廈門島內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評價制圖

薛豐昌，張嫣然，田 娟，趙 碧，朱一晗

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廈門島內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評價制圖

薛豐昌1,2，張嫣然1,2，田 娟1,2，趙 碧1,2，朱一晗2,3

(1. 南京信息工程大學(xué)遙感與測繪工程學(xué)院，江蘇 南京 210044； 2. 氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(南京信息工程大學(xué))，江蘇 南京 210044； 3. 南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044)

城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評價圖件是城市內(nèi)澇災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)基礎(chǔ)技術(shù)資料。利用城市管網(wǎng)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，經(jīng)過匯水區(qū)劃分和管網(wǎng)概化以及參數(shù)率定建立廈門島內(nèi)澇模型，模擬出不同重現(xiàn)期降雨量下廈門島地表積水深度并作為內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評價中的危險性評價因子，以河網(wǎng)影響度、敏感點(diǎn)密度、植被覆蓋度作為孕災(zāi)環(huán)境的敏感性因子，人口密度、人均GDP作為承災(zāi)體的易損性評價因子，建立廈門島的內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估模型，計算得到不同重現(xiàn)期下廈門島內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險等級評價圖。結(jié)果表明，隨著重現(xiàn)期的增加高風(fēng)險指數(shù)的區(qū)域逐漸增加，主要呈現(xiàn)由沿海向島內(nèi)擴(kuò)展的趨勢，部分區(qū)域由于下墊面的構(gòu)成如山體水系等影響表現(xiàn)出穩(wěn)定的低風(fēng)險特征。

城市積澇；SWMM；重現(xiàn)期；風(fēng)險評價

近年來在極端天氣不斷增加情況下，強(qiáng)降水產(chǎn)生的地表徑流往往超過城市管網(wǎng)排水能力，導(dǎo)致城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害，造成不同程度的人員傷亡和城市基礎(chǔ)設(shè)施的損壞。因此，迫切需要對城市內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險評價分析，針對分析結(jié)果策劃城市內(nèi)澇災(zāi)害的應(yīng)對措施，提高防災(zāi)減災(zāi)能力。

城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評價的方法一般包括3類[1]：①歷史災(zāi)情數(shù)理統(tǒng)計法[2-4]，該方法比較簡單，思路直觀清晰，但是對資料的要求較高，局限于大區(qū)域研究區(qū)的應(yīng)用；②指標(biāo)體系法[5-8]重點(diǎn)在于評價因子的選取與其權(quán)重的確定，是風(fēng)險評價分析中應(yīng)用最為廣泛的方法，評價指標(biāo)的選取往往具有一定的主觀性，相對于小尺度的空間來說評價因子也存在不夠精細(xì)化的問題；③水文水力學(xué)模型與仿真模擬法[9-13]，能夠借助城市管網(wǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，模擬出暴雨過程。在以上方法中，前2種方法主要以降雨量作為致災(zāi)因子，不能直接反映積澇積水產(chǎn)生的危害；第3種方法能夠模擬暴雨過程中的地表積水過程，但是傳統(tǒng)方法多用于災(zāi)害情景模擬，由于缺乏和GIS、遙感影像等有效結(jié)合，精度較低。本文融合了指標(biāo)體系法與水文水力模型法，應(yīng)用水文水力學(xué)模型——暴雨洪水管理模型(storm water management model，SWMM)，建立廈門島城市內(nèi)澇仿真分析模型，利用改模型模擬兩年、十年、二十年、五十年、一百年、兩百年等重現(xiàn)期降雨量下的廈門島城市內(nèi)澇地表積水深度，作為澇災(zāi)害風(fēng)險評價的危險性評價因子，以河網(wǎng)影響度、敏感點(diǎn)密度、植被覆蓋度作為孕災(zāi)環(huán)境的敏感性因子，人口密度、人均GDP等作為承災(zāi)體的易損性因子，建立融合了SWMM內(nèi)澇模型的廈門島的內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估模型，計算得到不同重現(xiàn)期降雨量下廈門島內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險等級評價圖，對廈門島積澇災(zāi)害的應(yīng)對有一定的參考作用。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

