基于SCS-CN与GIS耦合模型的闽三角城市群承灾空间淹没风险研究*

丁锶湲, 王 宁,2, 倪丽丽, 曾 坚

(1.天津大学 建筑学院，天津 300072；2.厦门市城市规划设计研究院，福建 厦门 361012；3.河北工业大学 建筑与艺术设计学院, 天津 300401)

我国滨海城市产业集中、人口众多，其独特的地理和资源优势带动了经济文化的发展[1]，空间上呈现出人口与建筑的高密度聚集现象。在全球气候变化的大环境下，受海洋性气候影响的滨海城市更容易遭遇强暴雨事件，对高速发展的城市造成了巨大的社会经济损失[2]。据统计2020年全国自然灾害以洪涝为主，平均降水量比常年偏多11.2%，直接经济损失较近5 a上升59%。随着我国社会经济向可持续发展方向转型，对生态环境与城市安全问题越发重视[3-4]。因此，如何有效缓解滨海城市的内涝灾害风险成为备受关注的重要议题。

防控内涝灾害的关键是研究灾害的形成原因。系统环境的脆弱导致内涝灾害的频发，其主要成因归结于三个方面：①硬质铺装的增加改变了原有土壤自身的产汇流能力。②城市排水系统无承受短时暴雨的洪峰流量[5]。③城市建设用地的不断扩张，往往会导致调蓄洪用地的减少。最根本的解决途径是根据地表高程来确定雨水汇流形成的内涝范围[6]，从而有针对性的采取各类有效防控措施降低灾害的风险。由于滨海地区地形复杂，通常采用SCS-CN(土水保持曲线)模型来计算降雨后的地表径流量[7]，该模型根据经验数据的概化运算，适用于不同地形环境且结果与实际较一致[8]。另外需综合考虑基础设施以及调蓄设施的承载能力[9]，做出合理的布局与有效的防涝设计。

目前国内的外学者根据灾害的发生过程，已在内涝致灾因子的波动规律、受灾环境(泛指城市与自然环境)的空间预警响应、工程防范措施等方面取得一定的研究成果[10-11]。关于内涝研究国际上常见的模型有一维的SWAT、HEC-HMS模型，其二者均是基于SCS-CN水文模型来计算的[12-13]，较好的反应产流的关键特征。随着算法的改进和增加了计算维度，如Mike21、FloodmMap等多维模型得以应用[14]，近些年还出现了借助于地理信息系统的内涝空间可视化分析研究。我国学者对内涝防控的相关研究主要围绕内涝灾害风险评价[15]、市政管网及设施规划[2]、多源数据建模[16]等方面展开。车伍[17]等指出内涝的产生与环境存在密切联系，尤其应注重源头雨水的产生与调蓄[18]。俞孔坚[19]将内涝的风险等级与淹没区范围作为综合水安全格局的组成部分，同时也是生态安全格局构建的支撑要素[20]。国家自然资源部也在2018年确定了多规融合下的国土空间规划体系，其中特别增加了对于资源环境的灾害风险评价[21]。我国内涝风险评价的研究方向较多，笔者认为当前应结合实际自然环境，在一维内涝模型的可靠性基础上，向多维度的内涝模型延展。同时结合王劲峰建立提出的地理探测器模型[22]，分析淹没风险与社会生态系统的空间异质特性，以便于评价结果与国土空间规划等导向性规划有效衔接。

综上，本文创新SCS-CN水文模型与地理空间系统(GIS)的耦合技术，计算出不同暴雨重现期下产流形成的淹没范围，评价闽三角城市群淹没区风险程度。并结合地理探测器对社会生态系统的多因子进行淹没风险空间识别，划分防控分区，为闽三角城镇群的生态安全保障与可持续发展提供了技术支撑。

