西寧市多尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

田子陽(yáng)，褚俊英，林永壽，周祖昊

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.加州大學(xué)戴維斯分校土木與環(huán)境工程系，加利福尼亞州 戴維斯 95616；3.青海西寧環(huán)境綜合治理利用世行貸款項(xiàng)目建設(shè)辦公室，青海 西寧 810001)

近年來(lái)，伴隨著全球變暖的氣候環(huán)境變化，中高緯度地區(qū)呈現(xiàn)降水增加的趨勢(shì)，且極端降水的頻次和強(qiáng)度不斷攀升；另一方面，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市不透水面積占比增加、原有管道設(shè)計(jì)不滿足實(shí)際需求等負(fù)面因素相繼產(chǎn)生。綜合作用下，大量降雨在城市地表形成積水無(wú)法及時(shí)排除，進(jìn)而形成城市內(nèi)澇，對(duì)人民的生命與財(cái)產(chǎn)安全、城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然生態(tài)的穩(wěn)定均構(gòu)成極大威脅。因此，對(duì)易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害的城市進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義。

城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要包括3種：歷史災(zāi)情法、指標(biāo)體系法、情景模擬法。歷史災(zāi)情法是基于歷史災(zāi)情數(shù)理統(tǒng)計(jì)的內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)估方法。該方法思路清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單，只需要有長(zhǎng)時(shí)間序列的歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)，但也存在一些問(wèn)題：①多適用于流域尺度評(píng)估，較難適用于城市尺度[1]；②存在由有限樣本和數(shù)據(jù)稀少引起的偏差問(wèn)題[2]；③由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日趨完善、海綿城市等新理念的提出與落實(shí)，若干時(shí)長(zhǎng)前的歷史災(zāi)情是否對(duì)當(dāng)下及未來(lái)的災(zāi)情評(píng)估具有足夠高的參考性尚存疑問(wèn)。夏興生等[3]提出基于最小距離法建立歷史案例與當(dāng)前災(zāi)害的相似度判斷模型，對(duì)模型不斷修正，以提高預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可信度，但依舊難以解決根本問(wèn)題。指標(biāo)體系法是基于指標(biāo)體系進(jìn)行城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法。該方法基于“三因子論”，即認(rèn)為城市內(nèi)澇災(zāi)害是致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體的綜合函數(shù)。目前指標(biāo)體系法的應(yīng)用多集中于城市尺度分析，受限于數(shù)據(jù)量及指標(biāo)選取，無(wú)法為街道、街區(qū)等尺度的內(nèi)澇對(duì)策提供精確指導(dǎo)。另一方面，關(guān)于指標(biāo)體系法的研究多集中于權(quán)重的分配，目前國(guó)內(nèi)多采用層次分析(analytical hierarchy process, AHP)法進(jìn)行權(quán)重設(shè)定，但AHP法本身存在一定局限性，兩兩比較法所得出的專(zhuān)家意見(jiàn)和分析者意見(jiàn)結(jié)果具有較強(qiáng)的主觀性，權(quán)重值也依賴于指標(biāo)之間的聯(lián)動(dòng)性。因此，AHP法逐漸與其他方法耦合，如主成分分析法[4]、P-S-R模型[5]、模糊數(shù)學(xué)方法[6]等，使得該方法不斷完善以提高應(yīng)用價(jià)值。近些年來(lái)為了應(yīng)對(duì)不確定性，基于概率的貝葉斯方法(Bayesian model averaging, BMA)、熵權(quán)法等技術(shù)方法也得到應(yīng)用，以降低評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性。情景模擬法能直觀且高精度地反映一定概率的致災(zāi)因子導(dǎo)致的災(zāi)害事件的影響范圍與程度，給出城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的空間分布特征，已在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。目前學(xué)者多借助模型軟件開(kāi)展相關(guān)研究，如向小華等[7]針對(duì)二維水動(dòng)力模型應(yīng)用于城市內(nèi)澇模擬時(shí)，在大尺度區(qū)域或精細(xì)分辨率情形下運(yùn)行耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，通過(guò)耦合SWMM模型和LISFLOOD-FP模型構(gòu)建城市內(nèi)澇模型，采用GPU的并行計(jì)算技術(shù)加速城市二維內(nèi)澇模型的運(yùn)算；曾鵬等[8]利用IFMS模擬成都市暴雨內(nèi)澇，以得到積水深度結(jié)果；袁紹春等[9]利用Infoworks模擬重慶市降雨，為老城區(qū)海綿改造提出針對(duì)性方案；欒震宇等[10]利用MIKE FLOOD平臺(tái)模擬婁底市新化縣暴雨，對(duì)區(qū)域管網(wǎng)維護(hù)和改造進(jìn)行了探討。該方法利用大量的數(shù)據(jù)資料與復(fù)雜精密的計(jì)算程序，能更加適配于街區(qū)等較小尺度內(nèi)澇分析，但這些特點(diǎn)同時(shí)也制約著其大范圍推廣。

