基于GIS控制下的城市暴雨内涝灾害危险性分析-以福州为例 (福建农林大学东方学院,城市规划,王舟)

基于GIS控制下的城市暴雨内涝灾害危险性分析——以福州市为例2013.10王舟 (福建农林大学东方学院,城乡规划学本科)摘要：本文以福州为例，在修正已有的城市高程模型基础上，结合美国水土保持局SCS水文模型、降雨及排水因素，利用GIS栅格空间分析技术模拟了重现期5年、2O年、50年、100年、200年、500年6种暴雨内涝灾害情景下的淹没深度和范围，并以街道(镇)为研究单元对福州进行了暴雨内涝危险性评价。

关键词：暴雨内涝；危险性分析；GIS；福州暴雨内涝灾害是由于雨量过多、地势低洼、积水不能及时排除而形成的自然灾害。

近年来，在全球气候变化和城市化进程加速的大背景下，我国沿海地区由于所处地理位置、地形和季风气候等因素的共同作用，暴雨发生的频率和强度呈增加趋势，加之防汛排涝设施陈旧，建筑物垃圾经常堵塞管网，暴雨内涝现象日趋严重。

这严重影响着城市发展和居民生产生活。

为此，城市暴雨内涝灾害风险评估已经成为沿海地区自然灾害领域研究的热点。

进行城市暴雨内涝灾害风险评估，首先要深入开展区域性暴雨内涝灾害危险性分析，准确地对其水情做出评估。

目前在城市暴雨内涝灾害危险性分析方面，已有学者应用GIS空间分析技术与数学、水文模型结合的方法，模拟一定频度的暴雨内涝极端事件对城市可能造成的淹没深度和范围，但在城市地形模拟方面不够精准，选取的水文模型对于数据要求过高或模型参数设置精度较低，导致暴雨内涝灾害危险性分析结果精度不高。

为此，本文以福州为研究对象，运用CIS栅格空间分析技术，修正已有城市高程模型，并结合确定的福州SCS水文模型参数CN值和降雨量，利用美国水土保持局(Natural Resources Conservation Service，简称NRCS)SCS水文模型计算了径流量，在此基础上参照福州市平均排水能力，模拟了多种重现期暴雨内涝灾害情景下的淹没深度和范围，并以街道(镇)为研究单元对福州进行了暴雨内涝灾害危险性评价。

以期为福州市政府防灾减灾提供科学依据。

1.研究区域与研究方法1．1 研究区福州地处东海之滨，别称榕城、三山、左海、闽都，简称“榕”，位于福建东部、闽江下游沿岸，是福建省的省会、第一大城市，同时也是海峡西岸经济区文化、政治、科研中心以及现代金融服务业中心，首批14个对外开放的沿海港口城市之一，全国综合实力五十强城市，全国文明城市，全国宜居城市，福布斯中国大陆最佳商业城市百强城市。

福州属典型的亚热带季风气候，气温适宜，温暖湿润，四季常青，雨量充沛，霜少无雪，夏长冬短，无霜期达326天。

年平均日照数为1700～1980小时；年平均降水量为900～2100毫米；年平均气温为20～25℃，最冷月1～2月，平均气温达6～10℃；最热月7～8月，平均气温为33～37℃。

极端气温最高42.3℃，最低-2.5℃。

年相对湿度约77%。

常出现热岛效应，又福州为盆地地形，夏季中午气温高达36℃以上。

福州主导风向为东北风，夏季以偏南风为主。

7～9月天气炎热，是台风活动集中期，每年平均台风直接登陆市境有2次。

受海洋气候的影响，降雨频度和强度较大，据统计，2001—2007年间，福州降雨量超过50 mm的暴雨频数为44％，加之防汛排涝设施不健全，暴雨内涝已成为其重大隐患之一（如图1）。

每年汛期(6—9月)由台风、强对流天气引起的暴雨内涝、风暴潮等灾害使福州地区遭受重大损失。

2008年9月20日，马尾，台江等地遭受雷暴雨影响致使房屋倒塌，造成1死14伤；2009年8月513，福州局部由于雨量过于集中，共40多条马路积水，近千户居民家中进水，马尾，仓山等地蔬菜生产遭受重创。

图1 福州1997—2006年降水量1．2 研究数据与方法(1)土地利用数据由2006年ETM遥感影像解译得到，解译参照美国水土保持局SCS水文模型中CN值查算中的土地利用类型，将其划分为11类：工业用地、人工绿地、水体、农田、道路广场用地、自然村落用地、新式住宅、林地、建设角地、未利用地、混合用地。

