韧性城乡理念下的区域雨洪安全格局研究

李建华 张兴超 任彬彬 孔维东

摘 要： 为提高城乡韧性，减少雨洪灾害对城乡发展造成的损失，选取北京房山区为研究对象。基于SCS模型计算出研究区域极端降水情况的降水量，利用等体积计算的方法，借助ArcGIS软件对房山区极端降雨情况下进行雨水淹没模拟分析，将其与河道缓冲区进行整合构建雨洪淹没格局，并根据各个流域和河道的平均淹没深度构建雨洪安全格局。根据各个乡镇所在地区的雨洪安全格局类型，基于韧性城乡理念，对不同类型淹没区提出了具有针对性的工程措施优化建议和非工程措施优化策略，旨在为韧性城乡发展中对雨洪安全格局的构建提供方法参考与借鉴。

关键词：韧性城乡;SCS模型;体积计算法;雨洪安全格局

中图分类号：TU984   文献标志码：A   文章编号：1674-7356（2021）-02-0079-07

近些年来全球气候问题持续恶化，地球水循环速度加快。在此影响下，极端降雨导致的雨洪灾害事件频发，造成了大量的财产损失。据不完全统计，全球每年由于雨洪灾害所造成的财产损失约占自然灾害的40%。而在我国，有年均超1亿的受灾人数，城乡洪涝灾害造成经济损失可达国内生产总值的1%—2%[1]。在这种情况之下，如何提高城市的韧性，构建有效的城乡雨洪安全格局，减少雨洪灾害造成的经济损失成了城乡发展的关键问题之一。

自20世纪70年代开始，欧美一些发达国家相继开展了以集总式模型为主的城市雨洪模型研究。到80年代开始出现了分布式水文模型，这种水文模型能够反映由于城市下垫面空间的异质性，并且已经初具地表径流模拟功能[2]。90年代开始，我国学者在国外的研究成果基础之上，陆续提出了SSCM、CSYJM等城市雨水径流模型[3-4]。到目前，这些雨洪模型已成为模拟、预测城市暴雨内涝灾害和城市防洪减灾的重要手段。但是这些研究大都是对于城市内部的模拟研究分析。在城乡统筹发展的大背景下，利用水文学、地理学、计算机学等多学科交叉的方式下进行区域空间的雨洪安全格局构建研究，主要从宏观尺度下对区域雨洪灾害做出预测和有针对性优化建议。对于提升城乡韧性发展，减少由于雨洪给城乡带来的灾害有着重大意义。并且这样基于多源数据和GIS的功能耦合是必然趋势，可以节省人工大尺度水文模型构建的人力和时间。

一、研究基础

（一）理论基础

1. 韧性城乡理论

“韧性”一词被社会学、生态学等多个学科领域广泛应用，虽然在每个学科领域对其内涵理解的存在差异，但以共同理解是，系统能够抵御外界的变化干扰并保持自身的功能不受明顯的影响。随着城镇化与城乡统筹发展不断深入，韧性发展也出现在城乡规划领域。在2017年6月，韧性城乡建设第一次在国家层面上提出。“韧性城乡”是指城乡系统能够在抵御外界的干扰时，保持城乡自身功能正常运行不受明显影响。

城乡系统是一个始终受到系统诸多因素影响的巨型系统，这些因素不仅是城市自身社会、经济发展中面临的城市病问题，也是包含地质灾害、气象灾害、生物多样性以及雨洪灾害等外部自然灾害[5]。“韧性”是目前国际上在防灾减灾问题上用词频率最高的概念。对雨洪安全格局的研究不仅是城市内涝、雨水径流污染等城市问题，还有洪水、强降水等自然灾害对区域的影响[6]。

