漯河市規(guī)劃區(qū)雨洪格局空間分布特征綜合量化研究

白 天, 吳雅文, 金牧青, 鄭琳琳, 田國(guó)行

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河南 鄭州 450002)

城鎮(zhèn)化改變了城市下墊面水文特征。明河變?yōu)榘禍稀⒉煌杆姹壤黾?，顯著降低了城市下墊面雨水截留和入滲能力[1]，徹底改變了原有自然水文過(guò)程。城市地形改造，導(dǎo)致城市地表徑流局部匯集，使城市區(qū)域易受到歷時(shí)短、強(qiáng)降雨的侵襲而引起城市內(nèi)澇，給城市帶來(lái)災(zāi)難性的后果[2]。城市空間格局變化，導(dǎo)致城市用地類(lèi)型和性質(zhì)的差異，也是引起城市局部及周?chē)h(huán)境雨洪災(zāi)害發(fā)生的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市內(nèi)澇每年造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的3.5%，并有大量人員傷亡[3]。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)60年代起開(kāi)始城市雨洪研究[4]，到20世紀(jì)80，90年代已逐步建立了系統(tǒng)的計(jì)算理論與技術(shù)模型，包括SWMM，MIKE 11，HSPF，SWAT模型[5]等以滿(mǎn)足城市排水、防洪、環(huán)境治理的需要。中國(guó)也有相關(guān)研究，尹占娥等[6]對(duì)上海市浦東暴雨淹沒(méi)區(qū)域研究，劃分了不同的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，湯鵬等[7]對(duì)揚(yáng)州江都區(qū)產(chǎn)流分布研究，丁鍶湲等[8]對(duì)廈門(mén)市雨洪安全格局分析提出了控制紅線(xiàn)邊界與保護(hù)利用，姚磊等[9]分析了北京市產(chǎn)流空間集聚特征等。近年來(lái)，漯河地區(qū)雨洪災(zāi)害突顯，但關(guān)于漯河雨洪格局研究尚未見(jiàn)報(bào)道。雨洪空間分布特征與趨勢(shì)研究目前還處于初級(jí)階段，本次研究擬借助GIS和RS方法綜合分析暴雨產(chǎn)流、積水過(guò)程和地理空間分布特征與趨勢(shì)，以期為城市土地利用規(guī)劃和海綿城市建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漯河市地處黃淮海平原，屬暖濕性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，據(jù)漯河氣象站(1956—2008)降雨統(tǒng)計(jì)資料，全年降雨量區(qū)間為377.1～1455.6 mm，降水量平均值804 mm±0.25，其中夏季降水量占全年降水量的54%，53 a間夏季降水量平均增加7.8 mm[10]。1956—2008年，漯河發(fā)生澇災(zāi)56次，平均1.06 a/次[11]，夏季積狀云和積層混合云雨日增多，加之局部地區(qū)雷暴和特殊天氣常引發(fā)局部暴雨，層、積、混3類(lèi)云雨日平均雨量分別為30.9，32.0和46.6 mm，導(dǎo)致城市降水多集中在5—9月[10]。城區(qū)地勢(shì)，東北高，西部平坦，東南低，每逢暴雨因排泄不及時(shí)而造成水患，尤其是對(duì)城市東南的召陵，鄧襄地區(qū)災(zāi)害嚴(yán)重。城市中心積水點(diǎn)由2014首次統(tǒng)計(jì)的23個(gè)，增加為2016重新劃分后的25個(gè)，2010年7月17日12時(shí)30分，漯河市降雨強(qiáng)度2 h達(dá)187 mm，為近10 a來(lái)最大降雨[12]，2013年8月24日17時(shí)54分，市區(qū)降雨量1 h內(nèi)高達(dá)90 mm，2017年8月18日漯河市區(qū)平均降水量達(dá)到211 mm，最大降雨量達(dá)到280 mm。城市暴雨造成大量積水，影響道路交通安全和居民正?；顒?dòng)，大量漂浮污染物擴(kuò)散，引起水資源的二次污染。

2 城市規(guī)劃區(qū)雨洪格局分布特征分析

2.1 建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)

GIS空間模擬需要城市原始數(shù)據(jù)支撐，本文研究數(shù)據(jù)來(lái)源：①漯河市園林管理局、規(guī)劃局、氣象局等部門(mén)提供數(shù)據(jù)；②參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)；③運(yùn)用Trimble UX5 HP固定翼無(wú)人機(jī)航拍獲取的0.09 m高分辨率正射影像數(shù)據(jù)。根據(jù)研究需要對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的矢量化和屬性化解譯(表1)。

