基于SCS-CN與GIS耦合模型的閩三角城市群承災空間淹沒風險研究*

丁鍶湲, 王 寧,2, 倪麗麗, 曾 堅

(1.天津大學 建筑學院，天津 300072；2.廈門市城市規劃設計研究院，福建 廈門 361012；3.河北工業大學 建筑與藝術設計學院, 天津 300401)

我國濱海城市產業集中、人口眾多，其獨特的地理和資源優勢帶動了經濟文化的發展[1]，空間上呈現出人口與建筑的高密度聚集現象。在全球氣候變化的大環境下，受海洋性氣候影響的濱海城市更容易遭遇強暴雨事件，對高速發展的城市造成了巨大的社會經濟損失[2]。據統計2020年全國自然災害以洪澇為主，平均降水量比常年偏多11.2%，直接經濟損失較近5 a上升59%。隨著我國社會經濟向可持續發展方向轉型，對生態環境與城市安全問題越發重視[3-4]。因此，如何有效緩解濱海城市的內澇災害風險成為備受關注的重要議題。

防控內澇災害的關鍵是研究災害的形成原因。系統環境的脆弱導致內澇災害的頻發，其主要成因歸結于三個方面：①硬質鋪裝的增加改變了原有土壤自身的產匯流能力。②城市排水系統無承受短時暴雨的洪峰流量[5]。③城市建設用地的不斷擴張，往往會導致調蓄洪用地的減少。最根本的解決途徑是根據地表高程來確定雨水匯流形成的內澇范圍[6]，從而有針對性的采取各類有效防控措施降低災害的風險。由于濱海地區地形復雜，通常采用SCS-CN(土水保持曲線)模型來計算降雨后的地表徑流量[7]，該模型根據經驗數據的概化運算，適用于不同地形環境且結果與實際較一致[8]。另外需綜合考慮基礎設施以及調蓄設施的承載能力[9]，做出合理的布局與有效的防澇設計。

目前國內的外學者根據災害的發生過程，已在內澇致災因子的波動規律、受災環境(泛指城市與自然環境)的空間預警響應、工程防范措施等方面取得一定的研究成果[10-11]。關于內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水文模型來計算的[12-13]，較好的反應產流的關鍵特征。隨著算法的改進和增加了計算維度，如Mike21、FloodmMap等多維模型得以應用[14]，近些年還出現了借助于地理信息系統的內澇空間可視化分析研究。我國學者對內澇防控的相關研究主要圍繞內澇災害風險評價[15]、市政管網及設施規劃[2]、多源數據建模[16]等方面展開。車伍[17]等指出內澇的產生與環境存在密切聯系，尤其應注重源頭雨水的產生與調蓄[18]。俞孔堅[19]將內澇的風險等級與淹沒區范圍作為綜合水安全格局的組成部分，同時也是生態安全格局構建的支撐要素[20]。國家自然資源部也在2018年確定了多規融合下的國土空間規劃體系，其中特別增加了對于資源環境的災害風險評價[21]。我國內澇風險評價的研究方向較多，筆者認為當前應結合實際自然環境，在一維內澇模型的可靠性基礎上，向多維度的內澇模型延展。同時結合王勁峰建立提出的地理探測器模型[22]，分析淹沒風險與社會生態系統的空間異質特性，以便于評價結果與國土空間規劃等導向性規劃有效銜接。

綜上，本文創新SCS-CN水文模型與地理空間系統(GIS)的耦合技術，計算出不同暴雨重現期下產流形成的淹沒范圍，評價閩三角城市群淹沒區風險程度。并結合地理探測器對社會生態系統的多因子進行淹沒風險空間識別，劃分防控分區，為閩三角城鎮群的生態安全保障與可持續發展提供了技術支撐。

1 研究區概況和數據收集

1.1 研究區概況

閩三角城市群是廈門、泉州和漳州三市及所轄縣區的統稱(圖1)，在該區域內的金門位于海上，且相對地理位置較遠，因此本研究暫不對其進行風險評價。閩三角城市群氣候類型以亞熱帶氣候為主，年雨量較大并呈現波動性變化。根據《福建省2020年統計年鑒》[23]數據，2019年末閩三角城市群地區GDP占福建省48.79%。依據第七次人口普查結果，閩三角常住人口占福建省總量的45.74%，是福建是主要的經濟發展與人口聚集地。然而在海洋性季風與熱帶氣團的交互下，研究區呈現歷時短雨量大的特征，產生的內澇災害影響了城市的發展。

圖1 閩三角城市群位置(審圖號：閩S(2021)11號，下同)

1.2 數據來源

研究數據包括：①從中科院地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)獲得的閩三角城市群高程數據(DEM)。②廈門，漳州，泉州三市各氣象站點降雨數據，包括瞬時降雨量和重現期5 a，10 a，50 a一遇降雨量。③閩三角地區水系分布圖及具體水系流量和水庫儲蓄量。④廈漳泉三市用地建設現狀情況與土地利用規劃。⑤廈漳泉三市統計年鑒，包括GDP、人口容量、城鎮化水平等。

