濟(jì)南市主城區(qū)內(nèi)澇積水特征及成因分析

姜芊孜，李金煜，王廣興

(山東建筑大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

快速城鎮(zhèn)化背景下城市用地的擴(kuò)張導(dǎo)致不透水地表增加，自然水循環(huán)過(guò)程被破壞，城市內(nèi)澇頻發(fā)[1]。據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部調(diào)查顯示，2008年至2010年，中國(guó)351個(gè)被調(diào)查城市中有62%發(fā)生了城市洪災(zāi)，每年有137個(gè)城市發(fā)生三次以上嚴(yán)重洪災(zāi)，引發(fā)了交通癱瘓、財(cái)產(chǎn)損失、水污染等一系列城市問(wèn)題。城市內(nèi)澇成因的研究方法大致分為四類：①結(jié)合氣象資料、市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)、城市自然特征與內(nèi)澇信息對(duì)內(nèi)澇成因進(jìn)行總結(jié)歸納。如王偉武等[2]從城市氣候、規(guī)劃、建設(shè)與管理等視角揭示了內(nèi)澇成因并提出防治對(duì)策。宋曉猛等[3]利用水文氣象資料與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)從水循環(huán)角度揭示了北京城市內(nèi)澇形成的原因。②應(yīng)用相關(guān)分析方法構(gòu)建實(shí)際變量與城市內(nèi)澇之間的函數(shù)關(guān)系以推斷致澇因素。如吳健生[4]、孫喆[5]等利用相關(guān)分析法探討了景觀格局、土地利用類型對(duì)城市內(nèi)澇的影響。③運(yùn)用水力學(xué)模型模擬不同降雨情景下的城市內(nèi)澇情況識(shí)別內(nèi)澇成因。如劉小梅[6]等利用城市排水管網(wǎng)模擬系統(tǒng)在流域尺度下對(duì)昆明市內(nèi)澇成因展開研究，通過(guò)設(shè)置不同降雨重現(xiàn)期分析研究區(qū)內(nèi)的徑流量并檢驗(yàn)排水管網(wǎng)、行洪通道的運(yùn)行狀況。聶俊昆[7]以城市河網(wǎng)密集區(qū)域?yàn)槔?，通過(guò)構(gòu)建Mike系列耦合模型模擬了雨水管網(wǎng)與河道對(duì)城市內(nèi)澇的影響。④從內(nèi)澇點(diǎn)屬性與分布特征入手研究城市內(nèi)澇成因。如趙晶[8]等借助GIS空間統(tǒng)計(jì)工具通過(guò)分析北京市內(nèi)澇點(diǎn)空間分布規(guī)律研究了北京市城區(qū)擴(kuò)張對(duì)內(nèi)澇的影響。其中，城市水力學(xué)模型在內(nèi)澇成因研究、內(nèi)澇預(yù)測(cè)等方面應(yīng)用較為廣泛，但往往受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料、研究尺度、模型精度等問(wèn)題的影響導(dǎo)致模擬結(jié)果有所偏差。相比之下，相關(guān)分析可較為客觀準(zhǔn)確地反映變量之間的關(guān)系，排除干擾因素的影響，但相關(guān)研究較少。已有城市內(nèi)澇研究多集中在北京、上海、深圳等地，以濟(jì)南為例的研究文獻(xiàn)較少。本文以濟(jì)南市實(shí)際內(nèi)澇積水點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究積水點(diǎn)在主城區(qū)內(nèi)的空間分布規(guī)律并分析內(nèi)澇影響因素，利用相關(guān)分析方法進(jìn)一步確定致澇因素，并提出相應(yīng)的內(nèi)澇緩解對(duì)策。

1 研究區(qū)域概況

濟(jì)南市南依泰山余脈，多丘陵山地，中部平坦，北臨黃河，地勢(shì)自南向北逐漸降低。受溫帶季風(fēng)氣候的影響，濟(jì)南市降雨呈現(xiàn)時(shí)空差異。時(shí)間上，夏季7、8月份降雨量較大，占全年降雨量的53%；空間上，南部山區(qū)多分布暴雨及特大暴雨，北部平原地區(qū)多分布短歷時(shí)、高強(qiáng)度暴雨。獨(dú)特的地理位置與氣候條件為濟(jì)南帶來(lái)一定程度的城市內(nèi)澇威脅[9]。2007年7月18日，濟(jì)南經(jīng)歷特大暴雨，造成房屋倒塌，市區(qū)交通癱瘓，造成34人死亡，4人失蹤，171人受傷[10]。根據(jù)濟(jì)南市城市總體規(guī)劃(2011—2020)所劃定的中心城范圍，以黃河、玉符河、濟(jì)南繞城高速為邊界確定了主城區(qū)研究范圍。區(qū)域總面積約為594.66km2，平均坡度約為5.67°，海拔范圍為5～525m，土地類型有耕地、林地、草地、灌木林地、濕地、水域及水利設(shè)施用地、建設(shè)用地、未利用土地等，類型比率見表1。