表1 漯河規(guī)劃區(qū)的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)

2.2 降雨信息

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》和漯河市暴雨曲線(xiàn)、內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)為20 a，而降雨開(kāi)始后的2 h為主要降雨時(shí)期，0～2 h降雨強(qiáng)度下降率為72%，后逐漸穩(wěn)定，是觀察降雨過(guò)程的最佳時(shí)期[13]。故結(jié)合漯河市暴雨強(qiáng)度公式與芝加哥雨型生成器[14]，生成20 a重現(xiàn)期2 h降雨時(shí)間序列，計(jì)算降雨量為85.43 mm，分析漯河市規(guī)劃區(qū)157.79 km2的徑流和積水分布特征。漯河市市政工程設(shè)計(jì)院，2014年漯河市暴雨強(qiáng)度公式編制成果：

(1)

式中：i——降雨強(qiáng)度(mm/min)；P——降雨重現(xiàn)期(h)；t——降雨歷時(shí)(min)。

2.3 提取城市下墊面參數(shù)

對(duì)無(wú)人機(jī)航拍影像進(jìn)行融合拼接、地理配準(zhǔn)、幾何糾正處理，獲得分辨率為0.09 m的漯河市規(guī)劃區(qū)157.79 km2的正射影像，獲取時(shí)間為2016年3月13日至22日，該時(shí)段影像清晰，可有效的判別城市各類(lèi)用地邊界和其他關(guān)鍵信息。

(1) 通過(guò)目視解譯，將土地覆蓋/利用(LUCC)類(lèi)型[15]劃分為兩大類(lèi)，7種類(lèi)型(P1-4-I1-3)。P為透水表面：P1城市綠地，P2水體，P3農(nóng)業(yè)用地，P4未利用土地；I為不透水表面：I1道路用地，I2建筑用地(屋頂)，I3公共管理用地。

(2) 采用ArcGIS 10.2將航拍獲取的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高程精度為1 m數(shù)字表面模型(DSM)[16]，與通常由衛(wèi)星影像獲取的精度為30 m的DEM影像相比提高了研究的精確性，同時(shí)，還能獲取城市建筑高程豎向二維數(shù)據(jù)。

2.4 SCS-CN水文模型分析

2.4.1 SCS-CN水文模型 SCS-CN模型由美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)，是用于計(jì)算小流域降雨—產(chǎn)流的地質(zhì)水文經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型在產(chǎn)流計(jì)算和模擬研究中得到廣泛

的應(yīng)用[17]。降雨水平衡方程為：

P=Ia+F+Q

(2)

式中：P——降雨量(mm)；Ia——雨水初損(mm)，包括植被截留量、地表蒸發(fā)、土壤滲漏等；F——后損值，即地表實(shí)際累積的入滲量(mm)；Q——地表實(shí)際徑流量(mm)。下同。

SCS模型降雨計(jì)算的徑流公式為：

(3)

式中：S——飽和儲(chǔ)水量。下同。

由于S飽和儲(chǔ)水量，受環(huán)境影響較大，因而引入一個(gè)無(wú)量綱徑流曲線(xiàn)數(shù)(CN系數(shù))，CN系數(shù)是SCS-CN模型中反映降雨前下墊面和降雨特征的綜合參數(shù)，為了提高城市流域的水文模擬的精確度，美國(guó)《國(guó)家工程手冊(cè)》中提供了城市化區(qū)域各類(lèi)型土地覆蓋所對(duì)應(yīng)的CN值表[17]并不斷更新，能反映城市區(qū)域的產(chǎn)流特性。CN值和S之間有如下關(guān)系：

(4)

式中：S——土壤飽和儲(chǔ)水量； CN系數(shù)和研究區(qū)的土壤種類(lèi)、土壤滲透性、植被類(lèi)型等密切相關(guān)，其正常的取值在0～100之間，具體數(shù)值根據(jù)研究區(qū)的具體情況加以修正。以此為基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助該模型從不同空間尺度開(kāi)展城市區(qū)域的產(chǎn)流研究[5]，均得到可靠模擬結(jié)果。