2. 雨洪安全格局概念

雨洪安全格局的概念源自于生态安全格局，作为生态安全格局研究的一部分，雨洪安全格局是以水为重点研究对象。综合水安全格局包括水源保护全格局和水生态安全格局，是与水源地环境保护和水灾害预防等多个方面的耦合交错[7]。而雨洪安全格局主要是指雨水和洪水两部分，而作为水安全格局中的重要部分，雨洪安全格局同属于规划范畴。目前，对雨洪安全格局学术界还尚未有明确的定义。通过水安全格局和生态安全格局的内涵来看，雨洪安全格局是雨洪发生过程与其过程中对城乡安全的反馈作用[8]，通过判断识别雨洪过程中雨洪汇流的关键位置确定雨洪过程中淹没区的空间布局，再根据雨洪空间分布特征构建雨洪安全格局来实现对雨洪过程的有效控制[9]。分为洪水安全格局和内涝安全格局两个部分，及设计雨洪廊道、雨洪淹没安全格局、雨洪污染安全格局等多个维度。

（二）地表径流计算参数的确定

SCS模型是目前对流域水文研究应用最普遍的模型之一。SCS模型根据研究区域的土壤类型、土地利用方式以及降雨发生前土壤含水量等因素对降雨过程中地表径流的影响，基于水平衡方程、等比假设构建的，其显著的特点是模型结构简单、所需参数少[10]。但是由于SCS模型的参数研究尤其是 CN 值的选择，在国内地区还未得到普遍认可的数据，因而在精度上还需要进一步的试验验证加以调整。

等比例相等假设是将研究区域的某一次降雨事件中的地表直接径流Q与实际累积入渗量F的比值等于研究区域降雨发生前潜在径流量与汇水区域的潜在入渗量S的比值，潜在径流量是降雨量P和地表初损值Ia的差值（初损值一般是由地表植物拦截、地表发挥、土壤渗透和填洼蓄水所造成），表达式如下：

水平衡方程是地表径流量Q、实际累积入渗量F与初损值Ia的总和等于研究区域降雨量P，表达式如下：

P = Ia + F + Q（2）

实验和经验表明雨水初损值Ia和最大滞留量S之间存在某种特定关系，表达式如下：

Ia = λS（3）

式中：λ表示区域参数，他和研究区的地理环境有关;λ的取值范围为0.1≤λ≤0.3，USDA在长期大量的实验基础上突出了λ最佳经验值为0.2。

由（1）（2）（3）式可知SCS模型降雨计算的表达式如下：

由式（4）可以看出：汇水区的地表径流量（Q）是由研究区域的降雨量（P）与研究区域降雨前汇水区的潜在入渗量（S）所决定，而研究区域的土壤类型及降雨发生前土壤含水量是决定汇水区潜在入渗量的影响因素。因此，SCS模型可以用一个经验性参数CN（地表径流系数）表示以上的综合影响因素，通过CN值来推算汇水区潜在入渗量（S），CN系数正常取值在0—100之间变化，具体数值应该根据研究区域的具体情况而定，表达式如下：

二、房山区雨洪安全格局研究

（一）研究区域

本研究的研究区域是北京市房山区，辖区面积为2 019 km2，位于华北平原和太行山脉的交壤处，其中山区地区、平原地区和丘陵地区各占三分之一。房山区地处海河流域，其境内大小河流共有58条，河流沟道总长860 km。流域面积在200 km2以上的河流有4条，分别是永定河、小清河、大石河和拒马河，其余的中小河流及沟道均为小清河、大石河和拒马河的支流[11]。

历史上房山区雨洪灾害频繁，山区洪灾以大石河和拒马河为重，平原洪灾以永定河、大石河下游、拒马河为重。根据资料统计，从1668年至1949年的345年间，发生较大洪水灾害达30余次。其中永定河、大石河和拒马河分别发生过11次、7次和5次较大洪水，造成部分堤段决口、洪水漫溢。

（二）雨洪安全格局研究

1. 雨洪安全格局模型构建

SCS模型数据库的建立。研究是通过建立SCS模型计算极端降雨情况的雨洪数据，利用ArcGIS技术对雨洪安全格局进行可视化的过程，这个过程是需要大量的数据支撑。本研究所需的数据主要有房山区30米精度数字高程模型（Digital Elevation Model）、房山区土地利用数据、房山区降雨数据及各类性质用地径流曲线数（CN）等，具体如表1所示。