表1 研究區(qū)域內(nèi)土地利用類型比率

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

濟(jì)南市內(nèi)澇空間分布特征利用地理信息系統(tǒng)(ARCGIS)中緩沖區(qū)分析，結(jié)合主城區(qū)DEM柵格數(shù)據(jù)與水系、鐵路、城市綠地等矢量數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)的緩沖范圍，統(tǒng)計(jì)落在緩沖區(qū)范圍內(nèi)的城市內(nèi)澇點(diǎn)個(gè)數(shù)。內(nèi)澇成因分析以匯水區(qū)為基本單位展開。利用ARCSWAT將研究區(qū)域劃分為254個(gè)匯水區(qū)，選取含有內(nèi)澇點(diǎn)的40個(gè)匯水區(qū)作為基本研究單元。由于城市內(nèi)澇受地形、土地利用現(xiàn)狀、雨水管網(wǎng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)多等種因素的復(fù)合影響[11- 14]，本文將流域河網(wǎng)密度、雨水管網(wǎng)密度、各用地類型(耕地、林地、草地、荒地)比率，不透水表面比率、平均坡度作為自變量；將流域內(nèi)澇程度(內(nèi)澇點(diǎn)密度=流域內(nèi)澇點(diǎn)個(gè)數(shù)/流域面積，單位：個(gè)/km2)作為因變量探求導(dǎo)致城市內(nèi)澇的關(guān)鍵因素。利用SPSS 25.0對(duì)上述變量進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)據(jù)參考2018年濟(jì)南市交警公布的99個(gè)濟(jì)南城市內(nèi)澇點(diǎn)，利用ARCGIS軟件將其數(shù)字化得到內(nèi)澇點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)，選取位于研究區(qū)域內(nèi)內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量共71個(gè)。2018年6—7月對(duì)主城區(qū)內(nèi)的71個(gè)內(nèi)澇點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，獲得積水時(shí)長(zhǎng)和積水深度數(shù)據(jù)。不透水表面數(shù)據(jù)來(lái)源于清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系發(fā)布的FROM-GLC(Finer Resolution Observation and Monitoring of Global Land Cover)數(shù)據(jù)庫(kù)，分辨率為30m；研究區(qū)域雨水管網(wǎng)分布圖來(lái)源于濟(jì)南市雨水管道規(guī)劃總圖；濟(jì)南市DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云，分辨率為30m；濟(jì)南市水系分布數(shù)據(jù)通過(guò)OPEN STREET MAP獲取。濟(jì)南市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來(lái)自于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，分辨率為30m。

3 研究結(jié)果

3.1 內(nèi)澇積水時(shí)長(zhǎng)與深度

經(jīng)過(guò)2018年6—7月內(nèi)澇點(diǎn)實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)39%的內(nèi)澇積水點(diǎn)積水情況有所緩解，這與近年來(lái)濟(jì)南市政府推進(jìn)的積水點(diǎn)改造施工密切相關(guān)。56%的內(nèi)澇積水點(diǎn)積水時(shí)間在0.5d以下，積水時(shí)長(zhǎng)1d以上的內(nèi)澇點(diǎn)約占3%。有47%的積水點(diǎn)積水深度在500mm以下。極端情況如積水在1500mm以上的地點(diǎn)，大都位于橋區(qū)，約占3%。

