绘和标注在区域的基础底图上编制而成的，是综合反映区域洪水特性的基础统计信息图。随着洪水模拟技术的发展，实际洪水淹没范围图作为洪水风险分析的基础资料是必不可少的，如它是用于率定和验证洪水风险分析模型(水文学或水力学模型)的数据依据，亦可用于对比分析区域下垫面改变前后洪水特性的变化特征，同时仍将是无实测洪水资料地区开展洪水风险管理的依据。

(2)洪水风险预测图

洪水风险预测图融合了地理要素、洪水特征和社会经济等信息，它以地图形式直观反映城区范围内发生不同强度的洪水可能形成的淹没范围和水深分布等信息，可用于估算设计洪水所造成的灾害损失、制定具有针对性的防洪应急预案和布置抢险减灾行动等［11］。洪水风险预测图编制工作包括资料调查和洪水风险分析两部分内容，所需资料可分为既往洪水信息和洪水风险预测信息。

表1 洪水风险图编制目的、用途与所需的洪水风险信息

(3)水灾风险评价信息

水灾风险评价信息通常包括社会经济信息、工情安全评价信息、灾情评估信息(可能受灾人口、可能受淹耕地、可能经济损失等)、重点保护对象、有毒有害物资分布、生命线系统分布、土地利用方式等。水灾风险评价信息具有不同程度的空间分布特征，其中具有较强空间属性的水灾风险评价信息可被叠加到洪水风险图上，作为区域抢险救灾、制定防洪预案与发展规划、编制承灾体耐淹规范等的依据;而空间属性较差的水灾风险评价信息(如可能损失统计、防洪非工程措施等)则是开展洪水影响评价和洪涝灾情评估的必要信息。

1.2 分类编制分析

针对不同的服务对象，洪水风险图需要包含的内容是不同的，如防汛工作重点关注的是洪水险情可能出现的位置与等级、可能影响范围、受影响区域内基础设施与重要物资的分布情况、受灾人口转移安置等;规划工作主要关注的是不同强度的洪水可能形成的淹没特征、社会经济发展现状与规划信息、灾害避难所布局等［13］。通过借鉴国内外的研究成果，将编制不同用途的洪水风险图所需的洪水风险信息统计于表1。

2 洪水风险图在工程规划中的应用分析

确定防洪排涝工程建设标准和分析投入产出效益是制定城市防洪排涝工程规划最重要的环节。根据防洪排涝工程规划方案建立区域洪水风险分析模型、设计暴雨与洪水计算方案，应用模拟得到洪水风险信息编制洪水风险图，并与现状工程条件下的洪水风险图作对比，据此评价规划方案的实施效果及工程投入-产出效益。运用洪水风险图进行防洪排涝工程规划方案评价的流程如图1所示。

3 案例研究

本文以福州市制定排涝工程规划为例对洪水风险图编制作实例研究。研究所用基础资料是取自于福州市城乡规划局和福州市规划设计研究院编制的《福州市排水专项规划(2010-2020)》［14］，该规划制定了福州市2010-2020年城市排涝工程建设的目标。本研究针对福州市现状排涝工程和2020年规划排涝工程开展洪水风险分析，根据洪水风险分析成果编制现状与规划排涝工程下福州市洪水风险图，进而对规划排涝工程的减灾效益进行评价。

图1 应用洪水风险图进行防洪排涝工程规划方案评价过程

3.1 城区规划排涝工程

城区排涝工程规划方案是根据《福州市排水专项规划》提出的2020年排涝工程预期目标设计，具体包括高水高排、内河整治、排涝站改造、设置滞洪区、水库扩容等多项措施。

(1)高水高排

高水高排措施是指通过建立特殊的排洪设施，将福州市中心城区北面和东面山地集雨区上形成的山洪水体引入闽江的措施。排洪设施主要有渠道、暗涵、渡槽、管道及隧洞等多种形式，根据福州市中心城区上游山地集雨区的分布特征将泄洪线分为东区泄洪线和西区泄洪线，如图2所示。东区泄洪线总长为12 906 m，其中隧洞长度为3 638 m，渠道长度9 268 m;西区泄洪线总长11 832 m，其中泄洪隧洞长度9 886 m，渠道长度1 946 m。

(2)内河整治

内河整治措施包括河道清淤与拓宽。福州市中心城区河网发达但河道坡降较小，主干河道平均坡降不足0.2％，而河道承担着城区排污与排涝双重职责，进入河道的垃圾、生活污染物等造成了严重的河道淤积问题;同时内河因受闽江潮水涨落潮影响，河道水流为往复流，闽江上游来水夹带的泥沙亦会造成下游河道淤积。为了提高内河河道的蓄、排水能力，福州市对内河进行了整治规划，规划方案见表2。