(2)土壤类型图根据1：10万比例尺福州土壤图数字化得到。

通过专家咨询法，将福州福州新区的土壤类型按照SCS水文模型中土壤类型分类标准(最小下渗率)将其归为A、B、c、D四类，其中，砂夹黄、菜园灰潮土、园林灰潮土归为A类；潮砂泥、挖垫灰潮土归为类；黄泥归为C类；盐化土和人工硬质表面归为D类。

(3)DEM数据为2O05年的地形等高线数据(等高距0．5 m)，以30 m×30 m的栅格精度构建DEM。

(4)城市建筑物分布图是利用2005年分辨率为1 m的航空遥感像片对中心城区建筑物形状进行目视解译，并依据遥感影像中建筑物阴影测算建筑物实际高度和层数。

城市暴雨内涝灾害危险性分析是通过不同重现期暴雨内涝过程情景的模拟，获取暴雨内涝淹没范围和深度信息。

目前，关于城市暴雨内涝灾害危险性分析的方法主要有：基于GIS的水文模型方法和暴雨内涝仿真模型法（如图2）。

基于以上理论，在近10年的降水量报告中，结果表明：5年一遇，全集中在0—0．2 m；20年一遇，全集中在0—0．2 m和0．2～0．6 m；50年一遇和100年一遇，主要集中于0．2～0．6 m，在此区间内淹没面积各占83．7％和70．8％；200年一遇和500年一遇，主要集中在大于0．6 m的范围内，在此区间内福州市区的淹没面积各占60．1％和66．5％。

图2 福州主要内河系统6月水量2 暴雨内涝淹没深度和范围的模拟2．1 城市地形修正城市地形修正最终目的是对城市地表裸露高程变化进行建筑物影响修正，生成与现实相近的城市地表高程模型_2 J。

城市地表高程模型是暴雨内涝积水计算和模拟的基础，主要包括2个关键步骤：洼地预处理和城市地表建筑物影响修正。

(1)洼地预处理以往的研究中，有的学者采用平滑DEM数据(滤波法)来消除洼地，此种方法只能消除浅而小的洼地，对于大而深的复杂洼地地形无能为力。

本文采用Jenson和Domingue算法消除伪地形，较好地克服了上述方法的缺点，对嵌套型洼地、平地型洼地、DEM边界切断洼地和平地达到了很好地处理效果。

(2)城市地表建筑物影响修正以往的研究中，都是将DEM上出现建筑物的高程值加上一个大常数，即将建筑物当成是不可淹没的柱体以此修正城市地形，忽视了水体对建筑物内部的淹没。

通过实地调查获知积水深度超过建筑物离地高度，即可对建筑物和室内财产造成一定程度的破坏，此外，还发现建筑物层数与其离地高度具有相关性，大致存在如下规律：1～4层平均离地高度约10 cm，5—9层约20 cm，9层以上约60 cm。

在此调查基础上，采取经洼地预处理且上方出现建筑物的城市地形栅格单元值叠加建筑物离地高度值的方法修正原始地形以获得城市DEM。

基于GIS计算机技术，我们得出了福州市区主要道路网图（如图3）和福州市区主要内河图（如图4）。

福州市区的路网主要以方格路网加环形放射路网。

其中，以五一路和古田路组成的组成的十字路和二环快速路，三环快速路构成福州市路网的总体格局。

福州的内河主要以闽江和乌龙江为主。

外加白马河和其他大大小小的几十条城市内河。

图3 福州市区路网图图4 福州市区内河图2．2 SCS水文模型及参数确定水文模型的目的在于进行空间分布的径流量计算。

采用NRCS于1950年代开发的SCS模型，其设计初衷是在水土保持工作中估算径流，应用领域至今已扩展到城市化地区和植被覆盖的流域。

式中CN是反映降雨前流域特征的一个综合参数，与前期土壤湿润程度、土壤类型和土地利用状况等有关。

其中AMC表示降雨13前5 d降雨量的总和，可分为干燥(AMC I)、正常(AMC U)、湿润3种情况。

2．3 不同重现期福州暴雨内涝径流量分析本文通过福州历年暴雨记录，选取具有典型代表意义的降雨重现期T3=50、T4=100、=200、T6=500基础上，依据城市暴雨降雨往往集中在前1～2 h内，且气象和市政工程暴雨计算标准也多参考1 h降雨量，利用暴雨强度计算公式计算了降雨1 h下的不同重现期的降雨量，并结合SCS水文模型在ARCGIS环境中模拟径流量。

