基于GIS的臺(tái)州臨海暴雨內(nèi)澇模型研究

張弛+潘少華+吳穎暉+金凌鵬+王杰

摘要：該文基于筆者參與的國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目，以基于GIS的臺(tái)州臨海暴雨內(nèi)澇模型為研究對(duì)象，論文首先分析了暴雨內(nèi)澇成因，進(jìn)而基于GIS構(gòu)建了內(nèi)澇仿真模型和內(nèi)澇模型，以供相關(guān)人士參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：暴雨 內(nèi)澇模型 仿真模型

1世紀(jì)被稱為城市的世紀(jì)，聯(lián)合國(guó)前任秘書(shū)長(zhǎng)加利在談到城市的地位時(shí)曾說(shuō)：“在未來(lái)社會(huì)里，城市特別占主導(dǎo)地位，城市的未來(lái)不僅決定了各國(guó)的前途，而且將決定整個(gè)地球的命運(yùn)”。城市作為人類文明的標(biāo)志和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的載體，是人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要區(qū)域和集聚中心，同時(shí)也是自然災(zāi)害易發(fā)和頻發(fā)區(qū)域，特別是隨著氣候變暖和城市化進(jìn)程的加快，洪澇災(zāi)害已成為影響世界各國(guó)城市安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要自然災(zāi)害，且頻度和強(qiáng)度不斷加強(qiáng)。從2000年至今，日本首都東京、捷克首都布拉格、美國(guó)新奧爾良市、澳大利亞羅克漢普頓市、泰國(guó)首都曼谷、越南峴港市、印度首都新德里等城市均發(fā)生了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，損失巨大。中國(guó)城市雖然與洪澇災(zāi)害有4 000多年的斗爭(zhēng)史，但在洪澇災(zāi)害面前，人類依然顯得渺小，僅1998年洪澇災(zāi)害就造成3 000人喪生，1 500萬(wàn)人無(wú)家可歸，并造成了200億美元的經(jīng)濟(jì)損失。近幾年，洪澇災(zāi)害極大地束縛了我國(guó)城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并有愈演愈烈之勢(shì)，特別是2011—2016年，北京、上海、武漢、成都、杭州、南京、重慶、大連等大城市輪番上演暴雨淹城的景象，給居民的生活及城市形象帶來(lái)嚴(yán)重的影響，“逢暴雨必澇”已成為中國(guó)城市的真實(shí)寫(xiě)照。因此，城市洪澇災(zāi)害已成為各國(guó)媒體與公眾關(guān)注的熱點(diǎn)，而預(yù)防與減少洪澇災(zāi)害則成為各國(guó)政府與學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。本文選擇浙江臺(tái)州臨海市，應(yīng)用GIS技術(shù)，開(kāi)展了暴雨內(nèi)澇模型構(gòu)建研究。

1 研究區(qū)域概況

試點(diǎn)區(qū)域選擇在臺(tái)州臨海市，為浙江省臺(tái)州市代管縣級(jí)市（如圖1）。

2 城市暴雨內(nèi)澇成因分析

城市暴雨內(nèi)澇其實(shí)質(zhì)是由于暴雨徑流不能及時(shí)排走而引起城市局部地面受淹，是由多種自然因素和人為因素共同作用而形成的，兼有自然災(zāi)害與人文災(zāi)害的雙重性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，主要有以下幾方面的因素。

2.1 氣候變暖對(duì)降雨的影響

氣候變暖對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響是多方面的，其中最重要的一條就是加速水循環(huán)過(guò)程，而水循環(huán)速度加快將導(dǎo)致暴雨增多。2007年由包括英國(guó)氣象局哈德利中心在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家氣候研究部門共同完成，并在《since》雜志上發(fā)表的一篇文章指出，人為因素造成的全球變暖是導(dǎo)致2007年夏季北半球部分地區(qū)暴雨成災(zāi)的罪魁禍?zhǔn)祝@項(xiàng)研究首次證實(shí)了降雨量增加與全球氣候變暖有關(guān)。由于人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣中溫室氣體含量增加，產(chǎn)生了溫室效應(yīng)，同時(shí)，大氣中含水量增加，雨強(qiáng)增大，大雨、暴雨的發(fā)生概率呈抬頭之勢(shì)。另外，城市熱島效應(yīng)也有利于增強(qiáng)城市空氣的對(duì)流，增加空氣中水汽含量，水汽含量增加、足夠的凝結(jié)核、空氣對(duì)流強(qiáng)度增大這三大要素導(dǎo)致城市暴雨強(qiáng)度加大。

