基于SCS-CN與GIS耦合模型的閩三角城市群承災(zāi)空間淹沒風(fēng)險(xiǎn)研究*

丁鍶湲, 王 寧,2, 倪麗麗, 曾 堅(jiān)

(1.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072；2.廈門市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福建 廈門 361012；3.河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 天津 300401)

我國濱海城市產(chǎn)業(yè)集中、人口眾多，其獨(dú)特的地理和資源優(yōu)勢帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展[1]，空間上呈現(xiàn)出人口與建筑的高密度聚集現(xiàn)象。在全球氣候變化的大環(huán)境下，受海洋性氣候影響的濱海城市更容易遭遇強(qiáng)暴雨事件，對高速發(fā)展的城市造成了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年全國自然災(zāi)害以洪澇為主，平均降水量比常年偏多11.2%，直接經(jīng)濟(jì)損失較近5 a上升59%。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)向可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)型，對生態(tài)環(huán)境與城市安全問題越發(fā)重視[3-4]。因此，如何有效緩解濱海城市的內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)成為備受關(guān)注的重要議題。

防控內(nèi)澇災(zāi)害的關(guān)鍵是研究災(zāi)害的形成原因。系統(tǒng)環(huán)境的脆弱導(dǎo)致內(nèi)澇災(zāi)害的頻發(fā)，其主要成因歸結(jié)于三個(gè)方面：①硬質(zhì)鋪裝的增加改變了原有土壤自身的產(chǎn)匯流能力。②城市排水系統(tǒng)無承受短時(shí)暴雨的洪峰流量[5]。③城市建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張，往往會(huì)導(dǎo)致調(diào)蓄洪用地的減少。最根本的解決途徑是根據(jù)地表高程來確定雨水匯流形成的內(nèi)澇范圍[6]，從而有針對性的采取各類有效防控措施降低災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。由于濱海地區(qū)地形復(fù)雜，通常采用SCS-CN(土水保持曲線)模型來計(jì)算降雨后的地表徑流量[7]，該模型根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的概化運(yùn)算，適用于不同地形環(huán)境且結(jié)果與實(shí)際較一致[8]。另外需綜合考慮基礎(chǔ)設(shè)施以及調(diào)蓄設(shè)施的承載能力[9]，做出合理的布局與有效的防澇設(shè)計(jì)。

目前國內(nèi)的外學(xué)者根據(jù)災(zāi)害的發(fā)生過程，已在內(nèi)澇致災(zāi)因子的波動(dòng)規(guī)律、受災(zāi)環(huán)境(泛指城市與自然環(huán)境)的空間預(yù)警響應(yīng)、工程防范措施等方面取得一定的研究成果[10-11]。關(guān)于內(nèi)澇研究國際上常見的模型有一維的SWAT、HEC-HMS模型，其二者均是基于SCS-CN水文模型來計(jì)算的[12-13]，較好的反應(yīng)產(chǎn)流的關(guān)鍵特征。隨著算法的改進(jìn)和增加了計(jì)算維度，如Mike21、FloodmMap等多維模型得以應(yīng)用[14]，近些年還出現(xiàn)了借助于地理信息系統(tǒng)的內(nèi)澇空間可視化分析研究。我國學(xué)者對內(nèi)澇防控的相關(guān)研究主要圍繞內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[15]、市政管網(wǎng)及設(shè)施規(guī)劃[2]、多源數(shù)據(jù)建模[16]等方面展開。車伍[17]等指出內(nèi)澇的產(chǎn)生與環(huán)境存在密切聯(lián)系，尤其應(yīng)注重源頭雨水的產(chǎn)生與調(diào)蓄[18]。俞孔堅(jiān)[19]將內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)等級與淹沒區(qū)范圍作為綜合水安全格局的組成部分，同時(shí)也是生態(tài)安全格局構(gòu)建的支撐要素[20]。國家自然資源部也在2018年確定了多規(guī)融合下的國土空間規(guī)劃體系，其中特別增加了對于資源環(huán)境的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[21]。我國內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的研究方向較多，筆者認(rèn)為當(dāng)前應(yīng)結(jié)合實(shí)際自然環(huán)境，在一維內(nèi)澇模型的可靠性基礎(chǔ)上，向多維度的內(nèi)澇模型延展。同時(shí)結(jié)合王勁峰建立提出的地理探測器模型[22]，分析淹沒風(fēng)險(xiǎn)與社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)特性，以便于評價(jià)結(jié)果與國土空間規(guī)劃等導(dǎo)向性規(guī)劃有效銜接。