图2 “高水高排”泄洪线分布图

表2 福州市中心城区内河规划整治方案表

3.2 城市洪涝仿真模型

本文运用福州市雨洪仿真模型［15］，模拟不同设计降雨情景下，福州市现状排涝工程与规划排涝工程条件下城区洪涝的演进过程。福州市雨洪仿真模型对城市的下垫面、防洪工程、排涝系统进行概化处理，以城区河道、管道及地表的水流运动为模拟对象，其中平面水流采用二维非恒定流方程描述;对宽度较小的河道、街道中的水流采用一维非恒定流方程描述。

模型在计算过程中采用无结构不规则网格对研究区域进行离散，水深由连续方程对任一网格的显示离散化形式求得:

式中:Ai为网格i的面积;lik为i网格的第k条通道的长度;Qik为i网格的第k条通道上的单宽流量;Hi为i网格的水深;Δt为时间步长;qi为i网格的源汇项;T为计算时刻。

河道型和陆面型通道上的流量采用简化的二维非恒定流动量方程的离散格式计算，忽略了动量方程中的对流项，保留方程中的局地惯性项、重力项和阻力项，离散形式如下:

式中:Zj2，Zj1为j通道两侧单元的水位;DLj为j通道两侧单元形心到j通道中点的距离之和;n为糙率; Δt为时间步长;Hj为通道j上的平均水深;g为重力加速度;Qj为通道j上的单宽流量;T为计算时刻。

市区内宽度较小的河道和街道设计为特殊性通道，通道内水流既沿着通道方向流动，同时还与通道两侧网格进行交换。沿通道方向的水流按一维明渠非恒定流计算，特殊通道与网格间的流量采用堰流公式计算。特殊型通道上的水位和流量计算以特殊节点为计算单元，特殊节点由通道交点及其连接的所有特殊通道(取一半长度)组成，通道的宽度、底高程均根据实际的河流或街道断面设计，连续性方程的离散格式如式(3)。

式中:Adi为计算单元i的面积;为计算时段内沿通道方向流入和流出计算单元i的水量之和，流入计算单元Qik为正，流出计算单元Qik为负;为计算时段内计算单元i与两侧网格间交换水量之和，流入计算单元Qij为正，流出计算单元Qij为负;qdi为计算单元i的源汇项;Hdi为计算单元i上的水深;Δt为时间步长;T为计算时刻。

关于福州市雨洪仿真模型的建立、调试、验证、误差原因分析等，见参考文献［15］。

3.3 模拟方案的设计

洪水仿真模拟选取城区50年一遇和100年一遇降雨2种计算方案，闽江水位均选用1年一遇情景。福州市50年一遇和100年一遇设计24 h降雨总量分别为223.9mm和248.7 mm，雨型分布如图3和图4所示。

图3 福州市50年一遇设计24 h降雨过程

图4 福州市100年一遇设计24 h降雨过程

图5 现状防洪排涝工程条件下50年一遇降雨情景洪水风险图

图6 规划排涝工程条件下50年一遇降雨情景洪水风险图

图7 现状防洪排涝工程条件下100年一遇降雨情景洪水风险图

图8 规划排涝工程条件下100年一遇降雨情景洪水风险图

3.4 洪水风险图编制成果

应用福州市雨洪仿真模型求得50年一遇和100年一遇降雨在城区形成的洪水淹没特征，绘制福州市现状防洪排涝工程与规划排涝工程条件下的城区洪水风险图，如图5～图8所示。

3.5 减灾效益统计

将规划排涝工程运用前后城区不同等级洪水风险的影响范围、面积变化率、可能受灾人口的减少量、可能受灾GDP的减少量统计于表3，结果表明规划排涝工程可显著的减轻城区的洪水风险，使居民与财产得到有效地保护。

4 结论

本文提出了洪水风险图分类分层编制技术，将洪水风险图划分为实际洪水淹没图、洪水风险预测图和水灾风险评价信息等3个层次，并根据分层设计原则对编制不同类型洪水风险图所需的既往洪水信息、洪水风险预测信息、水灾风险评价信息做了详细论述。文中以福州市制定排涝工程规划为例对洪水风险图编制作实例研究，针对不同重现期的暴雨情景，应用福州市雨洪仿真模型分析了福州市在现状排涝工程条件下和2020年规划排涝工程条件下可能形成的洪水风险，根据洪水风险分析成果编制了现状与规划排涝工程下福州市洪水风险图，并据此对规划排涝工程运用前后的减灾效益做了对比分析。分析结果表明:规划防洪排涝工程可有效提高城区的防洪排涝标准，可将城区的排涝能力提高至遇20年一遇降雨城区不积涝的水平;规划方案为福州市内河制定了拓宽和清淤处理的目标，工程达标之后内河的蓄、泄洪能力将会得到显著提升，但若发生超标暴雨部分内河仍可能面临着较重的泄洪压力，实际工作中应结合具体的洪水风险分析成果来制定防洪减灾措施。

表3 规划工程运用前后城区洪水风险分布特征统计

［1］程晓陶.我国推进洪水风险图编制工作基本思路的探讨［J］.中国水利，2005(17):11-13.