2.2 城市不透水面積對(duì)雨洪徑流的影響

目前，我國(guó)正處于一個(gè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)期，到處可見(jiàn)拔地而起、鱗次櫛比的高樓大廈，城市道路也在不斷地延長(zhǎng)、拓寬，而作為城市主要透水區(qū)域的綠地面積則被逐步蠶食，從而使城市下墊面不透水面積比例不斷增加，而不透水面積增加的直接水文效應(yīng)表現(xiàn)為徑流系數(shù)的增大和水文過(guò)程的尖瘦化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上海市1948—2002年新增城市建設(shè)用地4萬(wàn)hm2，隨著建成區(qū)面積的增加，上海城區(qū)地面綜合徑流系數(shù)由1950年的0.53變?yōu)?001年的0.71，徑流系數(shù)增加了34%，即在相同的匯水區(qū)域內(nèi)，相同降雨場(chǎng)次的雨水徑流總量將提高34%，大大加重了城市雨水排放系統(tǒng)的流量負(fù)荷。

同時(shí)，城市不透水面積比例的增加也提高了雨水匯流的水力效率，再加上原有的天然河道也往往被裁彎取直，其總長(zhǎng)度及河網(wǎng)密度均有明顯下降，堤岸也大都被人為硬化，使雨水徑流在排放過(guò)程中流速增大，暴雨峰值提前，從而增加了城市暴雨內(nèi)澇形成的概率。

2.3 城市雨水管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)低

目前，我國(guó)城市采用的市政排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏低，GB 50014-2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“一般地區(qū)，重現(xiàn)期一般采用0.5～3年；重要干道、重要地區(qū)或短期積水即能引起較嚴(yán)重后果的地區(qū)，一般采用3～5年”。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，大多數(shù)城市的排水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期多選取下限，如，北京、上海、廣州大部分地區(qū)的排水標(biāo)準(zhǔn)為1年一遇，重點(diǎn)地區(qū)或特別重要地區(qū)為3～5年一遇，與國(guó)外城市普遍采用的2～5年一遇的排水標(biāo)準(zhǔn)相比，我國(guó)城市的排水標(biāo)準(zhǔn)偏低，而且一些老城區(qū)的市政排水系統(tǒng)已經(jīng)使用幾十年，部分管道老化破損，甚至堵塞，致使整個(gè)排水系統(tǒng)排水能力低下，是導(dǎo)致城市暴雨內(nèi)澇的一個(gè)重要原因。

2.4 城市排水系統(tǒng)“雨污混接”現(xiàn)象普遍存在

目前，我國(guó)很多城市的排水系統(tǒng)形成了合流制、分流制并存的混合排水體制，新建區(qū)域多采用分流制排水系統(tǒng)。然而，由于我國(guó)城市排水系統(tǒng)的建設(shè)滯后于城市發(fā)展，部分城市排水系統(tǒng)執(zhí)法監(jiān)管不到位等原因，污水管道被人為接入或誤接入雨水管網(wǎng)，實(shí)際上很多城市的分流制排水系統(tǒng)并未形成真正的分流制，雨污混接現(xiàn)象普遍存在?！坝晡刍旖印笔钩鞘形鬯唇?jīng)處理就通過(guò)雨水排放系統(tǒng)直接排入受納水體，污染城市水環(huán)境；同時(shí)，還由于“污”走“雨”路，污水占據(jù)了部分雨水的排放空間，在一定程度上削減了雨水排放系統(tǒng)的排洪能力。