廈門島位于福建省的東南部，與金門島隔海相望，在北緯24°25′～24°33′，東經(jīng)118°02′～118°13′之間，是廈門市的政治經(jīng)濟(jì)文化商業(yè)中心。廈門島土地面積為157.76 km2，全島海拔最高為339.6 m。

廈門島屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年有2個降水期高峰：①梅雨期(5~6月份)，受西南季風(fēng)、東南季風(fēng)的影響，雨勢較強(qiáng)，暴雨頻繁；②臺風(fēng)季(7~9月份)，平均每年有 3個熱帶風(fēng)暴或臺風(fēng)登陸，帶來大范圍強(qiáng)降水過程。強(qiáng)降水過程產(chǎn)生的徑流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了城市的排水能力，給廈門島帶來了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇災(zāi)害[14-15]。

1.2 數(shù)據(jù)

(1) 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。廈門島矢量邊界數(shù)據(jù)，來源于廈門市氣象局；5 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，來源于廈門市氣象局；廈門島30 m分辨率遙感圖像，來源于地理空間數(shù)據(jù)云。

(3) 降水?dāng)?shù)據(jù)。1953—2013年廈門站日降水量，來源于南京信息工程大學(xué)氣象臺。

(4) 社會經(jīng)濟(jì)狀況數(shù)據(jù)。廈門島醫(yī)院、學(xué)校、倉庫、地下停車場、公交站、商場等分布圖，廈門島經(jīng)濟(jì)及人口數(shù)據(jù)，來源自廈門市氣象局。

2 排水模型構(gòu)建

SWMM是由美國環(huán)保局于1971年為解決城市排水問題而研發(fā)的，該模型可以用于單場或連續(xù)降水事件產(chǎn)生徑流與匯流過程的動態(tài)模擬，地表以及排水系統(tǒng)的處理過程[16]。SWMM模型構(gòu)建主要包括3個部分，匯水區(qū)劃分、管網(wǎng)概化及參數(shù)率定。

2.1 產(chǎn)匯流模型原理

地表產(chǎn)流的過程指降雨量去除地表洼蓄和下滲等消耗的雨量在地表形成的徑流。地表徑流會透過透水區(qū)域的上表層進(jìn)行下滲，本文選擇Horton(霍頓)模型對滲透過程進(jìn)行模擬，為

其中，為時刻的入滲率；0為初始入滲率；f為穩(wěn)定時的入滲率；為衰減系數(shù)。

地表匯流是指地表的徑流以匯水區(qū)為單元進(jìn)行匯總至相應(yīng)節(jié)點(diǎn)如排水口或者河道等水系的過程，即

對于智庫的理解，世界最著名的智庫蘭德公司創(chuàng)始人弗蘭克·科爾博莫做出過這樣的定義：嚴(yán)格意義上的智庫可以簡單概括為是一個獨(dú)立于政府機(jī)構(gòu)的民間組織；他強(qiáng)調(diào)真正的智庫應(yīng)該是一個“思想工廠”；一個可以沒有學(xué)生的大學(xué)；一個有明確、堅定目標(biāo)和追求卻又能無拘無束、“異想天開”的頭腦風(fēng)暴中心；一個勇于超越現(xiàn)有一切智慧、勇于挑戰(zhàn)和蔑視現(xiàn)有權(quán)威的“戰(zhàn)略思想中心”。

其中，為出流率；為匯水區(qū)的寬度；為曼寧系數(shù)；為水深；d為洼蓄的深度；為匯水單元坡度。

2.2 匯水區(qū)劃分和管網(wǎng)概化

匯水區(qū)又稱集水區(qū)域，是指從地表產(chǎn)生徑流到匯集至出水口的過程中所流經(jīng)的地表區(qū)域，是水文分析模型的基本評價單元，不同的劃分方式會對模型的模擬結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。本文基于廈門島的DEM數(shù)據(jù)，剔除了面積較大的水系以及60 m以上的山地，綜合分析了城市的主要道路、主干河道、檢查井、排水口等分布，建立了泰森多邊形(Voronoi圖)[17]實(shí)現(xiàn)了對匯水區(qū)的劃分，最后共得到1 757個匯水區(qū)，其中最大面積為3.81 km2，最小面積0.03 km2，如圖1所示。

