我國城市內澇災害研究進展

(寧波大學 地理與空間信息技術系,浙江 寧波 315211)

1 引言

城市內澇災害對人類活動的影響極其嚴重,有效預防和治理城市內澇災害是研究的重點和熱點。城市內澇災害風險管理的關注重點是風險評估,這也是國內外學者關注的主要問題之一[1-3]。國內外對城市內澇災害進行了早期危險性評估和風險評估,在城市防災減災工作取得了很多成就。

對城市內澇災害進行研究,一般從危險性、風險性和敏感性等方面展開[4]。①在城市內澇危險性研究方面,國內主要基于情景模擬方法：石勇等對上海中心城區道路進行了城市內澇危險性研究[5];張振國等在社區尺度層面進行了城市內澇災害危險性研究[6];權瑞松等在ArcGIS環境下運行城市內澇模型,對地表積水分布狀況進行了模擬[7];景垠娜等基于ArcGIS的空間分析技術,對城市進行了內澇災害的危險性研究[8]。國外建立了用于內澇模擬的數學模型,從較簡單的概念性和經驗性模型到非常復雜的水動力學物理模型[9,10],主要包括水量水質耦合模型[11]、SWMM模型[12]、MIKE-SWMM模型[13]等。②在城市內澇災害風險性研究方面,國內董軍剛等對城市進行了災害受損分析、影響人口分析和災害風險評估[14];劉娜等利用加權綜合評價法,對各個因子指標進行了綜合評估,并通過層次分析法、標準化處理方法分別對各個影響因子的權重系數和規范化數值進行了計算,最終基于ArcGIS技術對城市內澇災害進行了精細化的風險評估與區劃研究[15];仇勁衛等[16]、解以揚等[17]聯合城市氣象預報監測和洪澇模擬技術構建了城市內澇仿真模型,并在西安和重慶等城市進行了實驗研究[18]。國外采用層次模糊分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process,FAHP)在多個決策者在場的情況下確定風險影響標準(即水文和水力、交通、社會、經濟、環境、結構和綠色空間)的權重,將Storm and Sanitary Analysis(SSA)模型應用于水文和水力模擬[19]。

目前,在城市內澇災害分析中一般采用了水文模型與地理信息系統空間分析技術、數學相結合的方法,模擬城市內澇極端事件造成的城市淹沒程度[20-22],但選取的水文模型參數精度較低,而模型對數據的要求過高，并存在對城市地形起伏模擬不精確等問題,導致城市內澇災害研究結果不精確。

2 城市內澇災害的知識圖譜分析

2.1 城市內澇災害的引文量與發文量分析

為了更好地詮釋城市內澇災害研究的發展階段,通過在中國知網中以“城市內澇”為主題或篇名進行檢索,共獲得3210篇文獻(檢索時段為1995—2019年,檢索時間為2019年3月4日)：由于1995年、1998年和1999年沒有發文量和引文量,因此本研究中不予考慮。研究結果表明：近20年城市內澇災害文獻的發文量大體上呈現出“先增加后減少”的趨勢(圖1a)。1996—2006年城市內澇災害文獻的引文量較少,2007—2019年城市內澇災害文獻的引文量也呈現先增加后減少的趨勢(圖1b)。近年來城市內澇災害文獻的發文量和引文量呈下降趨勢,在城市內澇災害研究方面有待進一步提高。

2.2 對城市內澇災害文獻進行可視化分析

本研究使用CiteSpace軟件對城市內澇災害文獻進行了可視化處理,在CNKI進行文獻檢索。以“城市內澇”為關鍵詞或篇名進行檢索(檢索時間段為1995—2019年,檢索時間為2019年3月4日),共獲取1866篇文獻。

高頻關鍵詞分析:高頻關鍵詞的分析可體現一個研究的方向和重點。本文使用CiteSpace軟件對所選的1866篇文獻進行了關鍵詞分析,將聚類點設為“keyword”,閾值設為Top50，用CiteSpace軟件以“關鍵詞”為主題進行分析。其中,“城市內澇”出現頻率最高,達到1026次;其次是“海綿城市、低影響開發、內澇”。從出現高頻率的關鍵詞中可得出，“海綿城市、低影響開發、內澇、排水系統、暴雨、排水管網、城市排水系統”與城市內澇災害的聯系較密切,其次是“排水系統、暴雨、排水管網、城市排水系統”也占有一定的比重(圖2、表1),說明較注重城市內澇排水系統的研究。

