福州中心城區(qū)內(nèi)澇現(xiàn)狀及其模擬

林芷欣，陳興偉

（福建師范大學地理科學學院，福建福州350108）

福州中心城區(qū)內(nèi)澇現(xiàn)狀及其模擬

林芷欣，陳興偉

（福建師范大學地理科學學院，福建福州350108）

在對內(nèi)澇歷史與現(xiàn)狀調(diào)查的基礎上，利用Arcgis 10.0構建下滲修正后的“雨量體積法”模型，進行“麥德姆”臺風下的暴雨洪水情景模擬.結果表明：1）福州在歷史上多次受到澇災，且近期愈加頻繁、嚴重；2）鼓樓區(qū)內(nèi)澇災害最嚴重，臺江區(qū)較輕微，倉山區(qū)、晉安區(qū)被淹沒的風險高，易內(nèi)澇點多；3）內(nèi)澇點分布情況與內(nèi)河水系關系密切，受地形、排水系統(tǒng)、城市化建設影響較大.

內(nèi)澇；模擬；成因分析；福州中心城區(qū)

福州作為福建省的省會城市，近年來隨著城市化進程的不斷加快，不透水地面面積比例呈不斷增長的趨勢，致使城市內(nèi)澇頻發(fā)且不斷升級.這不僅對福州中心城區(qū)造成了巨大的經(jīng)濟損失和破壞性影響，而且對城市的可持續(xù)發(fā)展造成嚴重威脅，嚴重影響了省會形象.關于福州中心城區(qū)內(nèi)澇災害的成因以及相應的治理措施，許多學者對此進行探討：陳能志等人與連偉良都分析了福州城市內(nèi)澇特點以及成因，提出了內(nèi)澇的治理思路［1-2］；陳興偉等人在對福州城區(qū)內(nèi)河現(xiàn)狀進行調(diào)查的基礎上，分析了福州城區(qū)的澇災成因［3］；唐麗汾針對單次暴雨事件總結暴雨洪水特性，對內(nèi)澇成因進行分析［4］.也有通過構建模型進行災害評估的研究，從發(fā)生洪澇災害的三種因素（致災因子、孕災環(huán)境、受災體）出發(fā)，分析了洪澇災害成因［5-6］.現(xiàn)有研究對于福州市中心城區(qū)內(nèi)澇的研究僅局限于宏觀上的成因分析，主要內(nèi)澇點的具體分析不足，定量分析缺乏.

本文通過對福州中心城區(qū)內(nèi)澇災害歷史與現(xiàn)狀的調(diào)查，參考下滲修正后的“雨量體積法”模型［7］，模擬2014年“麥德姆”臺風下的福州市中心城區(qū)的暴雨洪水淹沒情況和洪水風險評價，總結洪澇災害成因，其成果為進一步深入研究城市內(nèi)澇災害提供更堅實的基礎數(shù)據(jù)，為內(nèi)澇災害的治理提供參考.

1　研究區(qū)概況

福州地處中國東南沿海、福建省東部、閩江下游入海口.福州中心城區(qū)（包括鼓樓區(qū)、臺江區(qū)、倉山區(qū)以及晉安區(qū)部分區(qū)域，未考慮馬尾區(qū)等區(qū)域）位于河口盆地內(nèi)，三面環(huán)山，東臨鼓山，北靠北峰山脈，西側洪山，南臨閩江北港.福州中心城區(qū)內(nèi)河縱橫交錯，與閩江下游感潮河道相連，主要有六大水系：以白馬河、晉安河、磨洋河、光明港為主的水系以及新店片、南臺島水系.年平均降水量在1200～1700 mm之間，多集中于4—9月［8］.