圖1 廈門島匯水區(qū)劃分結(jié)果

管網(wǎng)概化是由于實(shí)際排水管網(wǎng)往往由于數(shù)據(jù)的限制以及模型的復(fù)雜度等因素不利于模擬和計算，從而把實(shí)際排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了抽象與概化以便分析。研究區(qū)內(nèi)簡化后的管網(wǎng)數(shù)據(jù)為599個檢查井，28個排水口，628條管線，模型構(gòu)建結(jié)果如圖2所示。

圖2 SWMM模型構(gòu)建結(jié)果

2.3 參數(shù)率定

根據(jù)廈門島的遙感圖像進(jìn)行土地利用類型分類，結(jié)果如圖3所示，參考SWMM用戶手冊[16]對每一種土地利用類型進(jìn)行參數(shù)的率定，見表1，最后以匯水區(qū)為基本評價單元利用匯水區(qū)內(nèi)各類地物面積進(jìn)行加權(quán)平均，從而確定匯水區(qū)內(nèi)的曼寧系數(shù)。

圖3 廈門島土地利用分類圖

表1 不同土地利用類型的曼寧系數(shù)

3 內(nèi)澇模擬

3.1 暴雨模擬

降水量的重現(xiàn)期是指在一定年限中，大于或等于降水量出現(xiàn)一次的平均間隔時間，計算方法為該降水量發(fā)生頻率的倒數(shù)，經(jīng)常以多少年一遇降水來表示。本文選取了1953—2013年廈門市的國家站降水量的年最大日降水序列(annual maximum，AM)，運(yùn)用對數(shù)正態(tài)分布(Lognormal, LN)、韋伯分布(Weibull)、廣義極值分布(generalized extreme value, GEV)、廣義帕累托分布(Gen. Pareto，GP)、韋克比分布(Wakeby)、耿貝爾分布等對AM序列進(jìn)行擬合，選擇最大似然法(maximum likelihood estimation, MLE)進(jìn)行了參數(shù)估算，最后利用K-S (Kolmogorov-Smirnov)與A-D(Anderson-Darling)方法進(jìn)行檢驗。結(jié)果見表2，發(fā)現(xiàn)Wakeby無論是在K-S檢驗還是A-D檢驗中都是排名第一，是最優(yōu)的擬合函數(shù)。通過Wakeby的擬合計算得到不同重現(xiàn)期下對應(yīng)雨量見表3。

表2 不同函數(shù)的檢驗結(jié)果

參考《廈門市暴雨公式》中1 440 min歷時暴雨的設(shè)計雨型，得到不同重現(xiàn)期下的間隔為一個小時的雨量分配圖，如圖4所示，選擇雨型中最強(qiáng)小時降水量(16時降水量)以及前11 h (4時~15時降水量)的前期降水量作為完整的暴雨過程。

3.2 積水深度模擬

由于城市內(nèi)澇模型的模擬結(jié)果提供的是不同節(jié)點(diǎn)的徑流量、徑流速度、積水量等，并不能直觀的顯示不同區(qū)域的積澇情況，于是采用了水量動態(tài)分配的算法[18]，利用DEM高程數(shù)值對積水進(jìn)行擴(kuò)散，得到不同重現(xiàn)期下分辨率為30 m的積水深度圖像，如圖5所示，可以明顯的觀察到廈門島積水情況嚴(yán)重的區(qū)域，如南部的廈門大學(xué)，東部的會展中心，西南部的中山醫(yī)院附近等。

圖4 不同重現(xiàn)期下的雨量分配圖

表3 不同重現(xiàn)期對應(yīng)的日降水量

序號PT日降雨量(mm) 10.998500a411.35 20.990100a307.60 30.98050a268.96 40.95020a222.75 50.90010a190.98 60.5002a115.50

圖5 不同重現(xiàn)期下的積水深度圖

4 風(fēng)險評價分析

4.1 評價模型構(gòu)建

本文從危險性、敏感性、易損性等3個方面分別選取相應(yīng)的評價指標(biāo)，利用層次分析法確定了權(quán)重，構(gòu)建了廈門島的城市積澇風(fēng)險評價模型，得到不同重現(xiàn)期的雨量下的積澇災(zāi)害的風(fēng)險等級。