2.5 城市地面沉降日趨嚴(yán)重

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市人口的激增，城市用水量也隨之迅猛增長(zhǎng)，再加上地表水資源的匱乏，一些城市不得不大量超采地下水資源以滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及居民生活用水的需求，導(dǎo)致部分區(qū)域地下水位下降嚴(yán)重。據(jù)我國(guó)水利部《2008年中國(guó)水資源公報(bào)》的數(shù)據(jù)顯示，截止2008年底，我國(guó)平原區(qū)地下水位降落漏斗數(shù)量共計(jì)81個(gè)，漏斗總面積7萬(wàn)km2，且地下水位降落量、漏斗區(qū)個(gè)數(shù)及面積均呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。地下水位的下降導(dǎo)致了諸如天津、上海、杭州、滄州等幾十座城市出現(xiàn)了不同程度的地面沉降、塌陷等。地面沉降進(jìn)一步加劇了城市內(nèi)澇災(zāi)情。

2.6 城市排水管理體制不健全

城市排水管理是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，涉及規(guī)劃、城建、市政（給排水）、環(huán)境、水利等多個(gè)部門和專業(yè)，然而，各部門、各專業(yè)之間長(zhǎng)期各自為政、各行其是，缺乏必要的溝通與合作，是我國(guó)城市暴雨內(nèi)澇的一個(gè)間接原因。我國(guó)的城市排水管理體制歷經(jīng)多次變遷，從建國(guó)初期的塊狀管理到80年代的規(guī)劃、建設(shè)分離，過(guò)渡到90年代興起的規(guī)劃、建設(shè)、管理分離模式。

90年代后期興起城市水務(wù)一體化管理后，城市給排水基礎(chǔ)設(shè)施管理模式更加復(fù)雜。城市內(nèi)部的河道管理也相當(dāng)復(fù)雜，如，有些地區(qū)采用了建國(guó)初期形成的塊狀管理模式，城市內(nèi)部水系歸城建部門管理，有些地區(qū)則由水利、水務(wù)部門實(shí)施對(duì)河道的管護(hù)。城市河道、城市內(nèi)部排水基礎(chǔ)設(shè)施是城市排水系統(tǒng)的重要組成部分，管理過(guò)程中，針對(duì)復(fù)雜的管理模式，需要協(xié)調(diào)不同部門，這就有可能導(dǎo)致排澇泵站收集不到雨水，而雨水排不出去。同時(shí)，由于城市暴雨洪水預(yù)見(jiàn)期短，暴雨預(yù)測(cè)技術(shù)、預(yù)測(cè)網(wǎng)尚不完備，再加上部分城市缺乏城市暴雨洪水預(yù)案，這就可能導(dǎo)致城市災(zāi)害應(yīng)急管理措施不及時(shí)。

3 基于GIS的臺(tái)州臨海暴雨內(nèi)澇模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)。臺(tái)州臨海高分辨率DEM數(shù)據(jù)，1∶500比例尺的DEM數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時(shí)效性要求為最新數(shù)據(jù)，不早于2014年。

（2）地形圖數(shù)據(jù)。臺(tái)州臨海1∶500全要素地形圖數(shù)據(jù)，房屋數(shù)據(jù)需要構(gòu)面數(shù)據(jù)。

（3）暴雨公式。暴雨公式及其參數(shù)。

（4）土地利用類型數(shù)據(jù)。臺(tái)州臨海土地利用類型數(shù)據(jù)（構(gòu)面數(shù)據(jù)），如，屋頂、路面、綠地和水系等。

（5）排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。臺(tái)州臨海排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)：①排水管網(wǎng)的雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。分為雨水管點(diǎn)和管線，包括平面坐標(biāo)、地面高程、埋深、水流方向、材質(zhì)、斷面尺寸，檢查井的類型、井深、斷面尺寸。排水管線需要做接邊處理，并且沒(méi)有重復(fù)的管線以及獨(dú)立的管線。②泵站的分布與排水能力。在模型計(jì)算中，考慮泵站的排水對(duì)管網(wǎng)中水流分布的影響。