2.4.2 CN值的確定 由于與美國(guó)用地類(lèi)型劃分的差異，研究對(duì)應(yīng)美國(guó)《國(guó)家工程手冊(cè)》，結(jié)合漯河LUCC和城市總體規(guī)劃(2012—2030年)對(duì)CN系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中漯河土壤為黃褐土、棕壤和石灰性沙姜黑土，土壤水文曲線(xiàn)CN值為C類(lèi)。根據(jù)SCS模型計(jì)算公式，將CN系數(shù)代入SCS水文模型中以求得飽和儲(chǔ)水量(S)、直接徑流量(Q)，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 漯河市土地覆蓋/利用(LUCC)SCS模型CN值

注：引自National Engineering Handbook sections 4,7,9并做一定程度修正。

2.5 子匯水區(qū)的劃分及排水網(wǎng)絡(luò)分布

子匯水區(qū)是研究雨水徑流量的基本單元[18]，根據(jù)研究區(qū)城市路網(wǎng)分布，劃分出166個(gè)子匯水區(qū)，并根據(jù)上文數(shù)據(jù)庫(kù)資料繪制城市排水管網(wǎng)現(xiàn)狀布局，管網(wǎng)鋪設(shè)總長(zhǎng)度為119.18 km集中分布于城市中心區(qū)域如所示。

3 產(chǎn)流與積水分析

3.1 產(chǎn)流分析

利用SWMM模型進(jìn)行模擬研究[5]，計(jì)算總徑流量(mm)、徑流體積(L×106)、峰值流量(m3/s)和徑流系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示:①總體上蒸發(fā)損失0.28 mm，入滲損失16.18 mm，地表徑流28.524 mm，地表蓄水40.59 mm、連續(xù)性誤差為-0.174%在合理范圍。子匯水區(qū)中最大徑流量為77.42 mm，最大徑流體積為1.72×108L；②總徑流量與徑流系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致(圖1a,1d)，由城市中心向外逐步遞減，與路網(wǎng)密度呈正相關(guān)、與匯水區(qū)面積呈負(fù)相關(guān)；徑流體積與峰值流量變化趨勢(shì)基本一致(圖1b,1c)，受匯水區(qū)面積和城市管網(wǎng)分布的影響較大；③空間自相關(guān)分析可以識(shí)別地理現(xiàn)象之間潛在的聚集特征，通常用全局自相關(guān)系數(shù)(Moran’sI)來(lái)描述，相關(guān)性表現(xiàn)為聚集、離散和不相關(guān)[9]。對(duì)總徑流量，徑流系數(shù)，徑流體積，峰值流量進(jìn)行空間自相關(guān)分析，得出總徑流量，徑流系數(shù)的Moran’sI系數(shù)一致為0.338(p<0.001)，徑流體積為0.142(p<0.001)，峰值流量為0.101(p<0.001)，產(chǎn)流格局呈現(xiàn)顯著的集聚性，其中總徑流量和徑流系數(shù)集聚性特征表現(xiàn)較強(qiáng)，說(shuō)明土地利用類(lèi)型對(duì)產(chǎn)流和積水有影響，且產(chǎn)流過(guò)程影響大于積水過(guò)程。

圖1 漯河市產(chǎn)流模擬分析

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》市區(qū)綜合徑流系數(shù)超0.7，需要采取必要的滲透、調(diào)蓄措施[23]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將研究區(qū)劃分為5個(gè)等級(jí)[6](表3)，統(tǒng)計(jì)分析可知，低產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)子匯水區(qū)數(shù)量較多、面積最大，主要分布在中心城區(qū)外圍(圖1d)，以農(nóng)業(yè)用地為主，占總面積的27.11%，其余是城市中心區(qū)零散分布的幾個(gè)大型公園綠地，占總面積的8.99%，其他的綠地主要分布在中低產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；而在高產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中不透水景觀面積占82.73%，透水景觀面積僅占該區(qū)域17.27%，其中綠地占該區(qū)域13.78%，占總面積的0.33%。

3.2 積水區(qū)分析

城市產(chǎn)流與積水是兩個(gè)不同過(guò)程，城市產(chǎn)流的主要原因是下墊面的下滲能力/蓄水能力與降雨強(qiáng)度/降雨量的對(duì)比，而城市地形決定了城市積水的實(shí)際分布。傳統(tǒng)匯水區(qū)積水深度計(jì)算有兩種形式，一種是根據(jù)匯水區(qū)面積和積水量估算積水深度，這種方法精度低，不能自動(dòng)化計(jì)算；另一種方法是采用二分法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大，計(jì)算速度慢[19]。本研究采取“基于DEM 的匯水區(qū)降雨積水深度的計(jì)算方法”[20]，基于DSM進(jìn)行積水區(qū)域計(jì)算二維空間積水深度和范圍。