4.1.1 評價指標(biāo)確定

致災(zāi)因子的危險性是由不同重現(xiàn)期的雨量模擬出的積水深度進(jìn)行確定，孕災(zāi)環(huán)境的敏感性包括河網(wǎng)影響度、敏感點(diǎn)密度、植被覆蓋度等3個因素，承災(zāi)體的易損性是由人口密度、人均GDP組成。

由于河網(wǎng)水系作為城市積水的排水渠道可以緩解城市的積澇壓力。利用廈門島的矢量河網(wǎng)數(shù)據(jù)做緩沖區(qū)分析，根據(jù)周邊區(qū)域與河網(wǎng)的距離對其緩沖區(qū)做0~1的賦值處理，得到河網(wǎng)影響度。

醫(yī)院、學(xué)校、倉庫、地下停車場、公交站、商場等地均易在積澇災(zāi)害時發(fā)生較為嚴(yán)重的災(zāi)害影響或者發(fā)生二次災(zāi)害，所以需將其列為敏感點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)密度分析，利用模糊隸屬進(jìn)行歸一化處理。

植被覆蓋度是植被垂直投影面積占單位面積的百分比，是地表植被覆蓋程度的表示方法，該指數(shù)不同的數(shù)值可以從側(cè)面反映出不同的地物類型，間接代表了不同的抗洪能力，因此將植被覆蓋度作為敏感性因子參與分析。

最后確定了相關(guān)影響因子如圖6所示。

(a) 河網(wǎng)影響度(b) 敏感點(diǎn)密度(c) 植被覆蓋度

4.1.2 權(quán)重的確定

層次化分析法(analytic hierarchy process, AHP)是根據(jù)經(jīng)驗構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，求出特征向量得到通過一致性檢驗的權(quán)重，是結(jié)合了定性與定量的決策分析方法，原理較為簡單，且在地學(xué)上有著廣泛的應(yīng)用[19]。本文利用層次分析法得到各個評價因子的權(quán)重見表4。

4.2 風(fēng)險等級劃分

廈門島城市內(nèi)澇風(fēng)險評價模型構(gòu)建如下

111223341526(3)

其中，為風(fēng)險指數(shù)；1，1，2，3，1，2分別為積水深度、河網(wǎng)影響度、敏感點(diǎn)密度、植被覆蓋度、人口密度、人均GDP等評價因子，且每個因子都運(yùn)用模糊隸屬進(jìn)行了無綱量的歸一化處理，皆為分辨率為30 M的柵格圖像；1，2，3，4，5，6為各個評價因子的權(quán)重。

表4 風(fēng)險評價的因子與權(quán)重

計算得到的閾值為0.03~0.75，分值越高風(fēng)險等級越高。利用Natural Breaks (Jenks)對重現(xiàn)期為20年的風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行分類，見表5，并應(yīng)用于所有重現(xiàn)期的風(fēng)險指數(shù)，得到不同重現(xiàn)期下的廈門島城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險圖，如圖7所示。

表5 風(fēng)險等級劃分指標(biāo)

風(fēng)險指數(shù)分值風(fēng)險等級 ＜0.131 0.13~0.192 0.19~0.253 0.25~0.334 ＞0.335

圖7 不同重現(xiàn)期下的風(fēng)險等級劃分圖

由圖7可知，隨著重現(xiàn)期的增加，高風(fēng)險等級區(qū)域面積逐漸增加，如蓮前街道風(fēng)險等級由沿海向內(nèi)陸延伸，湖里街道西部區(qū)域顏色逐漸加深擴(kuò)張，鷺江街道與中華街道連接部分風(fēng)險等級較高、梧村街道風(fēng)險指數(shù)逐漸增加，夏港街道在重現(xiàn)期大于50年之后開始出現(xiàn)高風(fēng)險數(shù)值，濱海街道的廈門大學(xué)區(qū)域一直顯示高風(fēng)險等級指數(shù)，蓮前街道東部會場中心附近也有較高的風(fēng)險指數(shù)。部分低風(fēng)險等級區(qū)域沒有變動，如蓮前街道西半部和濱海街道部分區(qū)域、金山街道西南部、金山街道和禾山街道沿海部分區(qū)域等是因為屬于山地區(qū)域與水系附近，建筑密度較小，風(fēng)險災(zāi)害指數(shù)較低。而金山街道北半部分則出現(xiàn)了隨著重現(xiàn)期增加風(fēng)險等級降低的情況，通過對比分析積水深度、DEM數(shù)據(jù)以及管網(wǎng)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，由于金山街道北部區(qū)域的高程數(shù)據(jù)并不是逐漸降低而是出現(xiàn)了降低之后又增加的情況，形成了狹長的低洼區(qū)域，易形成積水，隨著重現(xiàn)期增加積水深度增加滿足了管網(wǎng)高程數(shù)值，有效的排水降低了積澇風(fēng)險數(shù)值。