3.2 內(nèi)澇積水點(diǎn)空間分布特征及分析

從內(nèi)澇點(diǎn)的海拔分布特征來(lái)看，海拔50m以下的內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量最多，約占總體數(shù)量的70.4%；其次是位于50～75m、75～100m海拔范圍內(nèi)的內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量各占比分別為16.9%、9.9%；海拔100m以上的內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量最少，僅占總體的2.8%。從內(nèi)澇點(diǎn)與鐵路的空間關(guān)系來(lái)看，有31個(gè)內(nèi)澇點(diǎn)位于鐵路緩沖區(qū)200m范圍內(nèi)，約占總體內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量的43.7%。其中距鐵路50m范圍內(nèi)內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量較多，占鐵路周邊積水點(diǎn)數(shù)量的74.2%；距鐵路50～100m、100～200m范圍內(nèi)內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量較少，各占鐵路周邊積水點(diǎn)數(shù)量的9.7%、16.1%。從內(nèi)澇點(diǎn)與水系的空間關(guān)系來(lái)看，有18個(gè)內(nèi)澇點(diǎn)位于距離水系200m范圍內(nèi)，約占總體內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量的25.3%。其中位于0～50m與100～200m范圍內(nèi)內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量最多，各占水系周邊積水點(diǎn)數(shù)量的44.4%；位于50～100m范圍內(nèi)內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量最少，占水系周邊積水點(diǎn)數(shù)量的11.2%。從內(nèi)澇點(diǎn)與綠地的空間關(guān)系來(lái)看，有48個(gè)內(nèi)澇點(diǎn)位于距離綠地200m范圍內(nèi)，約占總體內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量的67.6%。位于0～50m距離范圍內(nèi)內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量最多，約占58.3%；位于100～200m距離范圍內(nèi)內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量約占29.2%；位于50～100m距離范圍內(nèi)內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量約占12.5%。

綜合以上內(nèi)澇點(diǎn)空間分布特征規(guī)律，地形、鐵路交通對(duì)濟(jì)南市內(nèi)澇點(diǎn)的分布具有重要影響。濟(jì)南位于山前平原帶，地勢(shì)南高北低，北部黃河為“地上懸河”，防洪堤壩高出市區(qū)約20m[15]，使?jié)铣蕼\盆狀地形，暴雨來(lái)臨時(shí)北部市區(qū)低洼處極易匯聚洪水。濟(jì)南主城區(qū)內(nèi)分布有大量過(guò)境鐵路線與立交橋，鐵路橋、高架橋的布設(shè)在垂直方向上增加了不透水面積，來(lái)自上層道路的地表徑流通過(guò)垂直管道直接流向下層道路，地表徑流匯集速度增加的同時(shí)輸送距離被極大縮短[16]。其次，立交橋地區(qū)往往位于主城區(qū)低洼位置，地面高程比周圍低2～3m[17]。橋下道路可在短時(shí)間內(nèi)匯集來(lái)自地表周圍與高架橋上方的大量徑流，瞬時(shí)水量的增加超出現(xiàn)有立交橋的排水能力范圍，增加了內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生概率。就河流水系而言，隨著城區(qū)范圍擴(kuò)大，原城區(qū)外部排水系統(tǒng)被納入城內(nèi)，增加了城市內(nèi)澇隱患。生活污水的排放與河道裁彎取直、河道渠化等減弱了河流的雨洪調(diào)蓄能力，降低了河槽蓄水量。因此當(dāng)遭遇特大暴雨時(shí)，南部山區(qū)流速較高的洪水進(jìn)入市區(qū)，河道過(guò)水能力不足極易造成洪水漫流。小清河作為唯一外排河道未到達(dá)百年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法及時(shí)疏導(dǎo)洪水容易發(fā)生倒灌，增加了主城區(qū)排泄洪澇的困難。城區(qū)綠地周圍分布有較多內(nèi)澇點(diǎn)，說(shuō)明目前城市綠地未起到相應(yīng)蓄滯雨水的作用。城市綠地建設(shè)初期只強(qiáng)調(diào)景觀效果未結(jié)合排澇規(guī)劃要求，雨水徑流無(wú)法通過(guò)合理路徑排入城市綠地。主城區(qū)綠地率及海綿化改造比列不高，亦會(huì)影響雨水徑流的削減效果。

表2 各匯水區(qū)自變量、因變量統(tǒng)計(jì)

3.3 內(nèi)澇影響因素分析

各匯水區(qū)自變量、因變量統(tǒng)計(jì)見表2。子匯水區(qū)內(nèi)澇頻次最大為5.33，最小為0.08，平均值為0.55。平均坡度為5.06°，不透水表面平均比率約為88.46%，雨水管網(wǎng)平均密度約為0.96，平均綠地率為16.89%。