［2］Haddow，George D，Jane A Bullock，2003，Introduction to Emergency Management，Amsterdam:Butterworth-Heinemann，ISBN 0 -7506-7689-2.

［3］Federal Emergency Management Agency.Guidelines and Specifications for flood hazard mapping partners［S］.USA，Federal E-mergency Management Agency，2003.

［4］张旭，万群志，程晓陶，等.关于全国推广洪水风险图的认识与设想［J］.自然灾害学报，1997，6(4):61-67.

［5］Ministry of Land，Infrasturcture and Transport.Flood hazardmap manual for technology transfer［S］.Japan，Ministry of Land，Infrasturcture and Transport，2003.

［6］国家防汛抗旱总指挥部办公室.洪水风险图制作纲要(试行)［Z］.1997.

［7］中华人民共和国水利部SL 483-2010洪水风险图编制导则［S］.北京:中国标准出版社，2011.

［8］国家防汛抗旱总指挥部办公室.洪水风险图编制技术细则(试行)［Z］.2009.

［9］刘国维.论防洪减灾非工程措施的定义与分类［J］.水科学进展，2003，14(1):98-103.

［10］Juliana Maantay，Andrew Maroko.Mapping urban risk:Flood hazards，race，＆environmental justice in New York［J］.Applied Geography，2009(29):111-124.

［11］毛德华，何梓霖，贺新光，等.洪灾风险分析的国内外研究现状与展望(I)—洪水危害风险分析研究现状［J］.自然灾害学报，2009，18(1):140-149.

［12］刘春腊，马丽，刘卫东.洪水灾害社会经济损失评估方法研究述评［J］.灾害学，2014，29(2):136-141.

［13］徐伟，胡馥妤，明晓东，等.自然灾害避难所区位布局研究进展［J］.灾害学，2013，28(4):143-151.

［14］福州市城乡规划局，福州市规划设计研究院.福州市排水专项规划(2010-2020)［R］.福州:福州市城乡规划局，2010:56-62.

［15］李帅杰，程晓陶，郑敬伟，等.福州市雨洪模拟［J］.水利水电科技进展，2011，31(5):14-19.

Study on Draw ing of Flood Risk M aps for Cities——A Case Study on Fuzhou

Li Shuaijie1，Xie Yingxia1and Cheng Xiaotao2
(1．China Academy of Urban Planning＆Design，Beijing 100037，China; 2．China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China)

Flood risk map is a generic term of a series of diagrams identifying distribution characteristics of risk information as causes，grades，features，objects endangered and emergency countermeasures etc.，and has become one of the importantnon-engineeringmeasures on flood control and disastermitigation for cities athome and abroad.In view of the diversified needs of flood risk map in China，drawing up of themap is studied from different service purpose.A multi-layermappingmethod is proposed，and the flood risk map is divided into three layers including the actual flooded mapping，flood risk forecastingmapping and flood risk assessment information.The information that are used formaking flood hazard mapping，involving past inundation information，flood hazard forecasting information and flood risk assessment information，are discussed according to the design principle ofmultilayer flood mapping.Urban flood simulation model is used tomake information for the flood hazard mapping，and calculation conditions of themodel，including initial conditions，boundary conditions and run controlmode，could be properly selected according to the purpose of flood hazard mapping.

flood hazard mapping;multi-layer mapping method;urban flood simulation;flood risk; Fuzhou City

TV877;X43

A

1000-811X(2015)01-0108-07

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.01.021

李帅杰，谢映霞，程晓陶.城市洪水风险图编制研究——以福州为例［J］.灾害学，2015，30(1):108-114.［Li Shuaijie，Xie Yingxia and Cheng Xiaotao.Study of Urban flood hazard mapping［J］.Journal of Catastrophology，2015，30(1):108-114.］

2014-08-08

2014-09-10

国家自然科学基金重点项目(50739003);城市地表径流污染控制与内涝防治规划研究(2013ZX07304-001-7);十二五国家科技支撑计划(2012BAJ15B01)

李帅杰(1984-)，男，河南登封人，博士，从事城市洪涝风险研究.E-mail:lishuaijie2006@163.com