1 研究区概况和数据收集

1.1 研究区概况

闽三角城市群是厦门、泉州和漳州三市及所辖县区的统称(图1)，在该区域内的金门位于海上，且相对地理位置较远，因此本研究暂不对其进行风险评价。闽三角城市群气候类型以亚热带气候为主，年雨量较大并呈现波动性变化。根据《福建省2020年统计年鉴》[23]数据，2019年末闽三角城市群地区GDP占福建省48.79%。依据第七次人口普查结果，闽三角常住人口占福建省总量的45.74%，是福建是主要的经济发展与人口聚集地。然而在海洋性季风与热带气团的交互下，研究区呈现历时短雨量大的特征，产生的内涝灾害影响了城市的发展。

图1 闽三角城市群位置(审图号：闽S(2021)11号，下同)

1.2 数据来源

研究数据包括：①从中科院地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)获得的闽三角城市群高程数据(DEM)。②厦门，漳州，泉州三市各气象站点降雨数据，包括瞬时降雨量和重现期5 a，10 a，50 a一遇降雨量。③闽三角地区水系分布图及具体水系流量和水库储蓄量。④厦漳泉三市用地建设现状情况与土地利用规划。⑤厦漳泉三市统计年鉴，包括GDP、人口容量、城镇化水平等。

2 SCS与GIS耦合模型构建

2.1 SCS-CN与GIS空间耦合模型

本文根据自然地表的积水过程识别内涝灾害产流源头的风险。首先通过遥感识别技术提取选区水文要素。其次根据SCS-CN水文公式[24]与土地利用类型计算不同降雨重现期下的淹没体积。欲将数理模型的淹没区结果与空间具体位置相关联，因此选用ArcGIS平台中的表面体积算法进行配比计算，其作用机理是在三维的地理空间中运算无源淹没体积，确定淹没高度并在二维空间上呈现具体位置[25]。分别计算重现期为5 a、10 a、50 a一遇的三种情景下的厦，漳，泉三市淹没位置，并按严重程度从高到低对应一、二、三类风险等级，集成闽三角区域的内涝灾害评价(图2)。

图2 内涝风险防控路径

所得结果需与当地区域调蓄设施承载能力校核。在产汇流过程形成积水的同时，满足城市调蓄洪设施和排水设施的承载能力及排查次生灾害的潜在干扰事件。在城市调蓄洪用地方面应关注是否存在溃坝与雨水外溢现象，即调蓄洪用地具有承载该区域产流的能力(存储淹没区体积)，如满足承载能力则需要对淹没区结果进行修正。在排水设施方面应注重城市建成区内的淹没区分布，依据当地的城市规划中市政排水设施分布情况，对内涝结果作出进一步的排查与防控。

2.2 水系提取与汇水区划分

运用GIS对填挖后的DEM数据做出水文流量和流向运算，利用改进的水体指数法(MNDWI)对特征波段间的差值计算，从而更精准的获得水体斑块。

(1)

式中：Green为绿光波段，MIR为中红外波段，MNDWI水体指数阈值为[0,1]。

经过反复的人工解译对数据进行了修正，计算闽三角水体的流向与水文信息并划定汇水分区(图3)，为了确保计算的精度，将研究区汇水分区划分为87块。(厦门市25块，漳州市32块，泉州市30块)，根据各汇水分区的地类属性，在下文设定对应的土壤相关参数。

图3 汇水区划分

2.3 SCS-CN淹没体积计算

研究区流域资料较为缺乏且地势复杂，雨水不宜流出，内涝灾害风险隐患较大[26]。鉴于此，利用自然地形而非人工排水管网设施选择 SCS-CN 模型计算，其中涉及到土壤相关参数CN (Curve Number)，它是暴雨过程初期表现出的地块综合特征值，与土地下垫面及土壤情况有关，本研究CN参数来自于国际上认可且兼容性高的美国工程手册[27]。

依据历年闽三角年降雨量与降雨频次的统计，本研究选取闽三角地区降雨重现期为5 a、10 a、50 a一遇的三种情景。基于水文SCS-CN公式，计算得到闽三角各汇水分区三种情景下的径流量，所得结果与各汇水面积的乘积即为该区域无源淹没体积的理论值。