通過(guò)檢驗(yàn)各致澇因子的顯著性水平發(fā)現(xiàn)，無(wú)法構(gòu)建自變量與因變量之間的線性回歸方程，因此利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將40個(gè)流域按照內(nèi)澇程度分為兩類，剔除高內(nèi)澇程度流域后，對(duì)39個(gè)低內(nèi)澇程度匯水區(qū)進(jìn)行空間自相關(guān)分析。如圖1所示。根據(jù)空間自相關(guān)報(bào)表，Moran’s I 指數(shù)為0.36，z得分為5.06，P值為0.00，表明內(nèi)澇流域空間聚類分布模式較為顯著。并且進(jìn)一步借助局部自相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)大明湖周圍有5個(gè)流域呈現(xiàn)HH 聚集模式分布，有1個(gè)流域呈現(xiàn)LH離散特性。由此推斷某些致澇因素的存在使內(nèi)澇流域呈現(xiàn)特殊的地理分布，可借助線性相關(guān)分析方法進(jìn)一步明確相關(guān)致澇因素對(duì)城市內(nèi)澇的影響。

圖1 空間自相關(guān)報(bào)表

根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果(表3)與回歸模擬結(jié)果(圖2)，在置信度α=0.01的前提下，雨水管網(wǎng)的密度、不透水表面比率與匯水區(qū)內(nèi)澇程度呈正線性相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.253、0.180)，相關(guān)系數(shù)分別為0.274、1.006。這一結(jié)果反映了不透水地表與雨水管網(wǎng)對(duì)城市水循環(huán)過(guò)程均造成了負(fù)面影響。隨著城市化進(jìn)程的加快，不透水地表覆蓋面積顯著上升，阻礙了土壤對(duì)雨水的自然吸收過(guò)程。光滑的不透水地表成為雨水徑流的低阻力通道，導(dǎo)致雨水匯流速度加快，洪峰出現(xiàn)時(shí)間提前，增加了所在流域內(nèi)的徑流量，是城市內(nèi)澇產(chǎn)生的重要原因。雨水管網(wǎng)密度與內(nèi)澇頻次的正相關(guān)性說(shuō)明目前主城區(qū)現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)設(shè)施沒(méi)有充分發(fā)揮排澇功能。造成這一問(wèn)題的原因可能有：雨水管網(wǎng)的布設(shè)缺乏系統(tǒng)合理性，市內(nèi)雨污管網(wǎng)混接較為嚴(yán)重、雨水管網(wǎng)亂接錯(cuò)接、大管接小管等不合理措施消減了雨水管網(wǎng)的排放能力；過(guò)于重視局部排水的建設(shè)影響整體雨水管網(wǎng)的排水效率；現(xiàn)有雨量、雨水管徑的計(jì)算方法待更新；部分管網(wǎng)存在損壞、老舊、淤積情況，市政部門缺乏對(duì)管網(wǎng)管理維護(hù)工作等[18]。

圖2 低內(nèi)澇程度流域回歸模擬結(jié)果

表3 低程度匯水區(qū)內(nèi)澇程度與影響因子的相關(guān)分析結(jié)果

在α=0.05前提下，耕地面積比率、城市綠地率與流域內(nèi)澇程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.150、0.146)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.838、-1.053。草地、灌木林地、林地面積比率與流域內(nèi)澇程度呈負(fù)指數(shù)相關(guān)趨勢(shì)。表明耕地、草地、灌木林地、林地與城市綠地率的提升對(duì)城市內(nèi)澇具有緩解作用。地上作物與植被可通過(guò)三個(gè)方面削減雨水徑流量。首先，葉片及林冠枝干具有截留作用，可將雨水吸附于表面并通過(guò)植物蒸騰作用返回大氣；其次，植物根系通過(guò)疏松土壤增加雨水的下滲量；植物枯枝落葉能夠增加地表粗糙度起到延緩匯流時(shí)間與分散徑流的作用。