綜上，本文創(chuàng)新SCS-CN水文模型與地理空間系統(tǒng)(GIS)的耦合技術(shù)，計(jì)算出不同暴雨重現(xiàn)期下產(chǎn)流形成的淹沒范圍，評價(jià)閩三角城市群淹沒區(qū)風(fēng)險(xiǎn)程度。并結(jié)合地理探測器對社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)的多因子進(jìn)行淹沒風(fēng)險(xiǎn)空間識別，劃分防控分區(qū)，為閩三角城鎮(zhèn)群的生態(tài)安全保障與可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)收集

1.1 研究區(qū)概況

閩三角城市群是廈門、泉州和漳州三市及所轄縣區(qū)的統(tǒng)稱(圖1)，在該區(qū)域內(nèi)的金門位于海上，且相對地理位置較遠(yuǎn)，因此本研究暫不對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。閩三角城市群氣候類型以亞熱帶氣候?yàn)橹?，年雨量較大并呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。根據(jù)《福建省2020年統(tǒng)計(jì)年鑒》[23]數(shù)據(jù)，2019年末閩三角城市群地區(qū)GDP占福建省48.79%。依據(jù)第七次人口普查結(jié)果，閩三角常住人口占福建省總量的45.74%，是福建是主要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口聚集地。然而在海洋性季風(fēng)與熱帶氣團(tuán)的交互下，研究區(qū)呈現(xiàn)歷時(shí)短雨量大的特征，產(chǎn)生的內(nèi)澇災(zāi)害影響了城市的發(fā)展。

圖1 閩三角城市群位置(審圖號：閩S(2021)11號，下同)

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括：①從中科院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)獲得的閩三角城市群高程數(shù)據(jù)(DEM)。②廈門，漳州，泉州三市各氣象站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)，包括瞬時(shí)降雨量和重現(xiàn)期5 a，10 a，50 a一遇降雨量。③閩三角地區(qū)水系分布圖及具體水系流量和水庫儲(chǔ)蓄量。④廈漳泉三市用地建設(shè)現(xiàn)狀情況與土地利用規(guī)劃。⑤廈漳泉三市統(tǒng)計(jì)年鑒，包括GDP、人口容量、城鎮(zhèn)化水平等。

2 SCS與GIS耦合模型構(gòu)建

2.1 SCS-CN與GIS空間耦合模型

本文根據(jù)自然地表的積水過程識別內(nèi)澇災(zāi)害產(chǎn)流源頭的風(fēng)險(xiǎn)。首先通過遙感識別技術(shù)提取選區(qū)水文要素。其次根據(jù)SCS-CN水文公式[24]與土地利用類型計(jì)算不同降雨重現(xiàn)期下的淹沒體積。欲將數(shù)理模型的淹沒區(qū)結(jié)果與空間具體位置相關(guān)聯(lián)，因此選用ArcGIS平臺中的表面體積算法進(jìn)行配比計(jì)算，其作用機(jī)理是在三維的地理空間中運(yùn)算無源淹沒體積，確定淹沒高度并在二維空間上呈現(xiàn)具體位置[25]。分別計(jì)算重現(xiàn)期為5 a、10 a、50 a一遇的三種情景下的廈，漳，泉三市淹沒位置，并按嚴(yán)重程度從高到低對應(yīng)一、二、三類風(fēng)險(xiǎn)等級，集成閩三角區(qū)域的內(nèi)澇災(zāi)害評價(jià)(圖2)。

圖2 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)防控路徑

所得結(jié)果需與當(dāng)?shù)貐^(qū)域調(diào)蓄設(shè)施承載能力校核。在產(chǎn)匯流過程形成積水的同時(shí)，滿足城市調(diào)蓄洪設(shè)施和排水設(shè)施的承載能力及排查次生災(zāi)害的潛在干擾事件。在城市調(diào)蓄洪用地方面應(yīng)關(guān)注是否存在潰壩與雨水外溢現(xiàn)象，即調(diào)蓄洪用地具有承載該區(qū)域產(chǎn)流的能力(存儲(chǔ)淹沒區(qū)體積)，如滿足承載能力則需要對淹沒區(qū)結(jié)果進(jìn)行修正。在排水設(shè)施方面應(yīng)注重城市建成區(qū)內(nèi)的淹沒區(qū)分布，依據(jù)當(dāng)?shù)氐某鞘幸?guī)劃中市政排水設(shè)施分布情況，對內(nèi)澇結(jié)果作出進(jìn)一步的排查與防控。