(2)

式中：Q为地表径流量(mm)；P为降雨量(mm)；S为最大可能储水量(mm) ；λ为初损率，无量纲，通常以λ=0.2计算。

2.4 数据归一化计算

本文涉及到多种因素的叠加计算，选用 min-max标准化法对不同因子的单位作出归一化处理(0≤Xi≤1)，公式如下：

(3)

式中：f(x)为xi的标准化值，xi为要素i的属性值。

2.5 地理探测器

通过地理探测器分析淹没风险分布Y的空间分异特性，并探测相关因子X在Y中的解释程度。本文变量因子X为厦门市高程、坡度、水网密度、土地利用、人口容量、人口密度、GDP和城镇化率[28]。其优点在于在分析过程中能够免疫自变量之间的多重共线性。

图6 内涝灾害高频发地区分布情况

(4)

式中：q为对Y空间分异的解释程度，t为变量的分类，N为模型的单元数，σ2是Y值的方差，其中q值区间为[0,1]。

3 结果与分析

3.1 内涝淹没区全域空间识别

闽三角城市群内涝淹没区空间上呈现沿河道向入海口与海岸线聚集的状态，主要集中在九龙江、晋江、西溪入海口处，其风险性由海岸向内陆逐步递减，并且河网密度高的汇流口出现部分积水现象。按重现期等级划分评价结果为三类等级，重现期5 a一遇时为一类风险等级占研究区的10.2%。重现期10 a一遇时为二类风险等级占研究区14.6%。重现期50 a一遇时为三类风险等级占研究区27.4%(图4)。

图4 内涝淹没区风险评价图

各城市的淹没结果分别为厦门淹没面积图斑为135.67 km2，漳州市淹没区的总面积约为304.10 km2，泉州市淹没区的总面积约为572.09 km2。厦、漳、泉三市的一类风险区占各市总面积分别为84%，78%，62%(图5)。经检验，本文评价结果与厦门市同安区和集美区，漳州市龙文区，泉州市鲤城区内涝易发地段实际情况有较高一致性。

图5 具体的淹没区风险评价

依据市政部门提供的统计数据筛选出20个闽三角区域主要水库，将评价结果与水库地理位置、承载能力进行校对，发现水库的当年年末需水量均未超过正常水位库容，在闽三角区域内水库区域尚无出现溃坝等积水外溢现象，后根据承载量对评价结果修正。研究表明在整个区域内主要考虑自然下垫面产生的内涝问题，并指出城乡建设用地(重点地段)范围内出现的高风险淹没区位置，为空间规划与市政管网布局提供参考依据。

3.2 重点地段内涝淹没区识别

结合闽三角城市群土地利用布局情况与高频发区域的空间联系，确定20处典型受损空间，具体情况如下：在厦门市中淹没区位于本岛入海口，同安区与集美区九龙江与西溪交汇口，东溪与汀溪交汇口。漳州集中分布在长泰县九龙江、陈巷溪与马洋溪交汇口、漳浦县龙岭溪下游及鹿溪、云霄县漳江入海口处和诏安县宫口港。中心城区南溪以建设区处于易被淹没范围，其中榜山、石码、海橙三镇尤为严重。泉州主要分布在晋江流域及其支流(包括中心城区、南安市区)，永春县和安溪县内东溪与晋江及其交汇处等。

3.3 淹没风险与社会生态系统的空间异质性识别

社会生态系统与环境本底情况，城市发展强度两类密切相关[29]。基于地理探测器对社会生态要素展开淹没区进行空间异质性分析(图7)。在自然环境层面选择高程、坡度、自然地形、水网密度、土地类型要素，在城市开发强度层面选择GDP、人口容量、人口密度、城镇化率为核心要素。在探测器的因子分析中，q越大表示对淹没区的解释力越强，以闽三角区域为单位，水网密度(0.210)>高程(0.152)>城镇化率(0.044)>坡度(0.039)>人口容量(0.032)>人口密度(0.026)>土地利用(0.019)>GDP(0.005)，且P均小于0.05(表1)。水网与高程因素对其他要素有明差异性，其中水网分布与高程共同作用下的分布呈现最为明显的双因子增强效果(0.29)。特别是在城乡空间分布中，淹没区多位于地势低洼或地形起伏较大的山体周边的乡村地区，以及水网密度较大的城乡交错带地区。受到地形与发展要素制，其承灾能力不足难以应对积水。因此在建设过程中应该注意地形与水网密集地段，提升水网的连通度可有助于积水的排出。