在径流过程中，还需考虑城市排水能力。

城市排水主要通过铺设在城市路面上的下水管网实现。

获取某区域实际排水能力，需考虑到下水管网对地面排水作用范围的分布。

在无法获取排水管网数据的情况下，假设降雨期间排水畅通，且整个空间范围排水能力一致，以福州地区平均排水能力36 mm／h作为本文参考数据。

2．4 不同重现期暴雨内涝情景模拟将暴雨内涝看作无源淹没状态，凡城市地形高程低于淹没高程的栅格都记人淹没区，并根据水流由高到低流动的重力特性和地面起伏情况，利用总径流与暴雨内涝积水范围内水量相等的原理，采用基于GIS的“等体积法”模拟不同重现期的淹没深度和淹没范围。

3 暴雨内涝灾害危险性评价决策者得以从总体上了解研究区暴雨内涝的危险性程度。

参考TP．Katie等人的洪涝灾害危险性分级标准确定方法，考虑城市暴雨内涝特征，结合福州暴雨内涝实地问卷调查结果，即积水超过60cm，将会对居民生产生活产生重大影响，诸如较低层住房墙壁刷白、室内财产(包括床、沙发、家电等家具)将遭到严重浸泡、汽车抛锚或立交桥下积水致使交通堵塞等，确定了各街道暴雨内涝灾害危险性评价的目的在于使城市(镇)淹没面积比和各街道(镇)淹没深度超过60cm的面积比作为暴雨内涝灾害危险性分级的标准，并以此对福州进行危险性评价。

4 结论以福州为研究对象，利用基于GIS的水文模型法模拟了6种重现期暴雨内涝灾害情景下1 h降雨量的淹没深度和范围，并以街道(镇)为研究单元，对福州进行了暴雨内涝灾害危险行评价。

此研究在以往利用SCS水文模型进行淹没深度和范围模拟的基础上，细化了SCS水文模型的重要参数CN值，给出了适合福州的CN值矩阵，还确定了不同重现期下沿海地区AMC的判定标准，提高了空间分析精度；克服了以往研究利用滤波法(平滑DEM数据)消除洼地的缺点，采用Jenson和Domingue算法进行洼地填平和平地处理，考虑水体对于建筑物内部的淹没，利用建筑离地高度叠加DEM进行城市地形影响修正，使得暴雨内涝灾害危险性分析结果更加准确客观；进行了暴雨内涝灾害危险性评价，使得城市决策者得以从宏观上进一步把握暴雨内涝灾害危险性程度。

由于数据资料的有限性，仅考虑了市中心附近较为密集建筑物对城市地形影响的修正，在今后的研究中尚需进一步改进和完善。

此外，在灾害危险性分析的基础上，可进一步加强灾害形成过程中人类作用机制的研究、灾害脆弱性研究以及脆弱性地区暴露在暴雨内涝灾害中所造成的社会经济损失(包括直接损失和间接损失)的定量分析和模型研究。

参考文献：[1]解以扬，韩素芹，由立宏，等．天津市暴雨内涝灾害风险分析[J]．气象科学，2004，3(24)：343—349．[2]赵思健．GIS模型在城市内涝灾害分析、评估和对策中的应用[D]．汕头：汕头大学，2000．[3] 李娜，仇劲卫，程晓陶，等．天津市城区暴雨沥涝仿真模型系统的研究[J]．自然灾害学报，2002，11(2)：112一l18．[4] 韩索芹，夏祥鳌．天津市城区暴雨沥涝动态仿真模拟系统[J]．灾害学，2001，16(3)：18—22．[5] 王建鹏，薛春芳，解以扬，等．基于内涝模型的西安市区强降水内涝成因分析[J]．气象科技，2008，6(36)：772— 775．[6] 张东华，刘荣，张咏新，等．一种基于DEM的洪水有源淹没算法的设计与实现[J]．东华理工大学学报：自然科学版，2009，2(32)：181—184．[7] 万民，熊立华，卫晓婧．数字高程模型预处理方法的研究进展[J]．水文，2008，5(28)：11—17．[8]贺宝根，陈春根，周乃晟．城市化地区径流系数及其应用[J]．福州环境科学，2003，22(7)：472—475．[12] Soil Conservation Service，“Hydrology，” Section 4，National English Engineering Handbook [M]． Washington， D．C， 1993．[9]白薇．城市洪水风险分析及基于GIS的洪水淹没范围模拟方法研究[D]．哈尔滨：东北农业大学，2001．[10]刘仁义，刘南．基于GIS的发杂地形洪水淹没区计算方法[J]．地理学报，2001，1(56)：1—4．[11]陈凯．基于GIS的洪水淹没评估系统的研究与实现[J]．灾害学，2009，24(4)：35—39．。