基于GIS的台州临海暴雨内涝模型研究

张弛+潘少华+吴颖晖+金凌鹏+王杰

摘要：该文基于笔者参与的国网浙江省电力公司科技项目，以基于GIS的台州临海暴雨内涝模型为研究对象，论文首先分析了暴雨内涝成因，进而基于GIS构建了内涝仿真模型和内涝模型，以供相关人士参考与借鉴。

关键词：暴雨 内涝模型 仿真模型

1世纪被称为城市的世纪，联合国前任秘书长加利在谈到城市的地位时曾说：“在未来社会里，城市特别占主导地位，城市的未来不仅决定了各国的前途，而且将决定整个地球的命运”。城市作为人类文明的标志和社会经济发展的载体，是人口、经济和社会发展的重要区域和集聚中心，同时也是自然灾害易发和频发区域，特别是随着气候变暖和城市化进程的加快，洪涝灾害已成为影响世界各国城市安全和经济社会发展的主要自然灾害，且频度和强度不断加强。从2000年至今，日本首都东京、捷克首都布拉格、美国新奥尔良市、澳大利亚罗克汉普顿市、泰国首都曼谷、越南岘港市、印度首都新德里等城市均发生了严重的洪涝灾害，损失巨大。中国城市虽然与洪涝灾害有4 000多年的斗争史，但在洪涝灾害面前，人类依然显得渺小，仅1998年洪涝灾害就造成3 000人丧生，1 500万人无家可归，并造成了200亿美元的经济损失。近几年，洪涝灾害极大地束缚了我国城市的正常运转，并有愈演愈烈之势，特别是2011—2016年，北京、上海、武汉、成都、杭州、南京、重庆、大连等大城市轮番上演暴雨淹城的景象，给居民的生活及城市形象带来严重的影响，“逢暴雨必涝”已成为中国城市的真实写照。因此，城市洪涝灾害已成为各国媒体与公众关注的热点，而预防与减少洪涝灾害则成为各国政府与学者研究的重点课题。本文选择浙江台州临海市，应用GIS技术，开展了暴雨内涝模型构建研究。

1 研究区域概况

试点区域选择在台州临海市，为浙江省台州市代管县级市（如图1）。

2 城市暴雨内涝成因分析

城市暴雨内涝其实质是由于暴雨径流不能及时排走而引起城市局部地面受淹，是由多种自然因素和人为因素共同作用而形成的，兼有自然灾害与人文灾害的双重性质。一般来说，主要有以下几方面的因素。

2.1 气候变暖对降雨的影响

气候变暖对生态系统的影响是多方面的，其中最重要的一条就是加速水循环过程，而水循环速度加快将导致暴雨增多。2007年由包括英国气象局哈德利中心在内的多个国家气候研究部门共同完成，并在《since》杂志上发表的一篇文章指出，人为因素造成的全球变暖是导致2007年夏季北半球部分地区暴雨成灾的罪魁祸首，这项研究首次证实了降雨量增加与全球气候变暖有关。由于人类活动导致大气中温室气体含量增加，产生了温室效应，同时，大气中含水量增加，雨强增大，大雨、暴雨的发生概率呈抬头之势。另外，城市热岛效应也有利于增强城市空气的对流，增加空气中水汽含量，水汽含量增加、足够的凝结核、空气对流强度增大这三大要素导致城市暴雨强度加大。

2.2 城市不透水面积对雨洪径流的影响

目前，我国正处于一个经济快速发展的时期，到处可见拔地而起、鳞次栉比的高楼大厦，城市道路也在不断地延长、拓宽，而作为城市主要透水区域的绿地面积则被逐步蚕食，从而使城市下垫面不透水面积比例不断增加，而不透水面积增加的直接水文效应表现为径流系数的增大和水文过程的尖瘦化。据统计，上海市1948—2002年新增城市建设用地4万hm2，随着建成区面积的增加，上海城区地面综合径流系数由1950年的0.53变为2001年的0.71，径流系数增加了34%，即在相同的汇水区域内，相同降雨场次的雨水径流总量将提高34%，大大加重了城市雨水排放系统的流量负荷。

同时，城市不透水面积比例的增加也提高了雨水汇流的水力效率，再加上原有的天然河道也往往被裁弯取直，其总长度及河网密度均有明显下降，堤岸也大都被人为硬化，使雨水径流在排放过程中流速增大，暴雨峰值提前，从而增加了城市暴雨内涝形成的概率。