雨水流域划分。雨水流域是研究地表径流模拟分析的基本区划单元。首先利用房山区DEM数据在ArcGIS里利用D8算法进行雨水流向分析，流向分析是根据每个像元与周边8个像元中最陡下降方向（即最大权重差值）确定的[12]。D8算法计算速度虽快，但这种计算方法让水流只流向一个方向，是单线传递，所以在流向分析之前要对DEM栅格数据需要进行填洼处理。

依据流向栅格数据通过流量工具计算每一个流入下坡像元的所有像元累积权重，得到流量栅格数据，权重累积多的像元相连接汇聚成河流。根据本次研究需求利用栅格计算器识别房山区河流栅格数据，并将该栅格数据与现状河流进行比对筛选出房山区河流栅格数据。将房山区河流作为雨水倾泻点集合雨水流向数据计算出房山区汇水区，根据本研究的精度需求和目的，本研究将房山区划分为60个雨水流域。

雨水流量的计算。美国土壤保持局根据土壤入渗能力的强弱将土壤类型划分为A、B、C、D四种，其土壤入渗能力依次减弱，饱和导水率Ks值分别为>180、18—180、1.8—18、<1.8 mm/h，具体如表2所示。

本研究中房山区水文土壤组的划分采用我国普遍公认的符素华等的研究结果，即房山区大部分的水文土壤组别是B。其次，利用土地利用图将房山区20种用地方式重分类为10种。结合美国农业部水土保持局发布的CN值并结合胡晓静等对北京市山区SCS模型参数研究成果确定本研究区域所对应的CN值[13-14]。最后，根据中国气象数据网房山区历年降雨数据可知，2012年7月21日，北京房山区最大降雨量（P）达到469 mm，为61年来最大。综合以上数据计算不同类型下垫层地表径流量，具体如表3所示。

雨洪安全格局的建立由雨洪淹没区和雨洪廊道两部分组成。首先，通过横切数字高程模型进行等体积计算，将由表2计算出的各个流域地表径流体积利用ArcGIS的表面体积工具在DEM数据（此DEM数据为流向分析时填洼处理前的原始数据）上进行反复拟合，再将拟合出的60个流域淹没区进行整合，进行雨洪无源淹没分析构建雨洪淹没区;然后，利用由DEM数据模拟出得房山区河流数据进行30 m緩冲区分区构建雨洪廊道，并与60个流域淹没区进行整合，构建房山区雨水淹没格局，并借助ArcGIS空间可视化功能进行可视化分析，如图1所示。

结合房山区径流累积量统计数据，利用DEM 高程数据，计算60个流域淹没区及主要河流的平均淹没深度。将淹没深度按照0—4 718 mm、4 718 mm—10 811 mm和大于10 811mm进行分级可视化，如图2所示，根据淹没深度将60个流域及主要河流分别划分为雨洪低风险区、雨洪中风险区和雨洪高风险区来构建雨洪安全格局，如图3所示。

2. 房山区乡村雨洪安全格局分析与讨论

图3可以看到雨洪低风险区分布在青龙湖镇、长阳镇、石楼镇、窦店镇、良乡镇、琉璃河镇、阎村镇、韩村河镇、长沟镇、张坊镇南部、大石窝镇南部、周口店镇东部、河北镇南部等13个乡镇和城关街道、新镇街道、向阳街道、东风街道、迎风街道、星城街道、西潞街道、拱辰街道等8个街道;雨洪中风险区分布在大石窝镇北部、周口店镇西部、河北镇北部、十渡镇西南部、张坊镇西部、蒲洼乡南部、佛子庄乡南部、霞云岭乡西北角和长沟镇等9个乡镇;雨洪高风险区分布在大安山乡、史家营乡、南窑乡、张坊镇、霞云岭乡、蒲洼乡北部、十渡镇东北部和佛子庄乡北部等8个乡镇。根据雨洪安全等级分布特征可知雨洪低风险区主要分布在平原地区，雨洪中风险区主要分布在丘陵地区，雨洪高风险区分布在山地地区。

