我国城市内涝灾害研究进展

(宁波大学 地理与空间信息技术系,浙江 宁波 315211)

1 引言

城市内涝灾害对人类活动的影响极其严重,有效预防和治理城市内涝灾害是研究的重点和热点。城市内涝灾害风险管理的关注重点是风险评估,这也是国内外学者关注的主要问题之一[1-3]。国内外对城市内涝灾害进行了早期危险性评估和风险评估,在城市防灾减灾工作取得了很多成就。

对城市内涝灾害进行研究,一般从危险性、风险性和敏感性等方面展开[4]。①在城市内涝危险性研究方面,国内主要基于情景模拟方法：石勇等对上海中心城区道路进行了城市内涝危险性研究[5];张振国等在社区尺度层面进行了城市内涝灾害危险性研究[6];权瑞松等在ArcGIS环境下运行城市内涝模型,对地表积水分布状况进行了模拟[7];景垠娜等基于ArcGIS的空间分析技术,对城市进行了内涝灾害的危险性研究[8]。国外建立了用于内涝模拟的数学模型,从较简单的概念性和经验性模型到非常复杂的水动力学物理模型[9,10],主要包括水量水质耦合模型[11]、SWMM模型[12]、MIKE-SWMM模型[13]等。②在城市内涝灾害风险性研究方面,国内董军刚等对城市进行了灾害受损分析、影响人口分析和灾害风险评估[14];刘娜等利用加权综合评价法,对各个因子指标进行了综合评估,并通过层次分析法、标准化处理方法分别对各个影响因子的权重系数和规范化数值进行了计算,最终基于ArcGIS技术对城市内涝灾害进行了精细化的风险评估与区划研究[15];仇劲卫等[16]、解以扬等[17]联合城市气象预报监测和洪涝模拟技术构建了城市内涝仿真模型,并在西安和重庆等城市进行了实验研究[18]。国外采用层次模糊分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process,FAHP)在多个决策者在场的情况下确定风险影响标准(即水文和水力、交通、社会、经济、环境、结构和绿色空间)的权重,将Storm and Sanitary Analysis(SSA)模型应用于水文和水力模拟[19]。

目前,在城市内涝灾害分析中一般采用了水文模型与地理信息系统空间分析技术、数学相结合的方法,模拟城市内涝极端事件造成的城市淹没程度[20-22],但选取的水文模型参数精度较低,而模型对数据的要求过高，并存在对城市地形起伏模拟不精确等问题,导致城市内涝灾害研究结果不精确。

2 城市内涝灾害的知识图谱分析

2.1 城市内涝灾害的引文量与发文量分析

为了更好地诠释城市内涝灾害研究的发展阶段,通过在中国知网中以“城市内涝”为主题或篇名进行检索,共获得3210篇文献(检索时段为1995—2019年,检索时间为2019年3月4日)：由于1995年、1998年和1999年没有发文量和引文量,因此本研究中不予考虑。研究结果表明：近20年城市内涝灾害文献的发文量大体上呈现出“先增加后减少”的趋势(图1a)。1996—2006年城市内涝灾害文献的引文量较少,2007—2019年城市内涝灾害文献的引文量也呈现先增加后减少的趋势(图1b)。近年来城市内涝灾害文献的发文量和引文量呈下降趋势,在城市内涝灾害研究方面有待进一步提高。

2.2 对城市内涝灾害文献进行可视化分析

本研究使用CiteSpace软件对城市内涝灾害文献进行了可视化处理,在CNKI进行文献检索。以“城市内涝”为关键词或篇名进行检索(检索时间段为1995—2019年,检索时间为2019年3月4日),共获取1866篇文献。

高频关键词分析:高频关键词的分析可体现一个研究的方向和重点。本文使用CiteSpace软件对所选的1866篇文献进行了关键词分析,将聚类点设为“keyword”,阈值设为Top50，用CiteSpace软件以“关键词”为主题进行分析。其中,“城市内涝”出现频率最高,达到1026次;其次是“海绵城市、低影响开发、内涝”。从出现高频率的关键词中可得出，“海绵城市、低影响开发、内涝、排水系统、暴雨、排水管网、城市排水系统”与城市内涝灾害的联系较密切,其次是“排水系统、暴雨、排水管网、城市排水系统”也占有一定的比重(图2、表1),说明较注重城市内涝排水系统的研究。

