城市内涝风险评估及风险管理对策研究

2023-07-04朱建国

中国农村水利水电 2023年6期

冯博，朱建国，佘磊

（江苏省城市规划设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

近年来，城市内涝严重威胁人民群众生命财产安全，快速城镇化和基础设施短板问题使得城市面临强降雨时往往逢雨必涝［1，2］。对城市内涝风险进行科学评估并提出针对性措施是降低内涝损失的有效途径。邱健等［3］采用模型软件对雨水管道过流能力进行分析评估，采取管网改造等措施消除积水点；于磊等［4］构建了北京城市副中心的内涝风险评估指标体系，提出应关注河道水位、管网排水能力、地形高程等多因素影响下的内涝问题；栾震宇等［5］采用情景模拟法对城市内涝进行模拟，提出应针对管网、河道等基础设施短板针对性进行改造。王俊佳等［6］采用情景模拟法模拟了不同设计工况下城市内涝积水情况，并以此评估城市内涝风险。基于现有研究成果发现，内涝风险多采用情景模拟法或指标体系法进行评估，由于城市层面的雨水排放体系更为复杂，内涝成因更为多元，对应手段也更为丰富，在进行城市层面的风险评估和应对时，更应结合用地布局、功能分区等因素，丰富城市内涝风险评估的内涵，注重绿色基础设施建设，采取因地制宜的风险应对手段［7］。

本文针对常州市某片区的内涝风险隐患，将情景模拟法和指标评估法相结合，构建了基于灾害危险性、脆弱性和暴露性的城市内涝风险评估体系，完成城市内涝风险图绘制。针对城市内不同区域的风险特征，提出了方案优化调整、风险避让和风险应对等解决方案，为完善城市内涝安全体系提供科学支撑。

1 研究区概况

研究区域位于长江三角洲太湖平原西北部，常州市南部城区，总面积约220 km2，其中建设用地141 km2。区域内平原宽广，地势低平，河网稠密，具有典型的“江南水乡”自然风貌。多年平均降雨量1 124 mm，降雨主要集中在夏秋两季，其中6-9月雨量占60%以上。

经过多年的建设活动，本地区防涝系统已形成了依托城市防洪外河为屏障、以内河-闸站设控为主的水利系统与排水管网系统相结合的工程体系，遵循“高水高排、低水低排”原则，城区形成高水自排区（地面高程高于洪水位3.9 m）和低水抽排圩区。

2 数据与方法

2.1 数据资料

根据研究需要，收集研究范围内相关资料。其中，建设用地类型主要来源于城区现状用地图和地形图；河道、泵站、雨水管网、降雨资料等来源于排水设施普查资料［8，9］。

2.2 模型构建

2.2.1 模型框架

采用MIKE FLOOD 软件构建内涝模型。其中，利用MIKE11 构建河道水动力模型，模拟河网中的非恒定流；利用MIKE21 构建地表漫流模型，模拟积水在地面上的流动；利用MIKE URBAN 构建排水管网模型，模拟雨水在管网中的流态；基于MIKE FLOOD 平台耦合上述模型，分析积水区域和积水深度等。

2.2.2 模型概化

对区域内承担主要排涝能力的河道进行概化，将武南河、采菱港、漕桥河等河道基于实测断面构建河道文件，河道糙率为0.022，共概化形成河道146 条，总长31.3 km。导入雨水主干管的埋深、坡度、粗糙度等信息，共概化管段759.3 km、排水口1 052 个、检查井23 222 个。将不同下垫面赋予不同径流系数（其中，建筑与小区为0.6，道路为0.85，公园绿地为0.15，其他用地为0.5），采用加权计算汇水区径流系数。

2.3 设计降雨

采用短历时降雨对雨水管道进行评估。短历时120 min 降雨采用芝加哥雨型，雨峰系数采用0.4，1 年一遇、2 年一遇、3 年一遇、5 年一遇的120 min 降雨量分别为39.98、45.74、49.11、53.35 mm。

采用长历时对地表积水深度和时间进行评估。对研究区域最大24 h、最大6 h 和最大1 h 降雨资料进行频率分析，根据1991 年典型降雨雨型对设计降雨进行同频缩放，研究区域30年一遇24 h总降雨量约188.5 mm。

2.4 模型率定

通过水文监测数据与模拟数据比较进行模型校准，合理确定水文参数，减少模型误差。

选取2021 年3 月21 日监测点实测降雨流量数据进行模型验证。经分析，模拟管道流量和监测数值误差相对较小，纳什系数为0.78。对比实测积水和模拟积水情况，有77%的积淹水点积水深误差小于0.10 m。故认定本模型精度基本满足要求。