2 SCS與GIS耦合模型構建

2.1 SCS-CN與GIS空間耦合模型

本文根據自然地表的積水過程識別內澇災害產流源頭的風險。首先通過遙感識別技術提取選區水文要素。其次根據SCS-CN水文公式[24]與土地利用類型計算不同降雨重現期下的淹沒體積。欲將數理模型的淹沒區結果與空間具體位置相關聯，因此選用ArcGIS平臺中的表面體積算法進行配比計算，其作用機理是在三維的地理空間中運算無源淹沒體積，確定淹沒高度并在二維空間上呈現具體位置[25]。分別計算重現期為5 a、10 a、50 a一遇的三種情景下的廈，漳，泉三市淹沒位置，并按嚴重程度從高到低對應一、二、三類風險等級，集成閩三角區域的內澇災害評價(圖2)。

圖2 內澇風險防控路徑

所得結果需與當地區域調蓄設施承載能力校核。在產匯流過程形成積水的同時，滿足城市調蓄洪設施和排水設施的承載能力及排查次生災害的潛在干擾事件。在城市調蓄洪用地方面應關注是否存在潰壩與雨水外溢現象，即調蓄洪用地具有承載該區域產流的能力(存儲淹沒區體積)，如滿足承載能力則需要對淹沒區結果進行修正。在排水設施方面應注重城市建成區內的淹沒區分布，依據當地的城市規劃中市政排水設施分布情況，對內澇結果作出進一步的排查與防控。

2.2 水系提取與匯水區劃分

運用GIS對填挖后的DEM數據做出水文流量和流向運算，利用改進的水體指數法(MNDWI)對特征波段間的差值計算，從而更精準的獲得水體斑塊。

(1)

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

經過反復的人工解譯對數據進行了修正，計算閩三角水體的流向與水文信息并劃定匯水分區(圖3)，為了確保計算的精度，將研究區匯水分區劃分為87塊。(廈門市25塊，漳州市32塊，泉州市30塊)，根據各匯水分區的地類屬性，在下文設定對應的土壤相關參數。

圖3 匯水區劃分

2.3 SCS-CN淹沒體積計算

研究區流域資料較為缺乏且地勢復雜，雨水不宜流出，內澇災害風險隱患較大[26]。鑒于此，利用自然地形而非人工排水管網設施選擇 SCS-CN 模型計算，其中涉及到土壤相關參數CN (Curve Number)，它是暴雨過程初期表現出的地塊綜合特征值，與土地下墊面及土壤情況有關，本研究CN參數來自于國際上認可且兼容性高的美國工程手冊[27]。

依據歷年閩三角年降雨量與降雨頻次的統計，本研究選取閩三角地區降雨重現期為5 a、10 a、50 a一遇的三種情景。基于水文SCS-CN公式，計算得到閩三角各匯水分區三種情景下的徑流量，所得結果與各匯水面積的乘積即為該區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為最大可能儲水量(mm) ；λ為初損率，無量綱，通常以λ=0.2計算。

2.4 數據歸一化計算

本文涉及到多種因素的疊加計算，選用 min-max標準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的標準化值，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險分布Y的空間分異特性，并探測相關因子X在Y中的解釋程度。本文變量因子X為廈門市高程、坡度、水網密度、土地利用、人口容量、人口密度、GDP和城鎮化率[28]。其優點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 內澇災害高頻發地區分布情況

(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，σ2是Y值的方差，其中q值區間為[0,1]。

3 結果與分析

3.1 內澇淹沒區全域空間識別

閩三角城市群內澇淹沒區空間上呈現沿河道向入海口與海岸線聚集的狀態，主要集中在九龍江、晉江、西溪入海口處，其風險性由海岸向內陸逐步遞減，并且河網密度高的匯流口出現部分積水現象。按重現期等級劃分評價結果為三類等級，重現期5 a一遇時為一類風險等級占研究區的10.2%。重現期10 a一遇時為二類風險等級占研究區14.6%。重現期50 a一遇時為三類風險等級占研究區27.4%(圖4)。

圖4 內澇淹沒區風險評價圖

各城市的淹沒結果分別為廈門淹沒面積圖斑為135.67 km2，漳州市淹沒區的總面積約為304.10 km2，泉州市淹沒區的總面積約為572.09 km2。廈、漳、泉三市的一類風險區占各市總面積分別為84%，78%，62%(圖5)。經檢驗，本文評價結果與廈門市同安區和集美區，漳州市龍文區，泉州市鯉城區內澇易發地段實際情況有較高一致性。