圖1 城市內澇災害主題發文量與引文量

圖2 城市內澇災害關鍵詞聚類圖譜

序號詞頻關鍵詞11026城市內澇2340海綿城市393低影響開發480內澇564排水系統651暴雨746排水管網846城市排水系統940內澇防治1037雨水

高產期刊分析:經統計分析,發現1866篇文章發表在101種期刊雜志上,分布范圍較廣泛。對發文高產期刊進行排名,發現深圳特區報作為排名第一的期刊,從1995—2019年共發表75篇主題為“城市內澇”的論文。1996年之后,國內多所知名高校和研究所相繼撰寫了高水平的文章,豐富了相關研究內容。CiteSpace的中介中心度是指網絡中的一個actor充當中介的能力,指示actor資源控制的程度。深圳特區報、中國科學院、南方日報、司法部《中國司法》雜志和珠海特區報的中介中心度排名相對較高,在研究群體中的影響力較大;其次是同濟大學環境科學與工程學院和中國水利水電科學研究院等也發表了大量論文(圖3、表2)。

圖3 城市內澇災害發文期刊聚類圖

期刊和機構發文數量占比(%)深圳特區報7516.03中國科學院5110.90南方日報5010.68司法部《中國司法》雜志5010.68珠海特區報5010.68同濟大學環境科學與工程學院91.92中國水利水電科學研究院91.92北京工業大學建筑工程學院91.92中國城市規劃設計研究院91.92其他15631.62

圖4 城市內澇災害高產作者聚類分析圖

高產作者分析:從論文高產作者分析可見(圖4、表3),吳學安在“城市內澇”領域研究論文最多,1995—2019年發表論文53篇,研究涉及環境質量、技術創新、城市排水系統等領域;其次是宋時飛、胡印斌、尹衛國等發表論文數量較多。從發文時間和數量來看,吳學安、宋時飛、胡印斌、尹衛國、朱磊在城市內澇研究領域中具有很大的影響力,為城市內澇理論研究奠定了基礎。

表3 城市內澇災害的高頻作者分析

3 城市內澇災害內涵與組成要素

城市內澇災害帶來的危害分為直接危害與間接危害：直接危害為洪水、沉積物和漂浮物對人類及財產帶來的直接威脅;間接危害為直接危害在一定時間與空間范圍內可能出現的影響,如公共服務和交通中斷等。

3.1 城市內澇災害內涵

城市內澇災害包括由短時間的強降雨或長期降雨過度集中造成的洪澇災害。大多數情況下,洪災與澇災經常同時發生,但含義不同。洪災是指降雨量過大產生的耕地被水淹沒、房屋與堤壩被毀壞,以及山洪等次生災害;澇災是指在相同降水的條件下,洼地排水不能及時排出的情況。

3.2 城市內澇災害組成要素

城市內澇災害具有自然屬性和社會屬性兩種屬性：從自然屬性來看,短時間內過量降雨或長期降雨較集中,是城市內澇災害產生的前提；從社會屬性來看,如果有城市就有可能發生內澇災害。其組成要素主要為:①孕災環境。孕災環境是城市內澇災害產生的自然環境和人文環境,自然環境包括氣候、地形、河流等,人文環境包括道路系統、工業和商業等,它們共同決定了災害因素時空分布特征的背景[23]。②致災因子。致災因子是指在各種情況中可能會造成人口死傷、財富受損和社會動蕩的各類因素。在一定條件下,其他災害事件也可能引發內澇災害,如由地震引起的山體滑坡和海嘯等。人口及其經濟活動往往向城市集中,因此城市是自然災害的高風險地區[23]。③承災體。承災體是指受災害風險影響的人口、建筑和道路等各種因素,人是受災害和破壞影響的主要對象。此外,承災體還包括城市道路、農業和工業等[23]。

4 城市內澇災害危險性評價方法

對城市內澇災害進行危險性評價時,首先要對城市內澇的災害特點和氣候特征進行分析,采用氣候傾向率和多項式曲線擬合等統計分析方法,使用EXCEL和SPSS等軟件對城市內澇災害特點和氣候特征進行分析[24]。以歷史災害數據和影響災害產生的諸多關鍵因素為基礎,利用情景模擬方法,建立未來災害情景模擬,用于評估不同的內澇災害強度。國外用于評估城市內澇災害的情景模擬方法相當成熟,用來模擬氣候變化,如區域降水和溫度[5]。

基于情景模擬,我國有兩種類型的內澇研究:一種是構建城市降水模型、地形模型和排水模型[25,26]；一種是使用數值模擬方法求解算二維非恒定流方程[27,28]。社區研究方面,以社區為單位構建城市社區內澇模型進行危險性等級劃分,得出城市社區內澇積水深度分布圖[6]。城市內澇災害產流模擬方面,利用SCS降雨徑流模型對城市內澇產流進行模擬,利用局部等級法、水動力模型為理論和基礎進行城市內澇匯流模擬[24]。根據不同的城市內澇災害指標、不同的理論和應用水平,一般有多種城市內澇災害危險性分析方法，常見方法與使用范圍見圖5。