统计各个乡镇地区雨洪淹没区面积和淹没区占比，如图4所示。数据显示大安山乡等6个乡镇地区雨洪淹没区面积小于5 000 000 m2，长阳镇和琉璃河地区雨洪淹没区面积大于40 000 000 m2，佛子庄乡、十渡镇及其他乡镇地区雨洪淹没面积在5 000 000—40 000 000 m2之间。从雨洪淹没区面积在各个乡镇地区的占比来看，雨洪低风险区的平原地区淹没面积高于雨洪中风险区的丘陵地区高于雨洪高风险区的山地地区。雨洪高风险的山区各区域雨洪淹没区占比均低于10%，最低为大安山乡，占比为1.5%，雨洪低风险的平原地区各乡镇雨洪淹没区均超出30%，最高为阎村镇，占比达53.9%。

山区和平原地区地形存在差异，汛期雨洪本身造成的灾害及由于雨洪造成的次生灾害也不尽相同。山区地势高差大，水流湍急，且洪水携带泥沙量大，所以极易造成水土流失和滑坡、崩塌、落石、泥石流等地质灾害。相对山区来说，平原地区处于山区水流下游，发生洪灾时积水量更大，洪水四处蔓延，受灾波及面广，且由于水流速度慢，积水时间更长。

房山区西部山区和丘陵占有三分之二面积。由于山陡坡高、沟壑纵横、植被稀疏，易出现水土流失及山洪、泥石流灾害情况，而且暴雨汇流时间短，峰值高且流量巨大，对汇水区下游造成较大威胁。房山平原区面积占全区总面积的三分之一，但却聚集着全区包括房山新城在内的社会经济发展重点。该区域地势低洼不平，既要抵御房山区本地山洪和永定河洪水，还要防止排水不畅造成的内涝。

（三）基于韧性城乡理念的房山区雨洪安全优化策略

1. 工程措施优化策略

为了提高城乡韧性，雨洪灾害防御工程措施主要通过排洪沟渠治理、排导槽、拦沙坝、谷坊坝、护岸及堤防防护工程和河道疏浚等工程措施，提高城乡或城乡系统能抵御雨洪的冲击能力和良好的泄洪能力，从而保证城乡自身功能的正常运行。工程措施结合水土保持、小流域综合治理进行。

根据不同安全等级雨洪安全格局提出适宜的工程优化措施。其中，雨洪高风险区和雨洪中风险区根据峰值高且流量巨大的雨洪特征将河流等级分两种类型优化建议，即荒溪支流河道流域地区及重点河道流域地区，如图5所示。荒溪支流河道流域地区采取建设拦沙坝和谷坊坝措施，拦沙坝和谷坊坝可以拦蓄荒溪上游山洪和泥石流中的沙石等物质，并由于沙石等物质的堆积让沟底加宽，减缓山洪的流速和冲刷力，可以有效治理荒溪地区水土流失。另外，拦蓄的泥沙等可以掩埋滑坡剪出口，减少滑坡灾害发生[15]。重点河道流域地区对沿河村镇段通过护岸及堤防防护工程，有效防止洪水对原有天然岸坡的冲刷和侵蚀，还要对河道进行疏浚，以便于暴雨天气时的行洪畅通。山区重点河道遵循“上蓄、中疏、下排”的原则，构建由水库、河道及堤防工程组成的防洪体系。

雨洪低风险区采用“疏” “蓄” “挡”相结合的方法。“疏”是通过周边的排洪沟渠、排导槽对降水进行排放，以便于积水能够顺利排入周边水系，避免内涝发生。“蓄”是利用水库、河塘等在暴雨来临时进行蓄水来减少积水。永定河洪水对房山平原区威胁较大，官厅水库承担拦蓄上游境外洪水的任务。“挡”主要针对地势较低的小村庄，通过建设较高的防洪堤坝独挡洪水对村庄的破坏。