據(jù)《福州市志》［9］記載，歷史上福州市受澇面積約有3 887 hm2，受淹時間一般為3～4d，最長7～8d.比較嚴重的有5次，即1961年6月3日、1968年6月19日、1973年10月10—11日、1975年8月7日、1977年7月31日，水深可達1～2 m，農(nóng)田作物和菜園蔬菜皆遭受嚴重損失.進入20世紀90年代，在福州市高速發(fā)展的城市化進程和氣候變化的影響下，福州市暴雨日數(shù)呈上升趨勢，福州中心城區(qū)的不透水地面面積比例也呈不斷增長的趨勢.河道不斷淤積，河床升高，排水不暢，排澇能力下降，城區(qū)行洪壓力巨大.與此同時，城市地下排澇工程和設施建設較滯后.在全球極端天氣頻發(fā)的大壞境下，加上城市的高強度建設帶來的雨島效應，福州中心城區(qū)內(nèi)澇災害愈加嚴重（見表1）.

表1　20世紀90年代后福州中心城區(qū)內(nèi)澇情況Tab.1Waterlogging Situation of Fuzhou Urban Area after 1990s

2　研究方法

2.1數(shù)據(jù)收集與整理

從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站獲取研究區(qū)2009年的30 m分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)（http：//www. gscloud.cn/listdata/metadata.shtml？from=&id=3352& productId=310）以及2014年12月13日研究區(qū)Land?sat 8遙感影像（http：//www.gscloud.cn/listdata/metada?ta.shtml？from=&id=63364&productId=411）.利用Arc?gis 10.0進行圖像校正等處理，并對福州市內(nèi)河水系圖進行屏幕跟蹤矢量化.

2.2內(nèi)澇頻次的劃分

根據(jù)相關新聞報道，調(diào)查研究區(qū)近年來的內(nèi)澇現(xiàn)狀，統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)2012—2015年5次內(nèi)澇災害的90個內(nèi)澇點.結合Google地圖，確定內(nèi)澇點的經(jīng)度（X）、緯度（Y）等屬性數(shù)據(jù).統(tǒng)計內(nèi)澇點淹沒頻次，根據(jù)內(nèi)澇點出現(xiàn)的頻次劃分為3個等級：1次為偶發(fā)內(nèi)澇點；2～3次為易內(nèi)澇點；4～5次為極易內(nèi)澇點.

2.3基于網(wǎng)格“雨量體積法”的暴雨洪水情景模擬

內(nèi)澇災害的發(fā)生受多種因素共同影響，其中地形因素和流水的重力作用是重要影響因素.利用DEM數(shù)據(jù)對洪水淹沒模擬分為兩種情況：一是“降水淹沒”，即將所有高程值低于或等于洪水面高程的網(wǎng)格皆視為淹沒區(qū)，二是“洪水淹沒”，即認為洪水具有流動性，洪水只能淹沒到它能流到的地方［10］.第一種情形假設研究區(qū)內(nèi)降水均勻，所有低于某一高程值的低洼地都將被淹沒；第二種情形則假設洪水突然決堤向鄰域泛濫，淹沒到其流經(jīng)的地區(qū)［10］.本文采用的是第一種情形，即為“降水淹沒”情景模擬.基于網(wǎng)格的洪水模擬情景和災害評估已有不少研究，經(jīng)過實踐取得較好的模擬效果［7，11-12］.因此，采用基于GIS空間格網(wǎng)的降水淹沒模擬模型是解決內(nèi)澇淹沒深度以及分布情況的最好選擇.

基于DEM利用“雨量體積法”對研究區(qū)的某個時間段強降水所造成的淹沒情況進行模擬，首先確定研究區(qū)的空間尺度，明確網(wǎng)格的劃分大小，將其進行網(wǎng)格規(guī)則方格化處理［7］.其次，假設在某一段時間內(nèi)研究區(qū)范圍內(nèi)均勻降水，考慮下滲因素所導致的徑流損失，利用研究區(qū)多年平均徑流深度除以其多年平均降水量，求得多年平均徑流系數(shù).通過研究區(qū)多年平均徑流系數(shù)將該時段內(nèi)的暴雨降水量轉化為相應的徑流深度，并乘以研究區(qū)面積得到某種強度暴雨下形成的徑流總量.