2.3 城市雨水管网排水标准低

目前，我國城市采用的市政排水系统标准偏低，GB 50014-2006《室外排水设计规范》规定“一般地区，重现期一般采用0.5～3年；重要干道、重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，一般采用3～5年”。但在实际设计中，大多数城市的排水标准重现期多选取下限，如，北京、上海、广州大部分地区的排水标准为1年一遇，重点地区或特别重要地区为3～5年一遇，与国外城市普遍采用的2～5年一遇的排水标准相比，我国城市的排水标准偏低，而且一些老城区的市政排水系统已经使用几十年，部分管道老化破损，甚至堵塞，致使整个排水系统排水能力低下，是导致城市暴雨内涝的一个重要原因。

2.4 城市排水系统“雨污混接”现象普遍存在

目前，我国很多城市的排水系统形成了合流制、分流制并存的混合排水体制，新建区域多采用分流制排水系统。然而，由于我国城市排水系统的建设滞后于城市发展，部分城市排水系统执法监管不到位等原因，污水管道被人为接入或误接入雨水管网，实际上很多城市的分流制排水系统并未形成真正的分流制，雨污混接现象普遍存在。“雨污混接”使城市污水未经处理就通过雨水排放系统直接排入受纳水体，污染城市水环境；同时，还由于“污”走“雨”路，污水占据了部分雨水的排放空间，在一定程度上削减了雨水排放系统的排洪能力。

2.5 城市地面沉降日趋严重

随着社会经济的发展和城市人口的激增，城市用水量也随之迅猛增长，再加上地表水资源的匮乏，一些城市不得不大量超采地下水资源以满足工农业生产以及居民生活用水的需求，导致部分区域地下水位下降严重。据我国水利部《2008年中国水资源公报》的数据显示，截止2008年底，我国平原区地下水位降落漏斗数量共计81个，漏斗总面积7万km2，且地下水位降落量、漏斗区个数及面积均呈现逐年增加的趋势。地下水位的下降导致了诸如天津、上海、杭州、沧州等几十座城市出现了不同程度的地面沉降、塌陷等。地面沉降进一步加剧了城市内涝灾情。

2.6 城市排水管理体制不健全

城市排水管理是一个复杂而庞大的系统工程，涉及规划、城建、市政（给排水）、环境、水利等多个部门和专业，然而，各部门、各专业之间长期各自为政、各行其是，缺乏必要的沟通与合作，是我国城市暴雨内涝的一个间接原因。我国的城市排水管理体制历经多次变迁，从建国初期的块状管理到80年代的规划、建设分离，过渡到90年代兴起的规划、建设、管理分离模式。

90年代后期兴起城市水务一体化管理后，城市给排水基础设施管理模式更加复杂。城市内部的河道管理也相当复杂，如，有些地区采用了建国初期形成的块状管理模式，城市内部水系归城建部门管理，有些地区则由水利、水务部门实施对河道的管护。城市河道、城市内部排水基础设施是城市排水系统的重要组成部分，管理过程中，针对复杂的管理模式，需要协调不同部门，这就有可能导致排涝泵站收集不到雨水，而雨水排不出去。同时，由于城市暴雨洪水预见期短，暴雨预测技术、预测网尚不完备，再加上部分城市缺乏城市暴雨洪水预案，这就可能导致城市灾害应急管理措施不及时。

3 基于GIS的台州临海暴雨内涝模型构建

3.1 数据准备

（1）DEM（数字高程模型）数据。台州临海高分辨率DEM数据，1∶500比例尺的DEM数据。数据时效性要求为最新数据，不早于2014年。

（2）地形图数据。台州临海1∶500全要素地形图数据，房屋数据需要构面数据。

（3）暴雨公式。暴雨公式及其参数。

（4）土地利用类型数据。台州临海土地利用类型数据（构面数据），如，屋顶、路面、绿地和水系等。

（5）排水管网数据。台州临海排水管网数据：①排水管网的雨水管网数据。分为雨水管点和管线，包括平面坐标、地面高程、埋深、水流方向、材质、断面尺寸，检查井的类型、井深、断面尺寸。排水管线需要做接边处理，并且没有重复的管线以及独立的管线。②泵站的分布与排水能力。在模型计算中，考虑泵站的排水对管网中水流分布的影响。

3.2 城市内涝风险分析

（1）内涝风险区域确定。城市低洼地形處可能产生积水的最大区域是城市内涝的风险区域。在地形分析中，此类地形称之为洼地。基于DEM，设计洼地检测算法，确定城市易积涝区域，准确提取出洼地的范围和出口等特征信息。

（2）内涝风险分析。根据台州临海的地形数据，采用一定的算法确定水流方向，就可以确定整个城市区域地表的雨水运动过程，进而获得每一个低洼区域的上游汇水区域的面积，亦即水流累积值。上游汇水面积越大，降雨期间来自上游的水流累积量就越大，那么对应的低洼地形发生积水的风险也就越大。