3.2 城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域確定。城市低洼地形處可能產(chǎn)生積水的最大區(qū)域是城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。在地形分析中，此類地形稱之為洼地?；贒EM，設(shè)計(jì)洼地檢測(cè)算法，確定城市易積澇區(qū)域，準(zhǔn)確提取出洼地的范圍和出口等特征信息。

（2）內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析。根據(jù)臺(tái)州臨海的地形數(shù)據(jù)，采用一定的算法確定水流方向，就可以確定整個(gè)城市區(qū)域地表的雨水運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而獲得每一個(gè)低洼區(qū)域的上游匯水區(qū)域的面積，亦即水流累積值。上游匯水面積越大，降雨期間來(lái)自上游的水流累積量就越大，那么對(duì)應(yīng)的低洼地形發(fā)生積水的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。

（3）分析內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)時(shí)需要涉及的問(wèn)題包括：①所依據(jù)的地形范圍。②風(fēng)險(xiǎn)的承載對(duì)象。③最大積水深度。④水流累積值。首先要找到城市所在的流域，確定其范圍，只有在合理的地形范圍內(nèi)才能得到符合實(shí)際的分析結(jié)果。其次，要確定風(fēng)險(xiǎn)承載的對(duì)象及其可承受的最大積水深度，不同的風(fēng)險(xiǎn)承載對(duì)象對(duì)水深的敏感程度存在較大差異，比如行人可忍受的積水深度小于車輛，在給定風(fēng)險(xiǎn)承載對(duì)象的前提下分析內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)才有實(shí)際意義。然后，計(jì)算每一個(gè)低洼地形的最大積水深度，當(dāng)其低于風(fēng)險(xiǎn)承載對(duì)象可承受的最大積水深度時(shí)可以認(rèn)為這個(gè)低洼地形的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)較小；當(dāng)其大誑沙惺艿淖畬蠡疃仁痹蛉銜玫匭蔚哪誒苑縵戰(zhàn)洗蟆W詈？對(duì)于前述分析中有較大內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的低洼地形計(jì)算水流累積值，并依據(jù)水流累積值和地形數(shù)據(jù)給出量化的風(fēng)險(xiǎn)值。

3.3 內(nèi)澇仿真模型構(gòu)建

強(qiáng)降雨是引發(fā)城市內(nèi)澇的主要致災(zāi)因子。在強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí)，排水能力不足的局部區(qū)域會(huì)形成地表積水，亦即城市內(nèi)澇現(xiàn)象。建立城市內(nèi)澇模型，實(shí)質(zhì)上就是模擬雨水從大氣層到達(dá)地表后，沿地表形成徑流，最后經(jīng)由排水管網(wǎng)輸送到受納水體的全過(guò)程。

這個(gè)過(guò)程可以分解為4個(gè)子過(guò)程，即降雨過(guò)程、產(chǎn)流過(guò)程、地表匯流過(guò)程、管網(wǎng)匯流過(guò)程。與之相對(duì)應(yīng)的，是城市內(nèi)澇模型的4個(gè)子模型：降雨模型、產(chǎn)流模型、地表匯流模型、管網(wǎng)匯流。

雨水運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程如圖2所示。A為時(shí)空分布有差異的降雨過(guò)程，對(duì)應(yīng)降雨模型；B為雨水在地表的產(chǎn)流過(guò)程，對(duì)應(yīng)產(chǎn)流模型；C為雨水徑流匯集到雨水口的過(guò)程，對(duì)應(yīng)地表匯流模型；D為排水管網(wǎng)的將雨水輸送到受納水體的過(guò)程，對(duì)應(yīng)管網(wǎng)匯流模型。