5 結(jié)束語

(1) 在建立了廈門島城市內(nèi)澇模型的基礎(chǔ)上演算出兩年一遇、十年一遇、二十年一遇、五十年一遇、百年一遇以及五百年一遇等多個重現(xiàn)期的積水深度，融合了危險性、敏感性、易損性，建立了廈門島的風(fēng)險災(zāi)害評價模型，計算得到多個重現(xiàn)期對應(yīng)雨量下的評價單元為30 m×30 m的積澇災(zāi)害風(fēng)險等級圖。

(2) 在應(yīng)用SWMM模型對廈門島排水模型進(jìn)行建模的過程中，由于對地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的獲取困難，概化實(shí)際排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的過程包含較多人為因素，一定程度上會對模型精度產(chǎn)生影響。

(3) 本文提取廈門島50多年日雨量的AM序列，利用對數(shù)正態(tài)分布等6種函數(shù)進(jìn)行重現(xiàn)期的計算，對廈門島的雨量檢測預(yù)警具有一定的參考意義。

(4) 利用DEM高程數(shù)值對積水進(jìn)行擴(kuò)散獲取城市內(nèi)澇積水深度的方法可以避免主觀因素干擾，提高了暴雨積水?dāng)?shù)值模擬的準(zhǔn)確度。

(5) 對比遙感圖像以及廈門島相關(guān)積澇災(zāi)害新聞發(fā)現(xiàn)該評價體系的演算結(jié)果契合土地利用類型，與真實(shí)積澇災(zāi)害的發(fā)生情況較為吻合，有良好的預(yù)警效果，可以為城市規(guī)劃建設(shè)以及內(nèi)澇災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工作提供決策依據(jù)。

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Risk Assessment and Mapping of Waterlogging Disasters in Xiamen Island

XUE Feng-chang1,2, ZHANG Yan-ran1,2, TIAN Juan1,2, ZHAO Bi1,2, ZHU Yi-han2,3

(1. School of Remote Sensing & Geomatics Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing Jiangsu 210044, China; 2. Key Laboratoty of Meteorological Disaster, Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing Jiangsu 210044, China; 3. School of Geographical Sciences, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing Jiangsu 210044, China)

The risk assessment map for urban waterlogging is the basic technical data for disaster prevention and mitigation in urban areas. Using basic geographic data as urban pipe networks, after watershed division and pipe network generalization and parameter rate, Xiamen waterlogging model was established. The depth of surface gathered water in Xiamen Island under the rainfall of different return period was also simulated and was viewed as hazard assessment factor in risk assessment of waterlogging disasters. Furthermore, the river network influence, sensitive point density and vegetation coverage constitute the sensitivity factors of hazard inducing environment; and population density and per capita GDP compose the vulnerability assessment factors of disaster body. Based on such factors, the risk assessment model for the waterlogging disaster of Xiamen Island is established,and waterlogging disaster risk level evaluation map at different return periods is generated. The results show that: With the increase of the return period, the area of high-risk index is gradually increasing, mainly showing the trend of expansion from coastal to island. Some areas exhibit stable low-risk characteristics due to the influence of the underlying surface such as the mountain and water system.

urban waterlogging; SWMM; return period; risk assessment

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020321

A

2095-302X(2019)02-0321-07

2018-09-04；

2018-10-17

江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20151458)；江蘇省博士后科研基金項目(1101024B)；中國氣象局北京城市氣象研究城市氣象科學(xué)研究基金項目(IUMKY&UMRF201103)；江蘇省研究生科創(chuàng)新計劃項目(KYCX18-1034)

薛豐昌(1970-)，男，內(nèi)蒙古呼盟人，副教授，博士。主要研究方向為GIS氣象應(yīng)用、氣象災(zāi)害數(shù)值模擬。E-mail：xfc9800@126.com