2.2 水系提取與匯水區(qū)劃分

運(yùn)用GIS對填挖后的DEM數(shù)據(jù)做出水文流量和流向運(yùn)算，利用改進(jìn)的水體指數(shù)法(MNDWI)對特征波段間的差值計(jì)算，從而更精準(zhǔn)的獲得水體斑塊。

(1)

式中：Green為綠光波段，MIR為中紅外波段，MNDWI水體指數(shù)閾值為[0,1]。

經(jīng)過反復(fù)的人工解譯對數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，計(jì)算閩三角水體的流向與水文信息并劃定匯水分區(qū)(圖3)，為了確保計(jì)算的精度，將研究區(qū)匯水分區(qū)劃分為87塊。(廈門市25塊，漳州市32塊，泉州市30塊)，根據(jù)各匯水分區(qū)的地類屬性，在下文設(shè)定對應(yīng)的土壤相關(guān)參數(shù)。

圖3 匯水區(qū)劃分

2.3 SCS-CN淹沒體積計(jì)算

研究區(qū)流域資料較為缺乏且地勢復(fù)雜，雨水不宜流出，內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)隱患較大[26]。鑒于此，利用自然地形而非人工排水管網(wǎng)設(shè)施選擇 SCS-CN 模型計(jì)算，其中涉及到土壤相關(guān)參數(shù)CN (Curve Number)，它是暴雨過程初期表現(xiàn)出的地塊綜合特征值，與土地下墊面及土壤情況有關(guān)，本研究CN參數(shù)來自于國際上認(rèn)可且兼容性高的美國工程手冊[27]。

依據(jù)歷年閩三角年降雨量與降雨頻次的統(tǒng)計(jì)，本研究選取閩三角地區(qū)降雨重現(xiàn)期為5 a、10 a、50 a一遇的三種情景?；谒腟CS-CN公式，計(jì)算得到閩三角各匯水分區(qū)三種情景下的徑流量，所得結(jié)果與各匯水面積的乘積即為該區(qū)域無源淹沒體積的理論值。

(2)

式中：Q為地表徑流量(mm)；P為降雨量(mm)；S為最大可能儲(chǔ)水量(mm) ；λ為初損率，無量綱，通常以λ=0.2計(jì)算。

2.4 數(shù)據(jù)歸一化計(jì)算

本文涉及到多種因素的疊加計(jì)算，選用 min-max標(biāo)準(zhǔn)化法對不同因子的單位作出歸一化處理(0≤Xi≤1)，公式如下：

(3)

式中：f(x)為xi的標(biāo)準(zhǔn)化值，xi為要素i的屬性值。

2.5 地理探測器

通過地理探測器分析淹沒風(fēng)險(xiǎn)分布Y的空間分異特性，并探測相關(guān)因子X在Y中的解釋程度。本文變量因子X為廈門市高程、坡度、水網(wǎng)密度、土地利用、人口容量、人口密度、GDP和城鎮(zhèn)化率[28]。其優(yōu)點(diǎn)在于在分析過程中能夠免疫自變量之間的多重共線性。

圖6 內(nèi)澇災(zāi)害高頻發(fā)地區(qū)分布情況

(4)

式中：q為對Y空間分異的解釋程度，t為變量的分類，N為模型的單元數(shù)，σ2是Y值的方差，其中q值區(qū)間為[0,1]。

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)澇淹沒區(qū)全域空間識別

閩三角城市群內(nèi)澇淹沒區(qū)空間上呈現(xiàn)沿河道向入?？谂c海岸線聚集的狀態(tài)，主要集中在九龍江、晉江、西溪入?？谔?，其風(fēng)險(xiǎn)性由海岸向內(nèi)陸逐步遞減，并且河網(wǎng)密度高的匯流口出現(xiàn)部分積水現(xiàn)象。按重現(xiàn)期等級劃分評價(jià)結(jié)果為三類等級，重現(xiàn)期5 a一遇時(shí)為一類風(fēng)險(xiǎn)等級占研究區(qū)的10.2%。重現(xiàn)期10 a一遇時(shí)為二類風(fēng)險(xiǎn)等級占研究區(qū)14.6%。重現(xiàn)期50 a一遇時(shí)為三類風(fēng)險(xiǎn)等級占研究區(qū)27.4%(圖4)。