3 内涝风险评估

内涝风险评估的方法主要有历史灾情法、情景模拟法、指标体系评估法等，其中，基于指标体系评估的方法应用较为广泛，能够全面科学的评估城市内涝风险的大小［10-12］。本文将情景模拟结果纳入指标体系，基于层次分析法（AHP）构建多因子比较判断矩阵确定各因子的权重系数，综合评估内涝风险。

图1 模型率定Fig.1 Model calibration

图2 典型内涝风险因子评估图Fig.2 Assessment of typical waterlogging risk factors

3.1 风险评估指标体系构建

内涝风险评估体系主要分为目标层、准则层和指标层。以内涝风险作为目标层，准则层采用危险性（H）、脆弱性（S）和暴露性（E）三方面致灾因素［13］，指标层详见表1。

表1 城市内涝灾害主要风险评估因子表Tab.1 Main risk assessment factors of urban waterlogging disaster

危险性的指标层包括情景模拟法得到的积水深度和积水时长。积水深度越大，积水时间越长，表明内涝灾害的危险性越大。本研究采用管网、二维地表径流及河道模型耦合进行情景模拟，对30年一遇设计降雨工况下的研究区积水情况进行模拟，将积水深度和积水时间各分为5个等级。

脆弱性的指标层包括管网排水能力和场地地面高程［14］。在平原水网地区，竖向高程越高排涝越有利；管道排水能力越强，内涝灾害的恢复力和应对能力越强。根据外洪水位和排涝水位将城区高程以内河常水位、内河最高水位、外河20 年一遇洪水位、外河100 年一遇洪水位等特征水位划分5 个高程等级。采用水力模型进行一维管道水力模拟，通过不同重现期降雨标准下各管段的水力坡降线来评估管段的排水能力，重现期标准分为5个等级。

暴露性的指标层包括区域重要性和开发建设强度［15］。采用人员聚集度反应区域重要性，本研究选取人员活动热力图为数据源分析人员聚集情况。研究发现，白天办公场所、商场、医院区域的热度较高，呈点状分布；夜晚商场周边、居住区人员密集，呈片状分布；学校等区域人员始终保持较高的聚集度。将地区重要性指标分为重要地区和一般地区两类，其中，重要地区包括人员较为聚集的办公场所、商场、医院及学校等建设用地。建设密度是表征建设用地强度的重要指标，根据用地开发情况和影像图解译分析，将建筑密度分为5个等级。

3.2 风险因子权重

按照层次分析法构建内涝评估指标体系，采用1～9 的比例标度对每一层的指标就其重要性进行两两比较，建立矩阵模型，计算每一层的权重系数，并对判断矩阵一致性检验。经判断，一致性比例CR值为0.051 6，计算结果低于0.1，满足一致性检验要求。

为有效计算各影响因素对灾害风险程度，需对指标进行一致化和无量纲处理。研究采用自然间断点法将每个指标按照对城市内涝风险影响划分为高、较高、中、较低、低风险5 个等级，并分别赋予5、4、3、2、1分值表征对内涝风险的影响程度，如表1所示。

3.3 内涝风险分析

结合风险因子的权重和分级赋值计算研究区域风险度，内涝风险度为危险性、暴露性和脆弱性的加权计算之和，如下式所示:

式中:w1i、w2i、w3i代表指标层权重；Hi、Si、Ei代表指标层分数；R代表内涝风险。

根据研究区风险分布，将其划分为低风险区域、中风险区域、较高风险区域及高风险区域共4个级别，具体图3所示。

图3 内涝风险评估Fig.3 Risk assessment of waterlogging

图4 城南片河道、闸站规划Fig.4 Planning of river channels and gate stations in the south of the city

总体而言，研究区域的内涝风险等级主要在中等级以下，占比为87.2%，较高风险区以上区域4.7 km2，约占总面积的2.1%，主要集中于城南片区、滨河洼地片区、湖塘镇区等区域。

4 针对重点问题的风险管理

4.1 重点片区排涝方案调整

城南片为研究区域高风险区，该区域虽属高片区，但部分区域由于受地面沉降影响，部分地区高程低于设计洪水位；随着区域开发，径流量增大，在外河水位不可控的情况下，区域排水能力受限；且城南片是经济文化中心，故本地区内涝风险高。为解决由于河道排水不畅引起水位抬高进而削弱管网排水能力的问题，拟调整排涝方案，将半夜浜区域通过水系沟通排入原长沟湖塘区域，共同组成城南排水片，城南片雨水向南排入武南河。