圖5 具體的淹沒區風險評價

依據市政部門提供的統計數據篩選出20個閩三角區域主要水庫，將評價結果與水庫地理位置、承載能力進行校對，發現水庫的當年年末需水量均未超過正常水位庫容，在閩三角區域內水庫區域尚無出現潰壩等積水外溢現象，后根據承載量對評價結果修正。研究表明在整個區域內主要考慮自然下墊面產生的內澇問題，并指出城鄉建設用地(重點地段)范圍內出現的高風險淹沒區位置，為空間規劃與市政管網布局提供參考依據。

3.2 重點地段內澇淹沒區識別

結合閩三角城市群土地利用布局情況與高頻發區域的空間聯系，確定20處典型受損空間，具體情況如下：在廈門市中淹沒區位于本島入海口，同安區與集美區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。中心城區南溪以建設區處于易被淹沒范圍，其中榜山、石碼、海橙三鎮尤為嚴重。泉州主要分布在晉江流域及其支流(包括中心城區、南安市區)，永春縣和安溪縣內東溪與晉江及其交匯處等。

3.3 淹沒風險與社會生態系統的空間異質性識別

社會生態系統與環境本底情況，城市發展強度兩類密切相關[29]。基于地理探測器對社會生態要素展開淹沒區進行空間異質性分析(圖7)。在自然環境層面選擇高程、坡度、自然地形、水網密度、土地類型要素，在城市開發強度層面選擇GDP、人口容量、人口密度、城鎮化率為核心要素。在探測器的因子分析中，q越大表示對淹沒區的解釋力越強，以閩三角區域為單位，水網密度(0.210)>高程(0.152)>城鎮化率(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)。水網與高程因素對其他要素有明差異性，其中水網分布與高程共同作用下的分布呈現最為明顯的雙因子增強效果(0.29)。特別是在城鄉空間分布中，淹沒區多位于地勢低洼或地形起伏較大的山體周邊的鄉村地區，以及水網密度較大的城鄉交錯帶地區。受到地形與發展要素制，其承災能力不足難以應對積水。因此在建設過程中應該注意地形與水網密集地段，提升水網的連通度可有助于積水的排出。

圖7 淹沒區在社會生態系統要素的空間分布

表1 淹沒風險與社會生態系統多因子空間分異q、p值

將城市開發強度劃分為高強度和低強度開發，并與內澇淹沒區的類風險等級相匹配，依據開發強度與風險預警程度劃分為三類，提出有助于城市規劃與雨洪防控的三角城鎮群內澇風險防控分區[30](表2)，即保護與限制建設區、韌性提升或環境改善區、適度開發建設區。以此增加國土空間規劃與各相關專業在規劃與實施過程中的應用參考。

表2 閩三角內澇防控分區

4 結論與展望

4.1 結論

暴雨導致的城市內澇災害是當前我國濱海城市頻繁面臨的災害，對城市經濟和人民生活產生重大影響。本文分析了暴雨的產流過程，通過耦合SCS-CN與GIS技術，計算出不同暴雨重現期下的淹沒范圍，評估閩三角城市群內澇淹沒區風險，結論如下：

(1)閩三角城市群內澇淹沒區空間上呈現沿河道向入海口與海岸線聚集的狀態，主要集中在九龍江、晉江、西溪入海口處，風險等級根據重現期(5 a，10 a，50 a)分為三類，一類、二類、三類風險等級占閩三角區域的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、泉三市的一類風險區占各市總面積分別為84%，78%，62%。

(3)內澇高頻發地段(一類風險區)主要位于廈門同安區，集美區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、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)分析淹沒風險分布與社會生態系統的因子間空間異質關系。閩三角地區水網密度(0.210)>高程(0.152)>城鎮化率(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)，規劃建設中應注重水網與地形高程的關系。同時根據城市開發強度與淹沒范圍，提出閩三角城市群內澇風險防控分區。

4.2 展望

在城市建設方面，針對高風險地段通過后續的規劃加強市政管網設施的等級，特別是對于一類風險區淹沒范圍，如廈門思明區、漳州龍文區，泉州鯉城區等高風險—高強度開發的城市，需確保管網等級至少滿足5 a一遇標準，中心城區建議提升至10 a一遇標準，并在暴雨超標時有完備的應急預案。考慮到建設過程中可能受到空間約束限制的老城區如廈門本島，漳州薌城等，宜增加屋頂花園與雨水池等綠色基礎設施，間接削減管道的徑流雨水量，避免洪峰外溢現象。在生態環境方面，對于風險等級為第二、三級地區應加強水系與城市建設用地間的生態化的過渡區域(包括濕地，林地等生態空間)的連續性。適當采用退耕換綠的方式，在短歷時暴雨過程中快速降低雨水徑流量，平衡城市水系的“泄”與“蓄的關系。在后續的研究中，評價結果可在風險控制點、疏散廊道、防災分區等空間規劃方面作出更全面的應用。

本研究尚存在不足之處，在后續研究中增強高程數據的精度，提升內澇淹沒區識別的精準程度，為市政管網規劃提供更準確的依據。同時結合海綿城市管控平臺的反饋信息進一步深化與完善內澇防控研究。