（3）分析内涝风险时需要涉及的问题包括：①所依据的地形范围。②风险的承载对象。③最大积水深度。④水流累积值。首先要找到城市所在的流域，确定其范围，只有在合理的地形范围内才能得到符合实际的分析结果。其次，要确定风险承载的对象及其可承受的最大积水深度，不同的风险承载对象对水深的敏感程度存在较大差异，比如行人可忍受的积水深度小于车辆，在给定风险承载对象的前提下分析内涝风险才有实际意义。然后，计算每一个低洼地形的最大积水深度，当其低于风险承载对象可承受的最大积水深度时可以认为这个低洼地形的内涝风险较小；当其大诳沙惺艿淖畲蠡疃仁痹蛉衔玫匦蔚哪诶苑缦战洗蟆W詈？对于前述分析中有较大内涝风险的低洼地形计算水流累积值，并依据水流累积值和地形数据给出量化的风险值。

3.3 内涝仿真模型构建

强降雨是引发城市内涝的主要致灾因子。在强降雨发生时，排水能力不足的局部区域会形成地表积水，亦即城市内涝现象。建立城市内涝模型，实质上就是模拟雨水从大气层到达地表后，沿地表形成径流，最后经由排水管网输送到受纳水体的全过程。

这个过程可以分解为4个子过程，即降雨过程、产流过程、地表汇流过程、管网汇流过程。与之相对应的，是城市内涝模型的4个子模型：降雨模型、产流模型、地表汇流模型、管网汇流。

雨水运动的全过程如图2所示。A为时空分布有差异的降雨过程，对应降雨模型；B为雨水在地表的产流过程，对应产流模型；C为雨水径流汇集到雨水口的过程，对应地表汇流模型；D为排水管网的将雨水输送到受纳水体的过程，对应管网汇流模型。

3.4 暴雨内涝模型构建

该文所采用的城市社区内涝模型是集降雨模型、产汇流模型、数学计算模型和GIS空间分析模型为一体的综合模型。其中，降雨模型、产汇流模型是整个内涝模型的基础，数学计算模型和GIS空间分析模型是整个模型的核心。数学计算模型提供了数值方面的运算和算法的实现，GIS空间分析模型提供了GIS栅格空间分析方法和模拟过程的显示，如图3所示。

（1）降雨模型。为了保证计算的精度，暴雨强度公式由台州市气象局提供。在没有降雨资料或者资料不充分的研究区域，一般采用平均降雨强度表示一场降雨，认为降雨过程中降雨强度是不变的。采用这种处理方式形成的洪峰径流量可能比平均强度相同且强度随时间变化的暴雨形成的洪峰径流量要小，尤其是当雨峰在降雨历时的末端时。在实际的降雨过程中，开始时降雨强度较小，随时间增加而逐渐变大，然后又变小直到雨停。针对此种情况，该模型中选取了单峰雨型中的芝加哥暴雨过程线进行相应的演算。

（2）产流模型。用于产流计算的方法主要有径流系数法、超渗产流法、蓄满产流法和SCS径流曲线法。在城市区域短历时暴雨过程中，与形成地表径流的雨水量相比，植被吸收、蒸发和下渗所损失的雨水量可以忽略。据此，产流模型采用径流系数法。

（3）地表汇流模型。地表汇流模型描述了雨水径流产生后如何在地表运动，并最终通过雨水口进入排水管网的过程。模拟雨水口汇水区的地表汇流过程的模型有水力学模型和水文学模型两类。水力学模型在分析影响汇流过程的物理因素的基础上采用一定的数学模型来表达地表汇流过程的物理规律。水文学模型则不关心地表汇流过程自身的特性或控制其的物理规律，将研究区域视为一个系统，其目的是建立输入输出关系，模拟过去和预测未来，关注的是系统的功能。

（4）管网汇流模型。当模型计算精度要求较高时，需要提供管道的初始条件和边界条件，采用动力波模型模拟雨水径流在管道的流动，计算能力满足要求时采用Preissman隐式差分对整个排水管网进行同步解算；而计算精度要求一般时可以采用马斯京根法计算管道的流量过程，采用空间上依次解算的方式从上游往下游逐步对整个排水管网进行求解。

4 结语

城市暴雨内涝模型是一个复杂的系统工程，涉及灾害学、风险学、地理学、环境学和社会学等多个学科的理论与方法。该文只是从对城市暴雨内涝的理论、方法和实证做了有益的探索，相对于该研究领域科学理论的拓展和现实问题的解决还仅仅是一个开端。

参考文献

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