圖5 城市內澇災害危險性分析方法

5 城市內澇災害承災體易損性評估方法

對城市進行易損性分析時,選擇人口密度、人均GDP和道路密度作為城市內澇災害脆弱性的主要評價指標[15]。在對人口密度進行分析和對歷史資料進行統計的基礎上,建立該城市近年的歷史人口序列和城市內澇受災面積序列,在此基礎上利用SPSS軟件分析兩者的定量關系[29]。在建立城市人口空間化模型的基礎上,基于ArcGIS建立30m×30m規則格網,結合土地利用類型數據,利用強大的空間分析功能分別統計每一個規則格網內城鎮用地、居民用地和耕地的面積,以規則格網為基本單元,最終得到災害風險的城市人口空間分布圖。在GDP產值方面,根據三大產業影響因子的確定,基于ArcGIS建立規則格網,分別計算和統計各行政區三大產業單位面積的GDP產值。在道路交通網方面,通過ArcGIS空間分析Density功能實現道路密度計算,以此反映城市道路分布特征和密集程度。在以經濟指標分析方面,通過人口密度和土地利用情況等社會經濟指標分析內澇災害的易損性[30]。綜合研究城市內澇災害的特征,劃分易損性時對人口密集程度、房屋建筑用地占該區總建筑用地比例、GDP產值三個因素進行分析[31]。通過城市工商企業、城市居民家庭財產和各類工程設施建立承災體易損性評估模型[32]。在城市內澇災害損失增長率方面,對城市內澇災害損失增長率進行分析,構建內澇災害損失估算模型[33]。

6 城市內澇災害風險評估基本方法

與其他地區相比,城市系統結構更復雜,城市內澇災害承災體的類型與特征更加多樣化。可將城市系統分為地上建筑與地下空間設施兩部分，由于地上建筑與地下空間設施特征差異顯著,因此這兩類承災體的城市內澇災害風險評估方法存在一定的差異性。充分考慮城市系統的獨特基本特征,構建一個計算相對簡單的城市內澇模型,可快速模擬和分析不同情景下不同區域的水深。基于不同類型的承災體特征,分別建立適用于地上建筑與地下空間設施的高精度、定量化城市內澇災害風險評估模式[7]。根據上海市暴雨內澇災害的特征,確立了災害損失和受災人口兩個主要的災害風險指標,并依據兩個指標的數值分布狀況分別對其建立分類標準并進行分級[14]。在利用ArcGIS方面,以上海市浦東新區為例,利用ArcGIS柵格空間分析技術分析了重現期不同年份6種城市內澇災害情景下的洪水等級和程度[8],再運用自然災害風險評估方式,利用ArcGIS對城市進行風險評估區域劃分[34]。基于模糊評價法,綜合應用內澇數值模擬模型并結合指標權重確定、閾值劃分和評價等級劃分等方法[35]。

7 城市內澇災害綜合分析

城市內澇災害綜合分析是采用加權綜合法對城市內澇災害進行綜合研究,需要收集社會經濟數據,如人口密度、房屋建筑面積、GDP產值等。利用關鍵數據和主要的內在災害天氣狀況的綜合分析進行城市災害區劃。根據文獻分析得出,國內外學者對危險性和易損性分析較多,對敏感性的分析較少。在敏感性分析方面,主要利用ArcGIS空間分析法,如核密度分析、自然斷裂分類法等,以及運用遙感影像分析法和層次分析法[36]。對上海市地下軌道進行敏感性分析,主要選取出入口作為敏感性因素,如地勢、臺階高度、類型和排水能力[37]。本文主要分析了城市內澇災害的危險性、易損性和風險性,涉及敏感性較少,對危險性、易損性和敏感性的分析方法見圖6。利用加權綜合法,對城市內澇災害進行綜合分析,這種方法使城市內澇災害評估更科學。

圖6 城市內澇災害綜合指標體系

8 結論

隨著人們對小規模的城市內澇災害評估的需求逐漸增長,要求的精度較高,通常需要配合危險性分析、易損性分析和敏感性分析三種指標,完成城市內澇災害評估工作。為了進一步研究城市內澇災害,有必要在城市內澇災害分析過程中認識到以下問題:①在目前的城市內澇災害評價研究中,災害承載體的選擇是有限的,通常是單一的災害承載體,僅限于對人口和建筑物的評價。對工業區、商業區、通信系統、土地、動植物脆弱性評價工作尚未開展,承載體的多樣性是今后關注的重點。②到目前為止,城市內澇災害評價大多是在大型城市進行,對小尺度、小規模的城市評估較少,且城市內澇災害評估中很少考慮氣候變化因素。未來的氣候變化可能會改變現有軟件模型的降雨參數和模式,從而影響內澇的發生,城市內澇災害評估與氣候變化相結合將為未來30—50年的規劃和發展帶來巨大的好處。③關于城市內澇模型的開發和應用,主要對致災因子危險性分析研究較多,敏感性研究較少,未來將模型和易損性分析、敏感性分析相結合是需要突破的重點和難點。