图1 城市内涝灾害主题发文量与引文量

图2 城市内涝灾害关键词聚类图谱

序号词频关键词11026城市内涝2340海绵城市393低影响开发480内涝564排水系统651暴雨746排水管网846城市排水系统940内涝防治1037雨水

高产期刊分析:经统计分析,发现1866篇文章发表在101种期刊杂志上,分布范围较广泛。对发文高产期刊进行排名,发现深圳特区报作为排名第一的期刊,从1995—2019年共发表75篇主题为“城市内涝”的论文。1996年之后,国内多所知名高校和研究所相继撰写了高水平的文章,丰富了相关研究内容。CiteSpace的中介中心度是指网络中的一个actor充当中介的能力,指示actor资源控制的程度。深圳特区报、中国科学院、南方日报、司法部《中国司法》杂志和珠海特区报的中介中心度排名相对较高,在研究群体中的影响力较大;其次是同济大学环境科学与工程学院和中国水利水电科学研究院等也发表了大量论文(图3、表2)。

图3 城市内涝灾害发文期刊聚类图

期刊和机构发文数量占比(%)深圳特区报7516.03中国科学院5110.90南方日报5010.68司法部《中国司法》杂志5010.68珠海特区报5010.68同济大学环境科学与工程学院91.92中国水利水电科学研究院91.92北京工业大学建筑工程学院91.92中国城市规划设计研究院91.92其他15631.62

图4 城市内涝灾害高产作者聚类分析图

高产作者分析:从论文高产作者分析可见(图4、表3),吴学安在“城市内涝”领域研究论文最多,1995—2019年发表论文53篇,研究涉及环境质量、技术创新、城市排水系统等领域;其次是宋时飞、胡印斌、尹卫国等发表论文数量较多。从发文时间和数量来看,吴学安、宋时飞、胡印斌、尹卫国、朱磊在城市内涝研究领域中具有很大的影响力,为城市内涝理论研究奠定了基础。

表3 城市内涝灾害的高频作者分析

3 城市内涝灾害内涵与组成要素

城市内涝灾害带来的危害分为直接危害与间接危害：直接危害为洪水、沉积物和漂浮物对人类及财产带来的直接威胁;间接危害为直接危害在一定时间与空间范围内可能出现的影响,如公共服务和交通中断等。

3.1 城市内涝灾害内涵

城市内涝灾害包括由短时间的强降雨或长期降雨过度集中造成的洪涝灾害。大多数情况下,洪灾与涝灾经常同时发生,但含义不同。洪灾是指降雨量过大产生的耕地被水淹没、房屋与堤坝被毁坏,以及山洪等次生灾害;涝灾是指在相同降水的条件下,洼地排水不能及时排出的情况。

3.2 城市内涝灾害组成要素

城市内涝灾害具有自然属性和社会属性两种属性：从自然属性来看,短时间内过量降雨或长期降雨较集中,是城市内涝灾害产生的前提；从社会属性来看,如果有城市就有可能发生内涝灾害。其组成要素主要为:①孕灾环境。孕灾环境是城市内涝灾害产生的自然环境和人文环境,自然环境包括气候、地形、河流等,人文环境包括道路系统、工业和商业等,它们共同决定了灾害因素时空分布特征的背景[23]。②致灾因子。致灾因子是指在各种情况中可能会造成人口死伤、财富受损和社会动荡的各类因素。在一定条件下,其他灾害事件也可能引发内涝灾害,如由地震引起的山体滑坡和海啸等。人口及其经济活动往往向城市集中,因此城市是自然灾害的高风险地区[23]。③承灾体。承灾体是指受灾害风险影响的人口、建筑和道路等各种因素,人是受灾害和破坏影响的主要对象。此外,承灾体还包括城市道路、农业和工业等[23]。

4 城市内涝灾害危险性评价方法

对城市内涝灾害进行危险性评价时,首先要对城市内涝的灾害特点和气候特征进行分析,采用气候倾向率和多项式曲线拟合等统计分析方法,使用EXCEL和SPSS等软件对城市内涝灾害特点和气候特征进行分析[24]。以历史灾害数据和影响灾害产生的诸多关键因素为基础,利用情景模拟方法,建立未来灾害情景模拟,用于评估不同的内涝灾害强度。国外用于评估城市内涝灾害的情景模拟方法相当成熟,用来模拟气候变化,如区域降水和温度[5]。

基于情景模拟,我国有两种类型的内涝研究:一种是构建城市降水模型、地形模型和排水模型[25,26]；一种是使用数值模拟方法求解算二维非恒定流方程[27,28]。社区研究方面,以社区为单位构建城市社区内涝模型进行危险性等级划分,得出城市社区内涝积水深度分布图[6]。城市内涝灾害产流模拟方面,利用SCS降雨径流模型对城市内涝产流进行模拟,利用局部等级法、水动力模型为理论和基础进行城市内涝汇流模拟[24]。根据不同的城市内涝灾害指标、不同的理论和应用水平,一般有多种城市内涝灾害危险性分析方法，常见方法与使用范围见图5。