圖4 內(nèi)澇淹沒區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)圖

各城市的淹沒結(jié)果分別為廈門淹沒面積圖斑為135.67 km2，漳州市淹沒區(qū)的總面積約為304.10 km2，泉州市淹沒區(qū)的總面積約為572.09 km2。廈、漳、泉三市的一類風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占各市總面積分別為84%，78%，62%(圖5)。經(jīng)檢驗(yàn)，本文評價(jià)結(jié)果與廈門市同安區(qū)和集美區(qū)，漳州市龍文區(qū)，泉州市鯉城區(qū)內(nèi)澇易發(fā)地段實(shí)際情況有較高一致性。

圖5 具體的淹沒區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

依據(jù)市政部門提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)篩選出20個(gè)閩三角區(qū)域主要水庫，將評價(jià)結(jié)果與水庫地理位置、承載能力進(jìn)行校對，發(fā)現(xiàn)水庫的當(dāng)年年末需水量均未超過正常水位庫容，在閩三角區(qū)域內(nèi)水庫區(qū)域尚無出現(xiàn)潰壩等積水外溢現(xiàn)象，后根據(jù)承載量對評價(jià)結(jié)果修正。研究表明在整個(gè)區(qū)域內(nèi)主要考慮自然下墊面產(chǎn)生的內(nèi)澇問題，并指出城鄉(xiāng)建設(shè)用地(重點(diǎn)地段)范圍內(nèi)出現(xiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)淹沒區(qū)位置，為空間規(guī)劃與市政管網(wǎng)布局提供參考依據(jù)。

3.2 重點(diǎn)地段內(nèi)澇淹沒區(qū)識別

結(jié)合閩三角城市群土地利用布局情況與高頻發(fā)區(qū)域的空間聯(lián)系，確定20處典型受損空間，具體情況如下：在廈門市中淹沒區(qū)位于本島入?？?，同安區(qū)與集美區(qū)九龍江與西溪交匯口，東溪與汀溪交匯口。漳州集中分布在長泰縣九龍江、陳巷溪與馬洋溪交匯口、漳浦縣龍嶺溪下游及鹿溪、云霄縣漳江入海口處和詔安縣宮口港。中心城區(qū)南溪以建設(shè)區(qū)處于易被淹沒范圍，其中榜山、石碼、海橙三鎮(zhèn)尤為嚴(yán)重。泉州主要分布在晉江流域及其支流(包括中心城區(qū)、南安市區(qū))，永春縣和安溪縣內(nèi)東溪與晉江及其交匯處等。

3.3 淹沒風(fēng)險(xiǎn)與社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性識別

社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境本底情況，城市發(fā)展強(qiáng)度兩類密切相關(guān)[29]?；诘乩硖綔y器對社會(huì)生態(tài)要素展開淹沒區(qū)進(jìn)行空間異質(zhì)性分析(圖7)。在自然環(huán)境層面選擇高程、坡度、自然地形、水網(wǎng)密度、土地類型要素，在城市開發(fā)強(qiáng)度層面選擇GDP、人口容量、人口密度、城鎮(zhèn)化率為核心要素。在探測器的因子分析中，q越大表示對淹沒區(qū)的解釋力越強(qiáng)，以閩三角區(qū)域?yàn)閱挝?，水網(wǎng)密度(0.210)>高程(0.152)>城鎮(zhèn)化率(0.044)>坡度(0.039)>人口容量(0.032)>人口密度(0.026)>土地利用(0.019)>GDP(0.005)，且P均小于0.05(表1)。水網(wǎng)與高程因素對其他要素有明差異性，其中水網(wǎng)分布與高程共同作用下的分布呈現(xiàn)最為明顯的雙因子增強(qiáng)效果(0.29)。特別是在城鄉(xiāng)空間分布中，淹沒區(qū)多位于地勢低洼或地形起伏較大的山體周邊的鄉(xiāng)村地區(qū)，以及水網(wǎng)密度較大的城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶地區(qū)。受到地形與發(fā)展要素制，其承災(zāi)能力不足難以應(yīng)對積水。因此在建設(shè)過程中應(yīng)該注意地形與水網(wǎng)密集地段，提升水網(wǎng)的連通度可有助于積水的排出。

圖7 淹沒區(qū)在社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)要素的空間分布

表1 淹沒風(fēng)險(xiǎn)與社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)多因子空間分異q、p值

將城市開發(fā)強(qiáng)度劃分為高強(qiáng)度和低強(qiáng)度開發(fā)，并與內(nèi)澇淹沒區(qū)的類風(fēng)險(xiǎn)等級相匹配，依據(jù)開發(fā)強(qiáng)度與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警程度劃分為三類，提出有助于城市規(guī)劃與雨洪防控的三角城鎮(zhèn)群內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)防控分區(qū)[30](表2)，即保護(hù)與限制建設(shè)區(qū)、韌性提升或環(huán)境改善區(qū)、適度開發(fā)建設(shè)區(qū)。以此增加國土空間規(guī)劃與各相關(guān)專業(yè)在規(guī)劃與實(shí)施過程中的應(yīng)用參考。