表3 漯河市產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分

匯水區(qū)高程點(diǎn)經(jīng)過(guò)插值形成的三角網(wǎng)格包含高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)集和網(wǎng)格面積[21]。匯水區(qū)的積水量在匯水區(qū)內(nèi)進(jìn)行積水分配，積水分配后的水位高程減去相應(yīng)點(diǎn)地形高程為該點(diǎn)積水深度。由圖2可知，漯河20 a重現(xiàn)期2 h，85.43 mm降雨條件下，積水面積占總面積的34.94%。通過(guò)地形分析，最大模擬積水深度高達(dá)到18 m (位于澧河河岸洼地、面積僅2,691 m2)，主要受局部高程差影響；積水斑塊由城市中心向城市邊緣呈逐級(jí)增加，城市中心積水斑塊呈分散分布，而外圍積水區(qū)域呈集中、片狀分布；另外，中心城市以外缺乏市政基礎(chǔ)設(shè)施，也是引起局部積水的重要原因。

對(duì)積水面積統(tǒng)計(jì)分析(表4)，積水分布與徑流量體積分布相似，而與總徑流量分布有顯著差異。積水

區(qū)域格全局自相關(guān)Moran’sI系數(shù)為0.918(p<0.001)，說(shuō)明積水區(qū)格局呈現(xiàn)顯著的集聚性，積水區(qū)域自相關(guān)Moran’sI系數(shù)大于匯水區(qū)RC，RV說(shuō)明地形要素對(duì)產(chǎn)流的影響小于積水過(guò)程。積水區(qū)域用地類(lèi)型以農(nóng)業(yè)用地、城市綠地、道路用地為主，分別占總面積的36.56%，21.39%，21.82%，都超過(guò)積水區(qū)域20%以上，而這3類(lèi)用地積水分布又呈現(xiàn)出各自的特點(diǎn)，農(nóng)業(yè)用地分布主要在城市中心以外、斑塊數(shù)量最少、景觀整體性最好、景觀連接度最大、積水區(qū)域分布也相對(duì)集中，但由于地勢(shì)較低，也是受災(zāi)影響最嚴(yán)重的區(qū)域；城市綠地主要分布于城市中心區(qū)域、斑塊數(shù)量?jī)H次于建筑用地、分布較散、景觀連接度低，積水分布也呈現(xiàn)分散分布；城市道路是城市改造最多的區(qū)域，積水分布沿城市道路呈不規(guī)則帶狀分布，分布較散但與城市綠地相比，具有明確的方向性。

圖2 漯河市積水區(qū)域分布模擬表4 漯河市不同土地覆蓋/利用積水狀態(tài)分析

土地覆蓋/利用(LUCC)斑塊面積/km2積水斑塊數(shù)量/個(gè)積水面積/km2占積水面積比例/%占同類(lèi)面積比例/%占總面積比例/%城市綠地(P1)24.8313 15911.8021.3947.537.47水體(P2)4.537 2150.010.020.230.01農(nóng)業(yè)用地(P3)45.6782420.1836.5644.1712.77未利用土地(P4)18.649548.9216.1547.825.64道路用地(I1)26.802 71112.0421.8244.947.62建筑用地(I2)33.2453 1220.150.270.450.09公共管理用地(I3)4.231 1142.093.7949.461.33總 計(jì)157.9479 09955.1934.94

4 結(jié)論與討論

4.1 研究區(qū)分布和構(gòu)成

(1) LUCC呈現(xiàn)層次性特征，城市透水表面比例由城市中心向外逐步增加，與同心圓式的城鎮(zhèn)化發(fā)展過(guò)程一致，但用地性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，由城市綠地過(guò)度為農(nóng)業(yè)用地。

(2) 產(chǎn)流分布隨城市擴(kuò)張呈現(xiàn)由內(nèi)向外逐漸減少的趨勢(shì)，不透水面比率高于70%的子匯水區(qū)有66個(gè)集中分布在城市中心，說(shuō)明城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的城市下墊面LUCC是引起城市地表徑流增加的重要原因。