2. 非工程措施优化策略

雨洪灾害预防的非工程措施包含管理规划和防汛应急指挥系统两方面内容。管理规划内容为划定管理范围和保护范围和重点河道行洪线，加大执法力度，不得侵占、改变依法划线、定桩。在行洪线内严禁采砂和建设开发有碍正常行洪的阻水设施，并拆除现状侵占河道的违章建筑;应急指挥系统是由监测、预警和通信三个子系统组建。其中，监测子系统通过水文站网布设、视频监控站和河道摇杆监控构建。预警子系统囊括监测平台对降雨实时反馈、防御预案编制和建设群测群防体系等三个方面。雨洪灾害预防通信子系统一般是由主干通信网、二级通信网组建[16]。其中，主要通信网络通过电话、无线电、短信群发、传真等方式，实现市、县（区）、乡（镇）三级山洪预警通信信息的及时反馈，二级通信网络中的各级监测站通过GSM/GPRS通信、电话、短信等方式，保证监测数据的及时有效传输，乡镇通过电话和广播等方式到达村镇和家庭。

三、结语

在城乡统筹发展的大背景下，构建雨洪安全格局，对我国城乡预防雨洪灾害和减少灾害造成的损失具有重要意义。文章研究分析表明，位于平原的13个乡镇和8个街道部分地区处在雨洪低风险区，位于丘陵的9个乡镇处在雨洪中风险区，位于山地的个乡镇部分处在雨洪低高险区。因此更具保障力的防洪策略的提出和雨洪安全格局的構建就应该根据雨洪风险的不同等级的差异性，适宜的提出通过工程措施与非工程措施。由于城乡是一个始终受到外界诸多因素影响的巨型系统，不仅仅是规划、生态、安全、景观等多学科的交叉，更是涉及了经济、文化、社会等因素的影响，因此城乡系统的灾害防范是一个复杂的工程。那么在韧性城乡理念下构建生态安全格局，不仅仅从单一角度来考虑雨洪，而是通过参数化的数理模型和ArcGIS的空间模拟分析，将SCS水文模型和GIS空间模拟功能耦合来从多元数据与空间模拟上研究城乡区域的雨洪格局，相比传统的雨洪格局研究更能精确且直观地反映雨水径流的分布，结合交叉学科的理论基础，精准的对区域点、线、面雨洪安全进行防控。在城乡规划过程当中对关键位置的把控，以提高城乡韧性，为我国雨洪防灾体系构建提供参考，对实现我国城乡统筹和韧性发展具有战略意义。

注释：

①  地图来源： 本文采用的地图（图1，图2，图3和图5），审图号GS（2019）1822号，中国地图出版社，2019-04-22。

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Regional Rainwater and Flood Security Pattern under the Concept of Resilient Urban and Rural Areas

——A Case Study of Fangshan District of Beijing

LI Jianhua， ZHANG Xingchao， REN Binbin， KONG Weidong

（School of Architecture and Art Design， Hebei University of Technology， Tianjin 300132， China）

Abstract： In order to improve the resilience of urban and rural areas and reduce the losses caused by rainwater and flood disasters on their development， this article takes Fangshan District as the research object. Based on SCS model， it calculates the extreme precipitation. Aided by equal volume calculation method and ArcGIS software， it makes a simulation analysis of floods under extreme rainfall in the district and integrates it with the river buffer zone to build the flood pattern. And then the security pattern of rainwater and flood is constructed according to the average submergence depth of each river basin and channel. It has offered engineering and non-engineering measures for different flooded areas under the concept of resilient urban and rural areas. Such efforts aim to help construct rainwater and flood security pattern in resilient urban and rural development.

Key words： resilient urban and rural areas; SCS model; volume calculation method; rainwater and flood security pattern

收稿日期：2020-04-08

基金项目：2020年度河北省社会科学发展研究课题（20200402037）

作者简介：李建华（1970—），天津人，副教授，博士，研究方向：绿色人居环境。