綜合上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)，梅超[11]提出了“城市-街區(qū)-設(shè)施”多尺度評(píng)價(jià)框架，并以北京為例進(jìn)行了分析；焦勝等[12]提出了“干管-支管-場(chǎng)地”多尺度評(píng)價(jià)框架，并以長(zhǎng)沙為例進(jìn)行了評(píng)價(jià)。而受限于時(shí)間及空間因素影響，不同城市的集成方法往往需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。本研究結(jié)合西寧市有關(guān)特征，面向宏觀規(guī)劃、中觀設(shè)計(jì)以及微觀應(yīng)急等現(xiàn)實(shí)需要，對(duì)西寧市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了“宏-中-微”多尺度評(píng)價(jià)，以精確滿足研究區(qū)內(nèi)宏觀規(guī)劃、應(yīng)急方案制定、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)保險(xiǎn)等不同尺度需求，以期將多尺度進(jìn)行整合，得到針對(duì)西寧市的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合結(jié)果。

1 研究區(qū)概況

西寧市是青海省的省會(huì)，位于青海省東部，坐落于湟水中游河谷盆地，四面環(huán)山，三川會(huì)聚，是全省政治、經(jīng)濟(jì)、科技、文化、交通中心。因其扼青藏高原東方之門(mén)戶，自古就是西北交通要道和軍事重地，素有“西海鎖鑰”“海藏咽喉”之稱(chēng)；又因其作為古“絲綢之路”南路和“唐蕃古道”的必經(jīng)之地，具有淵遠(yuǎn)流長(zhǎng)的歷史文化和得天獨(dú)厚的自然資源。本研究范圍包括西寧市城東區(qū)、城中區(qū)(含城南新區(qū))、城西區(qū)、城北區(qū)、海湖新區(qū)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，總面積380 km2(圖1)。研究區(qū)為城市密集建成區(qū)，以居民房屋、商業(yè)用地為主，建筑密度高，總不透水地面占總面積的66.5%，綠地率僅為26.8%。以國(guó)家氣象局西寧站1954—2018年的日均降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到西寧站多年平均降水量為389.7 mm，最大值為541.2 mm(1967年)，最小值為196.2 mm(1966年)。

圖1 研究區(qū)域

2 多尺度內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

2.1 總體構(gòu)架

考慮西寧市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)尺度效應(yīng)，參考前文所述有關(guān)研究并結(jié)合西寧市區(qū)位特征，確定西寧市多尺度內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)總體構(gòu)架。城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)包括宏觀尺度、中觀尺度和微觀尺度，根據(jù)評(píng)估尺度的不同，采用不同的評(píng)價(jià)方法，并最終進(jìn)行多尺度的綜合。其中，宏觀尺度通過(guò)指導(dǎo)城市宏觀規(guī)劃、加強(qiáng)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)宣傳等方式，面向整個(gè)城區(qū)，對(duì)應(yīng)城市規(guī)劃中的總體規(guī)劃層面；中觀尺度通過(guò)局部積水點(diǎn)改造、局部應(yīng)急方案制定等方式，面向街區(qū)單元，對(duì)應(yīng)城市規(guī)劃中的控制性詳細(xì)規(guī)劃街區(qū)層面；微觀尺度通過(guò)推廣內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)保險(xiǎn)、滿足預(yù)警信息靶向推送[13]等方式，面向城市特定損失單元，對(duì)應(yīng)具體的城市應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案制定層面。

2.2 各尺度評(píng)價(jià)方法

2.2.1宏觀尺度

宏觀尺度根據(jù)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)“三因子論”，采用指標(biāo)體系法結(jié)合熵權(quán)法進(jìn)行城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。依據(jù)系統(tǒng)性、代表性、可操作性原則，按照致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境暴露性、承災(zāi)體脆弱性3個(gè)方面選取指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體見(jiàn)表1。

表1 宏觀尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其數(shù)據(jù)來(lái)源

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)具有不同量綱，需要對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。正向、負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理公式分別為

(1)

(2)

式中：Yij為指標(biāo)i在柵格j的標(biāo)準(zhǔn)化值；Xij為指標(biāo)i在柵格j的指標(biāo)值；Ximax為指標(biāo)i的最大值；Ximin為指標(biāo)i的最小值。

按照信息論基本原理，信息是系統(tǒng)有序程度的度量，熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的度量。根據(jù)信息熵的定義，對(duì)于某項(xiàng)指標(biāo)，可以用熵值來(lái)判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度，其信息熵值越小，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響(即權(quán)重)就越大，如果某項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值全部相等，則該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中不起作用。權(quán)重計(jì)算公式為

(3)

式中：wij為指標(biāo)i在柵格j的權(quán)重；Ei為指標(biāo)i的熵值；n為指標(biāo)數(shù)，本研究中n=5；m為柵格數(shù)。