3.4 暴雨內(nèi)澇模型構(gòu)建

該文所采用的城市社區(qū)內(nèi)澇模型是集降雨模型、產(chǎn)匯流模型、數(shù)學(xué)計(jì)算模型和GIS空間分析模型為一體的綜合模型。其中，降雨模型、產(chǎn)匯流模型是整個(gè)內(nèi)澇模型的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)計(jì)算模型和GIS空間分析模型是整個(gè)模型的核心。數(shù)學(xué)計(jì)算模型提供了數(shù)值方面的運(yùn)算和算法的實(shí)現(xiàn)，GIS空間分析模型提供了GIS柵格空間分析方法和模擬過(guò)程的顯示，如圖3所示。

（1）降雨模型。為了保證計(jì)算的精度，暴雨強(qiáng)度公式由臺(tái)州市氣象局提供。在沒(méi)有降雨資料或者資料不充分的研究區(qū)域，一般采用平均降雨強(qiáng)度表示一場(chǎng)降雨，認(rèn)為降雨過(guò)程中降雨強(qiáng)度是不變的。采用這種處理方式形成的洪峰徑流量可能比平均強(qiáng)度相同且強(qiáng)度隨時(shí)間變化的暴雨形成的洪峰徑流量要小，尤其是當(dāng)雨峰在降雨歷時(shí)的末端時(shí)。在實(shí)際的降雨過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)降雨強(qiáng)度較小，隨時(shí)間增加而逐漸變大，然后又變小直到雨停。針對(duì)此種情況，該模型中選取了單峰雨型中的芝加哥暴雨過(guò)程線進(jìn)行相應(yīng)的演算。

（2）產(chǎn)流模型。用于產(chǎn)流計(jì)算的方法主要有徑流系數(shù)法、超滲產(chǎn)流法、蓄滿產(chǎn)流法和SCS徑流曲線法。在城市區(qū)域短歷時(shí)暴雨過(guò)程中，與形成地表徑流的雨水量相比，植被吸收、蒸發(fā)和下滲所損失的雨水量可以忽略。據(jù)此，產(chǎn)流模型采用徑流系數(shù)法。

（3）地表匯流模型。地表匯流模型描述了雨水徑流產(chǎn)生后如何在地表運(yùn)動(dòng)，并最終通過(guò)雨水口進(jìn)入排水管網(wǎng)的過(guò)程。模擬雨水口匯水區(qū)的地表匯流過(guò)程的模型有水力學(xué)模型和水文學(xué)模型兩類。水力學(xué)模型在分析影響匯流過(guò)程的物理因素的基礎(chǔ)上采用一定的數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)地表匯流過(guò)程的物理規(guī)律。水文學(xué)模型則不關(guān)心地表匯流過(guò)程自身的特性或控制其的物理規(guī)律，將研究區(qū)域視為一個(gè)系統(tǒng)，其目的是建立輸入輸出關(guān)系，模擬過(guò)去和預(yù)測(cè)未來(lái)，關(guān)注的是系統(tǒng)的功能。

（4）管網(wǎng)匯流模型。當(dāng)模型計(jì)算精度要求較高時(shí)，需要提供管道的初始條件和邊界條件，采用動(dòng)力波模型模擬雨水徑流在管道的流動(dòng)，計(jì)算能力滿足要求時(shí)采用Preissman隱式差分對(duì)整個(gè)排水管網(wǎng)進(jìn)行同步解算；而計(jì)算精度要求一般時(shí)可以采用馬斯京根法計(jì)算管道的流量過(guò)程，采用空間上依次解算的方式從上游往下游逐步對(duì)整個(gè)排水管網(wǎng)進(jìn)行求解。

4 結(jié)語(yǔ)

城市暴雨內(nèi)澇模型是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及災(zāi)害學(xué)、風(fēng)險(xiǎn)學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境學(xué)和社會(huì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的理論與方法。該文只是從對(duì)城市暴雨內(nèi)澇的理論、方法和實(shí)證做了有益的探索，相對(duì)于該研究領(lǐng)域科學(xué)理論的拓展和現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解決還僅僅是一個(gè)開(kāi)端。

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