基于數值模擬的城市內澇風險評估研究

戴晶晶，劉增賢，陸沈鈞

（太湖流域管理局水利發展研究中心，上海200434）

基于數值模擬的城市內澇風險評估研究

戴晶晶，劉增賢，陸沈鈞

（太湖流域管理局水利發展研究中心，上海200434）

城市內澇作為一種嚴重的城市災害，近年來呈現顯著增加的態勢，給城市的生產和生活活動帶來了巨大的破壞。在城市暴雨內澇防災減災的工作中，災害預防工作尤為重要，內澇風險識別是災害預防的重要手段之一，可為防洪救災規范化、科學化決策管理提供科學依據。以蘇州市城市中心區為例，采用數值模擬的手段評估識別內澇風險，可為城市內澇治理及風險防控提供科學參考。

城市內澇；風險識別；數值模擬；蘇州

1 引言

城市內澇是指由于強降水或連續性降水超過城市排水能力，致使城市內產生積水災害的現象。城市內澇作為一種嚴重的城市災害，近年來呈現顯著增加的態勢，給城市的生產和生活活動帶來了巨大的破壞。

2012年7月、2013年10月、2014年5月北京、上海、深圳等大城市均多次上演“雨后看海”的悲劇，城市交通癱瘓，人民財產損失，甚至造成了人員傷亡事件，城市內澇已經成為阻礙城市安全運行的“城市病”，嚴重影響城市正常運轉和品牌形象。

在城市暴雨內澇防災減災的工作中，災害預防工作尤為重要，而內澇風險識別與評估是災害預防的重要手段之一，準確預測和評估城市內澇災害風險，研究內澇形成過程和機理，可為防洪救災規范化、科學化決策管理提供科學依據。

2 內澇風險評估主要方法概述

內澇風險識別與評估目前常用的方法有歷史災情數理統計法、指標體系法、基于情景模擬評估法。

2.1 歷史災情數理統計法

歷史災情一般是指災害數據庫記錄的洪澇災害發生次數、受災面積、成災面積、受災人口、直接經濟損失等統計數據。該方法思路清晰且計算相對簡單，但需要長期災害資料的積累，目前城市內澇災情數據往往很難獲取，所以在應用上具有一定局限性。另外，風險是未來潛在發生的可能性，用歷史資料預測未來災害風險發生的概率，可能未必一致。

2.2 指標體系法

指標體系法的主要思路是根據災害的特點，憑經驗選取適合的指標體系，然后通過數理方法對各原始指標進行處理，最后得到災害風險的評價體系。該方法的理論基礎是一般認為洪澇災害是致災因子、孕災環境和承災體的綜合函數，側重于指標的選取和權重方法的優化，可以宏觀反映區域風險狀況，在我國災害風險分析與評估中應用最為廣泛，但是評估指標在選取時可能出現“以點代面”的現象，不能完全反映災害風險的空間分布。

2.3 情景模擬法

情景模擬法主要是借助數值模擬平臺，真實的模擬出城市降雨徑流形成及通過地下雨水排水系統匯至地表河道系統，并在局部地區產水積水內澇的全過程。利用內澇數值模型系統可以模擬不同降雨強度下，城市雨水徑流的產生和排水系統的工作情況。該方法通過研究內澇發生的形成機制和發生情景，結合受災體特征判別內澇風險。該方法的特點是直觀可視且動態化，但需要較高精度的地形、雨水管網、水系等資料，且需具備水文水動力、城市排水、地理學、風險評估等多專業知識。

3 研究區概況

蘇州市位于長江三角洲中部，東鄰上海，南連嘉興、湖州兩市，西傍太湖，北枕長江。境內河道縱橫，湖泊眾多，屬亞熱帶濕潤性季風海洋性氣候，四季分明，氣候溫和，多年平均年降水量在1100m m左右，多年平均蒸發量1283.8m m。2012年全市實現地區生產總值12011.65億元，比上年增長10.1%，占全國的2.3%；人均地區生產總值（按常住人口計算）11.4萬元，是全國人均產出最高的城市之一。本次研究對象城市中心區是蘇州市城市規劃的核心區域，包括防洪大包圍和金閶新城防洪包圍，總面積89.26km2，詳見圖1。