4.1.1 河道及闸站规划

城南片区内河河网基本成型，但局部河段存在淤积堵塞、河道断头等现象，长沟河、湖塘河为片区内骨干河道，但断面排水能力不足。规划对长沟河和湖塘河进行疏浚，并根据要求局部拓宽，河口宽不应小于20 m。完成高家浜改道建设，在东宝南路东侧新开河道1.1 km，恢复高家浜，使其北接大寨河、南连长沟河；沟通小留河，新开1.5 km 向南延伸至长沟河；加强半夜浜和战斗河阻水构筑物拆除工作，疏通箱涵，增强过流能力。

依据“高水自排，灵活抽排”的原则，低水位时利用地势高的特点自排，当外河河水顶托时，利用闸站形成封闭排水片，通过排涝泵站提高片区排水能力，片区共新建节制闸2座，新建闸

从表2 可以看出，封闭抽排条件下积水区域由149.3 hm2降低为49.9 hm2，且基本不存在30 cm 以上积水区域，内涝情况得到有效改善。站4座，片区排涝能力达72 m3/s。

表2 自由排水和封闭排水条件下内涝区域统计一览表Tab.2 List of waterlogging area under free drainage and closed drainage conditions

表3 不同用地年径流总量控制率管控一览表 %Tab.3 List of annual total runoff control rates in different land uses

4.1.2 方案模拟

城南片以“高水自排是根本，灵活抽排保安全”为理念调整防涝方案，当水位低于2.6 m 时，利用地形优势重力排水；当河道水位继续上涨至2.6 m 并仍有持续暴雨，水位将继续抬高时，启用闸站降低内河水位，直到片区水位下降到1.6 m 时停止抽排。

使用MIKE FLOOD 软件对城南片自排和抽排两种排涝方案的实施成效进行模拟分析。根据模拟结果，在自排条件下，河道水位条件与外围边界河道水位趋势一致，最高水位在3.8 m，而封闭条件下最高水位不超过2.3 m。由此可见，封闭排水条件下，可对排水片区内水位进行灵活调控，为雨水管道排放提供较好的外部条件。重点片区在自由排水和封闭抽排方式下的内涝情况如图5所示。

图5 不同排水方案条件下积水区域分布图Fig.5 Distribution of waterlogged areas under different drainage schemes

4.2 弹性调整的风险避让

应注重结合区域排水分区概况、场地用地性质等因素开展刚弹结合风险避让。针对滨河洼地片风险区，应针对内涝风险高地优化调整用地布局，尽量避免建设变电站、交通场站等区域基础设施，医院、政府机构、福利院、敬老院等重要公共服务设施和大型居住社区等；优先建设亲水性较强设施，例如滨水开发空间、户外运动场所、通航设施、防洪基础设施等，同时应完善应急疏散及救援方案［16］。

本研究中场北河与孟津河中间区域存在大片高风险区，该区规划建设用地性质为公共管理与公共服务设施用地，根据内涝风险分析结果，建议在该区域布局一定规模的公园绿地，结合低洼地建设打造公共海绵设施，为周边用地提供径流控制，同时作为区域应急调蓄空间。若确需进行场地开发，则应加强设计引导，一是场地内部控制较高的绿化率，严控开发强度，同时保留部分沟通水系，增强调蓄；二是明确竖向设计应不低于3.9 m，对地下空间等出入口设置挡板，提高建筑结构、设备的洪涝应对能力，确保洪涝发生时不发生显著损坏。

4.3 绿灰结合的风险应对

针对湖塘镇区等高风险区域，应高度重视实施绿灰结合的风险应对，针对绿色基础设施进行补短板。加强源头减排，发挥建筑、道路、绿地、水系等对雨水的吸纳和缓释作用，提升区域蓄水、渗水和涵养水的能力，结合建筑密度、绿地率等约束性控制指标，综合考虑开发强度、用地性质等因素，制定径流控制管控指标体系。对于不超过24.1 mm 的降雨（对应年径流总量控制率）进行完全截留控制，基本不产生直接外排径流；对于不超过45.7 mm 的降雨（2 a 一遇2 h），场地应采取缓排措施进行峰值流量削减，峰值流量不得超过传统建设模式1 a 一遇2 h 降雨条件下的峰值流量。

要充分发挥公共海绵设施功能。针对已建城区建设强度高等特点，依托城市更新、宜居社区建设实施老城“留白增绿”，发挥公共空间休闲、休憩及雨水安全调蓄等综合功能。针对新建区域，全面落实海绵城市建设要求，一是发挥公共海绵设施径流控制功能，调蓄雨水，降低内涝风险；二是通过建设雨水湿地，对雨水及周边河道水体进行透析净化，改善水环境。