表2 閩三角內(nèi)澇防控分區(qū)

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

暴雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇災(zāi)害是當(dāng)前我國濱海城市頻繁面臨的災(zāi)害，對城市經(jīng)濟(jì)和人民生活產(chǎn)生重大影響。本文分析了暴雨的產(chǎn)流過程，通過耦合SCS-CN與GIS技術(shù)，計(jì)算出不同暴雨重現(xiàn)期下的淹沒范圍，評估閩三角城市群內(nèi)澇淹沒區(qū)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)論如下：

(1)閩三角城市群內(nèi)澇淹沒區(qū)空間上呈現(xiàn)沿河道向入?？谂c海岸線聚集的狀態(tài)，主要集中在九龍江、晉江、西溪入?？谔?，風(fēng)險(xiǎn)等級根據(jù)重現(xiàn)期(5 a，10 a，50 a)分為三類，一類、二類、三類風(fēng)險(xiǎn)等級占閩三角區(qū)域的10.2%、14.6%、27.4%。

(2)閩三角廈、漳、泉三市的淹沒面積分別為135.67 km2、 304.10 km2、572.09 km2。廈、漳、泉三市的一類風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占各市總面積分別為84%，78%，62%。

(3)內(nèi)澇高頻發(fā)地段(一類風(fēng)險(xiǎn)區(qū))主要位于廈門同安區(qū)，集美區(qū)與本島地勢低洼地和入海口；漳州九龍江流域地帶及主城區(qū)、漳浦縣和云霄縣。泉州的晉江流域地帶及永安縣和安溪縣。

(4)分析淹沒風(fēng)險(xiǎn)分布與社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)的因子間空間異質(zhì)關(guān)系。閩三角地區(qū)水網(wǎng)密度(0.210)>高程(0.152)>城鎮(zhèn)化率(0.044)>坡度(0.039)>人口容量(0.032)>人口密度(0.026)>土地利用(0.019)>GDP(0.005)，規(guī)劃建設(shè)中應(yīng)注重水網(wǎng)與地形高程的關(guān)系。同時(shí)根據(jù)城市開發(fā)強(qiáng)度與淹沒范圍，提出閩三角城市群內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)防控分區(qū)。

4.2 展望

在城市建設(shè)方面，針對高風(fēng)險(xiǎn)地段通過后續(xù)的規(guī)劃加強(qiáng)市政管網(wǎng)設(shè)施的等級，特別是對于一類風(fēng)險(xiǎn)區(qū)淹沒范圍，如廈門思明區(qū)、漳州龍文區(qū)，泉州鯉城區(qū)等高風(fēng)險(xiǎn)—高強(qiáng)度開發(fā)的城市，需確保管網(wǎng)等級至少滿足5 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，中心城區(qū)建議提升至10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，并在暴雨超標(biāo)時(shí)有完備的應(yīng)急預(yù)案。考慮到建設(shè)過程中可能受到空間約束限制的老城區(qū)如廈門本島，漳州薌城等，宜增加屋頂花園與雨水池等綠色基礎(chǔ)設(shè)施，間接削減管道的徑流雨水量，避免洪峰外溢現(xiàn)象。在生態(tài)環(huán)境方面，對于風(fēng)險(xiǎn)等級為第二、三級地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)水系與城市建設(shè)用地間的生態(tài)化的過渡區(qū)域(包括濕地，林地等生態(tài)空間)的連續(xù)性。適當(dāng)采用退耕換綠的方式，在短歷時(shí)暴雨過程中快速降低雨水徑流量，平衡城市水系的“泄”與“蓄的關(guān)系。在后續(xù)的研究中，評價(jià)結(jié)果可在風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)、疏散廊道、防災(zāi)分區(qū)等空間規(guī)劃方面作出更全面的應(yīng)用。

本研究尚存在不足之處，在后續(xù)研究中增強(qiáng)高程數(shù)據(jù)的精度，提升內(nèi)澇淹沒區(qū)識別的精準(zhǔn)程度，為市政管網(wǎng)規(guī)劃提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。同時(shí)結(jié)合海綿城市管控平臺的反饋信息進(jìn)一步深化與完善內(nèi)澇防控研究。