图7 淹没区在社会生态系统要素的空间分布

表1 淹没风险与社会生态系统多因子空间分异q、p值

将城市开发强度划分为高强度和低强度开发，并与内涝淹没区的类风险等级相匹配，依据开发强度与风险预警程度划分为三类，提出有助于城市规划与雨洪防控的三角城镇群内涝风险防控分区[30](表2)，即保护与限制建设区、韧性提升或环境改善区、适度开发建设区。以此增加国土空间规划与各相关专业在规划与实施过程中的应用参考。

表2 闽三角内涝防控分区

4 结论与展望

4.1 结论

暴雨导致的城市内涝灾害是当前我国滨海城市频繁面临的灾害，对城市经济和人民生活产生重大影响。本文分析了暴雨的产流过程，通过耦合SCS-CN与GIS技术，计算出不同暴雨重现期下的淹没范围，评估闽三角城市群内涝淹没区风险，结论如下：

(1)闽三角城市群内涝淹没区空间上呈现沿河道向入海口与海岸线聚集的状态，主要集中在九龙江、晋江、西溪入海口处，风险等级根据重现期(5 a，10 a，50 a)分为三类，一类、二类、三类风险等级占闽三角区域的10.2%、14.6%、27.4%。

(2)闽三角厦、漳、泉三市的淹没面积分别为135.67 km2、 304.10 km2、572.09 km2。厦、漳、泉三市的一类风险区占各市总面积分别为84%，78%，62%。

(3)内涝高频发地段(一类风险区)主要位于厦门同安区，集美区与本岛地势低洼地和入海口；漳州九龙江流域地带及主城区、漳浦县和云霄县。泉州的晋江流域地带及永安县和安溪县。

(4)分析淹没风险分布与社会生态系统的因子间空间异质关系。闽三角地区水网密度(0.210)>高程(0.152)>城镇化率(0.044)>坡度(0.039)>人口容量(0.032)>人口密度(0.026)>土地利用(0.019)>GDP(0.005)，规划建设中应注重水网与地形高程的关系。同时根据城市开发强度与淹没范围，提出闽三角城市群内涝风险防控分区。

4.2 展望

在城市建设方面，针对高风险地段通过后续的规划加强市政管网设施的等级，特别是对于一类风险区淹没范围，如厦门思明区、漳州龙文区，泉州鲤城区等高风险—高强度开发的城市，需确保管网等级至少满足5 a一遇标准，中心城区建议提升至10 a一遇标准，并在暴雨超标时有完备的应急预案。考虑到建设过程中可能受到空间约束限制的老城区如厦门本岛，漳州芗城等，宜增加屋顶花园与雨水池等绿色基础设施，间接削减管道的径流雨水量，避免洪峰外溢现象。在生态环境方面，对于风险等级为第二、三级地区应加强水系与城市建设用地间的生态化的过渡区域(包括湿地，林地等生态空间)的连续性。适当采用退耕换绿的方式，在短历时暴雨过程中快速降低雨水径流量，平衡城市水系的“泄”与“蓄的关系。在后续的研究中，评价结果可在风险控制点、疏散廊道、防灾分区等空间规划方面作出更全面的应用。

本研究尚存在不足之处，在后续研究中增强高程数据的精度，提升内涝淹没区识别的精准程度，为市政管网规划提供更准确的依据。同时结合海绵城市管控平台的反馈信息进一步深化与完善内涝防控研究。