式中，α為多年平均徑流系數(shù)，R為多年平均徑流深度，P為多年平均降水量，W為某種強度暴雨下形成的徑流總量，P′為某種暴雨強度下的降水量，f為研究區(qū)面積.

只考慮地面徑流總是由高向低流動的重力特性以及地面高度起伏的情況，不考慮短時間內(nèi)地面積水的排出，根據(jù)暴雨產(chǎn)生的徑流總量與地面匯流產(chǎn)生的積水總量相等的原理來模擬區(qū)內(nèi)每個網(wǎng)格單元的淹沒深度.具體的計算思路如下：假設洪水最終淹沒水面是一個水平面，先假定一個洪水位值，用該高程值減去研究區(qū)的DEM，將單位網(wǎng)格內(nèi)的積水量累加，得到一個積水總量［7］.將積水總量與徑流總量相比較，若積水總量大于徑流總量，那么減小假定的洪水位值；反之，則增加洪水位值.利用二分法原理，使得積水總量不斷逼近徑流總量，當積水總量等于徑流總量時，得到的洪水位值就是最終淹沒水面高程值.假設每個網(wǎng)格內(nèi)部的底高程值相同，洪水面高程值也是一致的.用洪水位值減去底面高程值，就得到每個網(wǎng)格的洪水淹沒深度.洪水淹沒深度為正，表示該網(wǎng)格被淹沒；反之，則表示該網(wǎng)格未被淹沒.

3　結果與分析

3.1內(nèi)澇現(xiàn)狀

頻次統(tǒng)計結果表明：極易內(nèi)澇點占總內(nèi)澇點的22%，易內(nèi)澇點占51%，偶發(fā)內(nèi)澇點占27%.總體上，容易發(fā)生內(nèi)澇的地區(qū)所占比例高達70%以上，頻繁受災，易造成經(jīng)濟損失，市民日常生活受到影響.由圖1可得，內(nèi)澇點比較集中在鼓樓區(qū)、晉安區(qū)以及倉山區(qū)，鼓樓區(qū)內(nèi)澇災害最為嚴重，臺江區(qū)則較為輕微.極易內(nèi)澇點集中在倉山區(qū)，易內(nèi)澇點在晉安區(qū)與鼓樓區(qū)均較多，偶發(fā)內(nèi)澇點則多位于鼓樓區(qū).由福州中心城區(qū)內(nèi)澇點分布現(xiàn)狀圖（見圖2）可知，內(nèi)澇點的分布情況與內(nèi)河水系關系密切：晉安河水系和白馬河水系周邊有較多內(nèi)澇點分布，其余內(nèi)澇點則較為分散.

圖1　福州中心城區(qū)各區(qū)內(nèi)澇點組成Fig.1The Composition of Waterlogging Points in Fuzhou Urban Area Districts

圖2　福州中心城區(qū)內(nèi)澇點分布現(xiàn)狀圖Fig.2The Present Distribution of Waterlogging Points in Fuzhou Urban Area

3.2暴雨洪水淹沒情景模擬結果

本文所研究的區(qū)域總面積為274.73 km2，在2014年“麥德姆”臺風期間，最大暴雨量為6 h內(nèi)55 mm，假設在研究區(qū)內(nèi)均勻降水.根據(jù)福州市水資源公報（2013）［13］提供的多年平均降水量與多年平均徑流量，換算得出多年平均徑流系數(shù)α為0.58.根據(jù)上述方法，計算出每個網(wǎng)格的洪水淹沒深度.