图5 城市内涝灾害危险性分析方法

5 城市内涝灾害承灾体易损性评估方法

对城市进行易损性分析时,选择人口密度、人均GDP和道路密度作为城市内涝灾害脆弱性的主要评价指标[15]。在对人口密度进行分析和对历史资料进行统计的基础上,建立该城市近年的历史人口序列和城市内涝受灾面积序列,在此基础上利用SPSS软件分析两者的定量关系[29]。在建立城市人口空间化模型的基础上,基于ArcGIS建立30m×30m规则格网,结合土地利用类型数据,利用强大的空间分析功能分别统计每一个规则格网内城镇用地、居民用地和耕地的面积,以规则格网为基本单元,最终得到灾害风险的城市人口空间分布图。在GDP产值方面,根据三大产业影响因子的确定,基于ArcGIS建立规则格网,分别计算和统计各行政区三大产业单位面积的GDP产值。在道路交通网方面,通过ArcGIS空间分析Density功能实现道路密度计算,以此反映城市道路分布特征和密集程度。在以经济指标分析方面,通过人口密度和土地利用情况等社会经济指标分析内涝灾害的易损性[30]。综合研究城市内涝灾害的特征,划分易损性时对人口密集程度、房屋建筑用地占该区总建筑用地比例、GDP产值三个因素进行分析[31]。通过城市工商企业、城市居民家庭财产和各类工程设施建立承灾体易损性评估模型[32]。在城市内涝灾害损失增长率方面,对城市内涝灾害损失增长率进行分析,构建内涝灾害损失估算模型[33]。

6 城市内涝灾害风险评估基本方法

与其他地区相比,城市系统结构更复杂,城市内涝灾害承灾体的类型与特征更加多样化。可将城市系统分为地上建筑与地下空间设施两部分，由于地上建筑与地下空间设施特征差异显著,因此这两类承灾体的城市内涝灾害风险评估方法存在一定的差异性。充分考虑城市系统的独特基本特征,构建一个计算相对简单的城市内涝模型,可快速模拟和分析不同情景下不同区域的水深。基于不同类型的承灾体特征,分别建立适用于地上建筑与地下空间设施的高精度、定量化城市内涝灾害风险评估模式[7]。根据上海市暴雨内涝灾害的特征,确立了灾害损失和受灾人口两个主要的灾害风险指标,并依据两个指标的数值分布状况分别对其建立分类标准并进行分级[14]。在利用ArcGIS方面,以上海市浦东新区为例,利用ArcGIS栅格空间分析技术分析了重现期不同年份6种城市内涝灾害情景下的洪水等级和程度[8],再运用自然灾害风险评估方式,利用ArcGIS对城市进行风险评估区域划分[34]。基于模糊评价法,综合应用内涝数值模拟模型并结合指标权重确定、阈值划分和评价等级划分等方法[35]。

7 城市内涝灾害综合分析

城市内涝灾害综合分析是采用加权综合法对城市内涝灾害进行综合研究,需要收集社会经济数据,如人口密度、房屋建筑面积、GDP产值等。利用关键数据和主要的内在灾害天气状况的综合分析进行城市灾害区划。根据文献分析得出,国内外学者对危险性和易损性分析较多,对敏感性的分析较少。在敏感性分析方面,主要利用ArcGIS空间分析法,如核密度分析、自然断裂分类法等,以及运用遥感影像分析法和层次分析法[36]。对上海市地下轨道进行敏感性分析,主要选取出入口作为敏感性因素,如地势、台阶高度、类型和排水能力[37]。本文主要分析了城市内涝灾害的危险性、易损性和风险性,涉及敏感性较少,对危险性、易损性和敏感性的分析方法见图6。利用加权综合法,对城市内涝灾害进行综合分析,这种方法使城市内涝灾害评估更科学。

图6 城市内涝灾害综合指标体系

8 结论

随着人们对小规模的城市内涝灾害评估的需求逐渐增长,要求的精度较高,通常需要配合危险性分析、易损性分析和敏感性分析三种指标,完成城市内涝灾害评估工作。为了进一步研究城市内涝灾害,有必要在城市内涝灾害分析过程中认识到以下问题:①在目前的城市内涝灾害评价研究中,灾害承载体的选择是有限的,通常是单一的灾害承载体,仅限于对人口和建筑物的评价。对工业区、商业区、通信系统、土地、动植物脆弱性评价工作尚未开展,承载体的多样性是今后关注的重点。②到目前为止,城市内涝灾害评价大多是在大型城市进行,对小尺度、小规模的城市评估较少,且城市内涝灾害评估中很少考虑气候变化因素。未来的气候变化可能会改变现有软件模型的降雨参数和模式,从而影响内涝的发生,城市内涝灾害评估与气候变化相结合将为未来30—50年的规划和发展带来巨大的好处。③关于城市内涝模型的开发和应用,主要对致灾因子危险性分析研究较多,敏感性研究较少,未来将模型和易损性分析、敏感性分析相结合是需要突破的重点和难点。