4 對(duì)策與建議

濟(jì)南城市內(nèi)澇治理可從城市規(guī)劃、市政工程建設(shè)以及城市管理等多方面展開[19]。在規(guī)劃層面，城市內(nèi)澇的治理亟需系統(tǒng)性思維和多尺度規(guī)劃設(shè)計(jì)策略。宏觀尺度下，應(yīng)進(jìn)行水生態(tài)安全格局分析，構(gòu)建水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，避免低洼處城市建設(shè)，加大力度保護(hù)泉水涵養(yǎng)區(qū)和地下水回補(bǔ)區(qū)。中觀尺度下，應(yīng)保留和保護(hù)河流、湖泊等水體，增大緩沖區(qū)范圍。保護(hù)耕地、林地、城市綠地等，維護(hù)水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的完整性。微觀尺度下，應(yīng)充分利用低影響開發(fā)措施如下凹式綠地、植草溝、雨水花園等對(duì)社區(qū)、公園、廣場(chǎng)、道路等進(jìn)行局部改造，提升已建成綠地的雨洪調(diào)蓄能力，解決局部?jī)?nèi)澇積水問(wèn)題[20- 21]。在老城區(qū)進(jìn)行局部海綿化改造，在新城區(qū)可直接結(jié)合綠地系統(tǒng)規(guī)劃，對(duì)雨水的收集、蓄存、凈化等設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)。

在市政工程建設(shè)方面，及時(shí)疏浚城市河道，針對(duì)老城區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)進(jìn)行提升改造。結(jié)合城市規(guī)劃提高排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)完善雨污分流建設(shè)工作。處理好城市排水系統(tǒng)與低影響開發(fā)源頭控制技術(shù)之間的合理銜接，強(qiáng)調(diào)“蓄”“排”結(jié)合[22]。結(jié)合抵御山洪與地下水回補(bǔ)的要求，在南部山區(qū)建設(shè)相關(guān)攔排工程減緩山洪影響，促進(jìn)地下水回補(bǔ)[23]。在立交橋低洼處提升雨水泵站的抽排能力，多應(yīng)用蓋板溝以提高排洪能力。

在城市管理方面，應(yīng)建立城市內(nèi)澇災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)并結(jié)合濟(jì)南市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)，精確預(yù)測(cè)不同降雨強(qiáng)度下洪澇的發(fā)生地點(diǎn)、規(guī)模強(qiáng)度以及影響范圍。完善內(nèi)澇與山洪的應(yīng)急管理機(jī)制與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。明確城建、規(guī)劃、水利等各部門職責(zé)，協(xié)調(diào)多部門分工，確保內(nèi)澇治理工作高效推進(jìn)[24]。統(tǒng)籌山洪與內(nèi)澇的治理工作，確保兩項(xiàng)工作有序銜接避免重復(fù)建設(shè)造成資源浪費(fèi)。加強(qiáng)公眾參與，強(qiáng)化公眾監(jiān)督作用。借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、社交媒體等多方途徑匯總?cè)罕妼?duì)城市內(nèi)澇治理的意見，加強(qiáng)對(duì)海綿城市、內(nèi)澇防治等工作的宣傳[25]。

5 結(jié)語(yǔ)

濟(jì)南主城區(qū)約70.4%的內(nèi)澇點(diǎn)位于海拔50m以下，主城區(qū)北部鐵路橋沿線內(nèi)澇點(diǎn)分布較為集中。水系、城市綠地周邊200m范圍內(nèi)內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)量占比為25.3%、67.6%。反映出水系、城市綠地的雨洪水調(diào)蓄能力有待提升。土地利用和基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)城市內(nèi)澇具有不同的影響。雨水管網(wǎng)密度、不透水表面比率與流域內(nèi)澇程度呈線性正相關(guān)關(guān)系。耕地率、城市綠地率與流域內(nèi)澇程度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。城市地形、河網(wǎng)密度與內(nèi)澇程度的相關(guān)性不顯著。主要原因可能有：①大多數(shù)內(nèi)澇點(diǎn)集中在海拔50m范圍以下，海拔差異不明顯。②將內(nèi)澇街道、內(nèi)澇區(qū)域等線狀、面狀數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為點(diǎn)狀數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)造成內(nèi)澇點(diǎn)分布不均的情況。③建筑物、道路、雨水管網(wǎng)等因素會(huì)對(duì)匯水區(qū)的劃分產(chǎn)生一定影響[26]。今后可嘗試?yán)蒙缃幻襟w大數(shù)據(jù)獲取更為詳細(xì)的內(nèi)澇點(diǎn)地理空間數(shù)據(jù)，對(duì)匯水區(qū)進(jìn)行更為精準(zhǔn)的劃分，就城市地形、河網(wǎng)密度等因素做進(jìn)一步分析。