圖1 研究區范圍示意圖

4 數學模型構建

結合蘇州市特點，選用I nf o Wo r ksI C M軟件建立集防洪、除澇、排水于一體的蘇州市城市中心區排水防澇數學模型，實現產流、地面匯流、管網匯流、河網匯流及地面積水流動模擬，涉及到地面高程、管網、河網等模塊，需要土地利用、地形、管網形態及規模、河道形態及規模、閘門泵站等基礎數據，并且依據模擬范圍的特性選擇合適的產匯流模型和相關參數，依據實測資料對模型進行率定驗證。

4.1 模型建立

建模采用的基礎數據分為地面高程、管網和河網三部分。地面高程數據包含214177個高程點，數據密度為30m一個點，通過建立地面T I N模型，將研究區劃分為1364445個三角網格，最大三角網格面積100m2，最小三角網格面積5m2。管網數據包含管段90421段、檢查井71881座、雨水邊井和排放口，數據來源主要為普查數據，雨水管、雨水檢查井座、雨水邊井17401座、雨水排放口1490座；根據實測河道斷面建立了較為精確的河網，共包含河道170條，總長度為246km。水利工程設施主要為城市大包圍11大樞紐及沿線小閘小泵和內部尚在使用的小包圍閘泵，包含閘泵底高、寬度、設計流量等參數。

管網與河網耦合示意圖見圖2。

圖2 管網與河網耦合示意圖

4.2 模型率定驗證

依據《室外排水設計規范》中各類下墊面的徑流系數及研究區內下墊面解析成果，加權平均求得規劃區內綜合徑流系數為0.65。以該值為參考選取產流模型固定徑流系數的取值范圍為0.65～0.75進行率定。匯流模型的參數初值參考該模型的使用手冊和相關文獻確定。管道糙率根據管道材質按照實際標準取值，規劃范圍雨水管段材質多為塑料和混凝土，淤積程度則按照現行維護標準（淤積率20%），河道糙率采用2013年城區自流活水方案研究時的物模及數模率定結果，河道糙率取值范圍0.03～0.04。

蘇州屬平原河網地區，河道密布，雨水管道大多為淹沒出流就近排河，據統計共有1490個排水口，通過水位過程的比對可基本判斷模擬采用的產流、匯流參數是否合理。雨水管網、泵站等參數基本接近實際值，并且目前并沒有詳盡的積水點位、深度、時間、范圍等統計資料，因此，通過近十年歷史內澇統計情況進行內澇積水位置和部分積水深度的比對。本次率定圍繞河網水位、積水位置兩個方面開展。

圖3 臺風“菲特”期間覓渡橋模擬水位與實測水位對比圖

（1）河網水位

本次參數率定采用2013年臺風“菲特”期間實測雨量，調度方式則采用實際調度方式?！胺铺亍苯涤瓿掷m時間為2013年10月6日至8日，實測降雨總量為215.5m m，其中最大一小時雨量為14.5m m。將實測暴雨數據代入模型，將覓渡橋水位站斷面處的洪水位計算結果與對應時段實測洪水位進行對比，對產流和匯流參數進行必要的調整，使之與實際情況較為吻合，以率定有關參數。

從率定結果來看，覓渡橋計算水位過程與實測水位過程吻合度較高（詳見圖3），覓渡橋實測峰值2.93m，模擬計算峰值2.90m，均出現在7日13時；實測谷值2.67m，模擬谷值2.62m。計算水位與實測水位的均差為0.05m，其中最大偏差發生在6日17時和7日11時，差值為0.14m，誤差僅為5%。

（2）內澇積水位置

通過分析近十年內澇發生原因的分析，發現多次內澇是由停電、施工等原因造成的，本次選取2005年8月7日、2012年8月10日兩場降雨進行模擬計算，這兩場降雨產生的內澇沒有停電等不確定性因素的影響，并且有部分積水深度記錄。