(3) 道路、建筑、廣場(chǎng)密度由中心城市向外逐漸降低，與產(chǎn)流呈正相關(guān)，說(shuō)明城市不透水面透密度對(duì)產(chǎn)流也有影響。

(4) 總徑流量，徑流系數(shù)，徑流體積，峰值流量的Moran’sI系數(shù)大于0，呈顯著集聚性，城市地表產(chǎn)流與城市擴(kuò)張趨勢(shì)一致，子匯水區(qū)之間空間依賴(lài)程度高，對(duì)徑流的產(chǎn)生彼此影響。

4.2 研究區(qū)產(chǎn)流狀況

(1) 平均產(chǎn)流量隨著不透水面積的增加而增大，但徑流體積與匯水區(qū)域面積有關(guān)，Moran’sI系數(shù)顯示LUCC對(duì)產(chǎn)流過(guò)程影響大于積累過(guò)程。

(2) 產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分，發(fā)現(xiàn)各等級(jí)產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布數(shù)量平均，但面積差異較大，其中低產(chǎn)流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積最大，說(shuō)明現(xiàn)狀LUCC對(duì)產(chǎn)流有積極作用，能有效控制一定程度的產(chǎn)流，但模擬周期內(nèi)未排空徑流，說(shuō)明在20 a重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度條件下，產(chǎn)流量大于排出量、滲透量和蒸發(fā)量之和，會(huì)導(dǎo)致子匯水區(qū)的積水。

(3) 城市綠地占規(guī)劃區(qū)面積的28.24%，積水綠地占綠地總面積的75.74%說(shuō)明城市綠地對(duì)徑流吸收、存蓄能力有限，但綠地景觀潛力巨大，已被證明通過(guò)提高降雨入滲和冠層截流蒸散發(fā)等方式能有效的削減降雨徑流量[22]，城市綠地與城市灰色基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合的方法對(duì)減少雨洪災(zāi)害損失將起到積極作用，同時(shí)還可以產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益。

4.3 研究區(qū)積水分析

城市產(chǎn)流與積水是2個(gè)不同過(guò)程，影響因素也有差異。

(1) 積水區(qū)域自相關(guān)Moran’sI系數(shù)為0.918(p<0.001)，呈現(xiàn)顯著集聚性，且大于產(chǎn)流分布，說(shuō)明城市下墊面滲透性改變和城市局部地形改變，兩者疊加加劇了城市內(nèi)澇災(zāi)害的程度。

(2) 地形因素導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用地大量積水，而初期雨水沖刷，往往伴隨大量污染物[23]。由此可知，城市區(qū)域暴雨不僅對(duì)城市內(nèi)部產(chǎn)生影響，同時(shí)也嚴(yán)重危及到城市周?chē)r(nóng)田的生產(chǎn)安全。

(3) 沙澧河河堤抬升，難以兼顧城市防洪與城市雨洪，而明渠變暗渠破壞了城市脈絡(luò)，也加大了城市市政管網(wǎng)的排水壓力。

4.4 研究?jī)?yōu)勢(shì)與改進(jìn)

近年來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在大比例尺測(cè)量任務(wù)(10～100 km2)中表現(xiàn)快速高效、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低等特點(diǎn)，并在形圖測(cè)繪、應(yīng)急救災(zāi)、國(guó)土監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用[24]。本次選用無(wú)人機(jī)技術(shù)作為研究的資料獲取手段，得到了0.09 m高分辨率的正攝影像和DSM二維柵格影像，為研究提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；結(jié)合SCS-CN模型的產(chǎn)流計(jì)算和“基于DEM 的匯水區(qū)降雨積水深度的計(jì)算”，分析了產(chǎn)流和積水分布的空間關(guān)系；計(jì)算產(chǎn)流和積水的全局自相關(guān)系數(shù)(Moran’sI)，分析了兩者的地理空間分布特征和趨勢(shì)，更全面、直觀地展示了漯河規(guī)劃區(qū)雨洪格局特征。

本研究還處于利用綜合方法分析雨洪安全格局的階段，是分步驟對(duì)城市產(chǎn)流和城市積水過(guò)程特征進(jìn)行梳理。研究團(tuán)隊(duì)將逐步改進(jìn)研究方法，構(gòu)建系統(tǒng)化耦合模型和應(yīng)用系統(tǒng)并不斷提高計(jì)算精確度，將研究成果運(yùn)用到城市雨水資源實(shí)際管理中。