根據(jù)洪水淹沒深度將福州市中心城區(qū)暴雨洪水災害風險程度劃分為5個等級：0 m以下的未淹沒區(qū)為第一級，表示無風險區(qū)；0～0.5 m為第二級，表示低風險區(qū)；0.5～1.0 m為第三級，表示中風險區(qū)；1.0～1.5 m為第四級，表示較高風險區(qū)；1.5 m以上為第五級，表示高風險區(qū).通過計算，得出各風險區(qū)所占面積比重：無風險區(qū)占總區(qū)域的80.98%，低風險區(qū)占6.73%，中風險區(qū)占5.55%，較高風險區(qū)占3.69%，高風險區(qū)占3.04%.結合圖3所示：在此期間，研究區(qū)內(nèi)19.02%的區(qū)域有積水風險，其中可能積水多集中在倉山區(qū)和晉安區(qū)，多集中在山麓四周；其中倉山區(qū)所在的南臺島地勢較低，有大面積的積水，淹沒程度不一；光明港一帶、南臺島周邊的岸灘、義序機場以及晉安區(qū)鼓山鎮(zhèn)被淹沒的風險較高.

根據(jù)福州市建委、福州市福州水務管網(wǎng)公司災后實地調(diào)查得到的“麥德姆”臺風的內(nèi)澇點淹沒范圍和淹沒深度數(shù)據(jù)，與模擬結果進行對比：與實際的受淹面積存在一定的誤差以及部分地區(qū)淹沒深度過高，主要是受DEM精度、年限等因素的限制.內(nèi)澇災害受多種因素共同作用產(chǎn)生，除鼓樓區(qū)、晉安區(qū)內(nèi)澇點未能完全顯現(xiàn)，其他區(qū)域內(nèi)澇點分布狀況相對一致，該方法能滿足防洪工作的一定需求.在進一步的研究中，應建立福州中心城區(qū)的洪水淹沒動力模型，考慮排水系統(tǒng)，采用精度更高的數(shù)據(jù)，進行暴雨洪水淹沒情景模擬，得到更精確的模擬效果.

圖3　“麥德姆”臺風下的福州市中心城區(qū)的暴雨洪水淹沒風險程度圖Fig.3Degrees of Floodwater Risk in Fuzhou Urban Area throughout Typhoon"Matmo"

3.3內(nèi)澇成因分析

3.3.1自然因素

1）短時強降水.高強度降水是造成城市內(nèi)澇的主要自然因素.福州雨水豐沛，夏季臺風頻發(fā)，是暴雨多發(fā)區(qū).連續(xù)性、大范圍的暴雨易導致洪澇災害，也有部分洪澇是由上游地區(qū)暴雨所致.

2）盆地地形.福州中心城區(qū)三面環(huán)山，南面臨江，總體地勢北高南低，西高東低.北部山區(qū)坡陡匯水快，通過內(nèi)河河網(wǎng)匯入中心城區(qū)，中心城區(qū)地勢較低，澇水多積聚在中心城區(qū)，不易排出.

3）內(nèi)河倒灌.福州中心城區(qū)河網(wǎng)密布，暴雨或山洪發(fā)生時，外圍洪水迅速進入中心城區(qū)河道，內(nèi)河水位暴漲，高于河道兩岸，內(nèi)河河水倒灌，加劇內(nèi)澇.

4）閩江洪潮頂托.福州中心城區(qū)位于閩江感潮河段，若適逢天文大潮和臺風引起的風暴潮，閩江水位暴漲，給閩江下游帶來洪水，使得中心城區(qū)積水受到外江洪水的頂托，排水不暢，內(nèi)澇嚴重.

3.3.2人為因素

1）不透水地面面積增大.隨著城市化進程不斷加快，一方面，中心城區(qū)面積不斷擴大，不透水地面面積不斷增大，滲透系數(shù)不斷減?。?4］，匯流時間縮短，洪水流量增大.另一方面，原先天然形成的河、池、湖被占用，導致其調(diào)蓄能力降低，易形成內(nèi)澇.