2005年8月7日最大小時降雨量37.7m m，居民戶進水58戶，小范圍路段積水5處，茅山塘園地村地區和觀景2村東出口二側、迎楓橋弄、草橋弄2號、胥門外大街、華家場32號、小河浜地區集中受淹；2012年8月10日最大小時降雨量39.3m m，內馬路、裕塘橋弄等19個街巷出現短時局部暴雨積水10～35c m左右，20戶居民家中進水。

模擬結果顯示2005年8月7日這場降雨實際出現的茅山塘園地村地區、迎楓橋弄、草橋弄2號、胥門外大街、華家場32號、小河浜等集中受淹地區均在模擬結果中得到顯示。

2012年8月10日這場降雨實際出現的內馬路、裕塘橋等積水地區也均在模擬結果中，且這兩個地區模擬積水深度為15～35c m，與實際積水深度符合程度較高。

兩場降雨模擬積水點位置見圖4。

圖4 兩場降雨模擬積水點位置

5 內澇風險評估

5.1 內澇風險評估指標體系

依據《室外排水設計規范》（G B 50014-2006（2014年版））中提出的內澇防治標準“底層建筑不進水，道路中一條車道積水不超過15c m”，參考上海、杭州等城市內澇積水防治標準，根據蘇州市歷年積水投訴情況和道路、建筑物建設情況劃定淹沒深度、淹沒范圍等等級；根據蘇州市城市中心區內區域及設施重要性，區分重要區域和一般區域，綜合構成蘇州市城市中心區內澇風險評估指標體系詳見表1。

5.2 內澇風險評估與區劃

本次內澇風險評估采用基于情景模擬的加權綜合評價法，認為內澇風險是在一定致災因子（暴雨災害i）和孕災環境（蘇州市城市中心區現狀排水狀況）條件下致災因子危險性D與承災體重要性I之間的函數，即式（1）所示。

其中，將致災因子造成的災害I根據淹沒范圍、淹沒深度、淹沒歷時等劃分不同等級C i，根據不同的權重Wi，得到危險性D如式（2）所示。

圖5 內澇風險區劃與集中區域圖

承災體重要性I是指暴露在淹沒區內的人口、財富、重要區域與設施等的總和，如式（3）所示。

針對20年、30年、50年一遇24小時降雨，利用數學模型進行模擬分析，選取積水深度、淹沒歷時、淹沒范圍和重要程度，通過A r c G I S計算城市各節點內澇風險，圈定內澇風險等值線，綜合劃分內澇高、中、低風險區。

根據積水內澇模擬結果得知，蘇州市內澇積水呈散點狀分布，且主要集中在地勢低洼處，雨量增大的情況下積水面積不會大幅增加。

表1 蘇州市城市中心區內澇災害風險評估指標體系與權重

從風險計算的結果來看，內澇風險集中的區域與現狀低洼地的相關性較高，主要分布在梅巷、桃花塢、北園、南園、清潔河、五涇浜、小河浜等地區。蘇州城市中心區產生內澇積水的原因主要有以下四類：地勢低洼、管網能力不足、排水路線偏長以及河道水位頂托。為便于風險管理，本次依據計算結果，劃分出15個中高風險相對集中的區域，詳見圖5。

6 結語

通過建立精細化的數學模型對城市雨洪全過程進行模擬，綜合劃定內澇風險區，有助于提升排水防澇規劃方案科學性，且為今后實現風險預判和管理提供技術基礎，有條件的城市可進行這方面的探索和推廣。但該方法的精度依賴于準確可靠的基礎數據，建議今后完善氣象、水文、雨水管網、河道及水利工程設施、內澇監測等基礎資料，逐步建立起完整的城市雨洪管理數據系統，提升城市應對內澇的風險管理能力。

［1］顧升波，戴前進，方先金，趙志軍.城市內澇低洼風險區損失評估及預防對策［J］.中國市政工程，2013（S1）：17-19.

［2］秦川.城市內澇研究與國外實踐經驗［J］.給水排水，2013（26）：134-135.

［3］張冬冬，嚴登華，王義成，魯帆，劉少華.城市內澇災害風險評估及綜合應對研究進展［J］.災害學，2014（01）：144-149.

S422

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1672-2469（2015）06-0040-04

戴晶晶（1983年—），女，工程師。