2）內(nèi)河河道淤積和阻塞.隨著城市不斷發(fā)展和人口不斷膨脹，大量工業(yè)廢水以及生活用水排入內(nèi)河，致使內(nèi)河污染嚴重，河床淤積，并且原有的部分內(nèi)河被填埋，河道變窄，排澇能力下降.遇短時強降水，河道的排水速度遠小于匯流速度，多個內(nèi)澇點因內(nèi)河淤堵而頻繁受災.

3）排水系統(tǒng)不完善.城市規(guī)模的急劇擴張極大程度上改變了天然的排水模式，人工排水成為了主要或唯一的途徑.但福州中心城區(qū)城市總體防澇排澇設計標準偏低，防澇與排澇設計標準不銜接.中心城區(qū)上游八一、登云水庫等小型水庫，其總庫容僅有587×104m3，水庫調(diào)蓄能力差［15］，遇到短時強降水，無法起到攔洪削峰的作用.

4）人為破壞.人為因素造成現(xiàn)有排水設施、排水能力下降.有幾處內(nèi)澇點路面沉陷，造成局部積水.更有人為建設破壞，主要有石塊、樹枝等人為垃圾造成管道淤堵，或是因建設對排水管網(wǎng)的破壞、因維護管道不足致使管道淤堵等等問題.

4　結論

1）根據(jù)內(nèi)澇現(xiàn)狀的實際調(diào)查結果來看，鼓樓區(qū)內(nèi)澇災害最嚴重，臺江區(qū)較輕微，倉山區(qū)、晉安區(qū)受災頻繁，易內(nèi)澇點多.內(nèi)澇點分布情況與內(nèi)河水系關系密切，受地形、排水系統(tǒng)、城市化建設的影響大.福州中心城區(qū)屬盆地地形，又位于閩江下游感潮河段，降水豐沛，內(nèi)河水系縱橫交錯.在如此的自然環(huán)境孕育中，內(nèi)澇災害極易產(chǎn)生.而由于城市現(xiàn)代化建設進程加快，相對應的排水設施未能跟進，一方面不透水地面面積不斷增大，加劇了暴雨洪水的匯流；另一方面天然的河、池、湖等被占用，其調(diào)蓄能力降低，內(nèi)河河道淤積、阻塞，澇災加劇.今后希望能針對各嚴重內(nèi)澇點的主要致災原因進行調(diào)查，以便相關部門在制定防澇措施時因地制宜.

2）通過模擬“麥德姆”臺風下的暴雨洪水淹沒風險程度，結果表明：倉山區(qū)受淹面積廣，晉安區(qū)受淹地區(qū)集中且嚴重，基本反映了福州主城區(qū)內(nèi)澇情況.盡管該模擬方法只考慮了地勢因素，在一定程度上能反映出福州中心城區(qū)地勢低洼地區(qū)的受災風險，能夠為內(nèi)澇災害的防治提供參考依據(jù).

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責任編輯：黃瀾

Current Situation of Waterlogging and Its Simulation in Urban Area of Fuzhou

The history and current situation of waterlogging were investigated in Fuzhou's urban area.With the help of a model called"precipitation volumetric method"in ArcGIS 10.0，the flood scene was imitated throughout Typhoon"Matmo". The results showed that：（1）Fuzhou were waterlogged many times in history，and recent waterlogging are more and more fre?quent and severe.（2）Waterlogging disaster is most serious in Gulou district whereas milder in Taijiang district.Cangshan district and Jinan district are at high risks of being submerged，since they proportion much more incidental waterlogging points.（3）Distribution of Waterlogging points is close to river water system，and is influenced by topography，drainage sys?tem and urbanization construction.

waterlogging；simulation；analysis about cause of formation；urban area of Fuzhou

P 333.2；TV 877

A

1674-4942（2015）04-0438-05LIN Zhixin，CHEN Xingwei

2015-09-19

國家基礎科學人才培養(yǎng)基金資助項目（J1210067）；福建師范大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（創(chuàng)新訓練類）資助項目（cxxl-2014107）

（College of Geographical Science，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350108，China）