在對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以及確定熵權(quán)后，利用加權(quán)求和的方法進(jìn)行城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算，得到各柵格單元的宏觀城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值Rj：

(4)

Rj為0～1之間數(shù)值，在等級(jí)劃分方面，目前主要的方法有自然間斷法、相等間隔法、分位數(shù)法、均值-標(biāo)準(zhǔn)差法以及隸屬度函數(shù)法等[2]。其中，自然間斷法是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所研制并應(yīng)用在ArcGIS中的一種分級(jí)方法。該方法使相同分割等級(jí)內(nèi)的數(shù)據(jù)相似值最優(yōu)，不同分級(jí)間的數(shù)據(jù)差距最大，使得分級(jí)數(shù)據(jù)間的突變更加明顯。該方法實(shí)用性強(qiáng)，已在干旱、洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃中廣泛應(yīng)用，本文采用該方法對(duì)宏觀尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行區(qū)劃，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)取值范圍為0～0.48，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)取值范圍為0.48～0.6，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)取值范圍為0.6～0.85。

2.2.2中觀尺度

在中觀尺度評(píng)價(jià)時(shí)，利用SWMM模型和中國(guó)水科院自主研發(fā)的IFMS(integrated flood modeling system)洪水分析軟件[14-16]在研究區(qū)構(gòu)建水文水力學(xué)模型。結(jié)合美國(guó)EPA SWMM模型應(yīng)用手冊(cè)與相關(guān)文獻(xiàn)確定城市水文水動(dòng)力學(xué)模型各參數(shù)的取值范圍并設(shè)置初始值。將排干時(shí)間、霍頓最大下滲速率、霍頓穩(wěn)定下滲速率、霍頓衰減常數(shù)、曼寧系數(shù)、糙率系數(shù)、洼蓄量作為率定參數(shù)，采用20130823、20140627、20170726、20180630、20190830共5場(chǎng)典型暴雨的降水量和積水深觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)西寧市水文水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)率定，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)率定結(jié)果

依據(jù)SL 250—2000《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的要求，采用相對(duì)誤差法作為預(yù)報(bào)誤差指標(biāo)，對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)定。利用2020年8月29日西寧市實(shí)測(cè)暴雨與積水深觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，共收集西寧市主城區(qū)14個(gè)雨量站3 h降水量數(shù)據(jù)。在模型中確定各雨量站位置及對(duì)應(yīng)降水量數(shù)據(jù)，并將降雨站數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，采用泰森多邊形法對(duì)各多邊形范圍內(nèi)的水文響應(yīng)單元進(jìn)行雨量分配。各雨量站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 2020年8月29日西寧市暴雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

西寧市排水公司的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，2020年8月29日西寧市博雅路路段積水較為嚴(yán)重，最大積水深達(dá)到1.5 m。利用構(gòu)建的城市水文水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行量化模擬，結(jié)果表明：博雅路段模擬最大積水深度為1.57 m，相對(duì)誤差為4.67%；柴達(dá)木路路段最大積水深度為0.66 m，實(shí)測(cè)積水深度為0.63 m，相對(duì)誤差為4.54%，相對(duì)誤差均小于20%。西寧市城區(qū)12個(gè)現(xiàn)狀調(diào)查的積水點(diǎn)中，11個(gè)積水點(diǎn)與模擬結(jié)果位置相吻合，積水點(diǎn)重合率約91.7%，表明模型具有一定可靠性。采用該模型模擬2年一遇、5年一遇重現(xiàn)期下的降雨產(chǎn)匯流過(guò)程，得到不同重現(xiàn)期下各格柵的單元積水深度，根據(jù)相關(guān)研究以及《城市內(nèi)澇防治規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》，將城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)分為3個(gè)等級(jí)：≥40 cm為高風(fēng)險(xiǎn)，≥15 cm且<40 cm為中風(fēng)險(xiǎn)，<15 cm為低風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3微觀尺度

在中觀尺度不同重現(xiàn)期積水深度的基礎(chǔ)上，以財(cái)產(chǎn)損失為中心，采用水深-災(zāi)損率曲線結(jié)合經(jīng)濟(jì)總量進(jìn)行微觀尺度的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。在災(zāi)損曲線方面，很多學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，如，石勇[17]在上海市采用基于系統(tǒng)調(diào)查的合成法構(gòu)建建筑物的水災(zāi)災(zāi)損曲線；姚思敏[18]利用合成法對(duì)京津冀地區(qū)暴雨內(nèi)澇財(cái)產(chǎn)損失進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與水深擬合得到災(zāi)損曲線。災(zāi)損曲線常以多項(xiàng)式函數(shù)形式出現(xiàn)，董姝娜等[19]的研究利用三次多項(xiàng)式擬合，Yu等[20]的研究利用五次多項(xiàng)式擬合，隨著多項(xiàng)式次數(shù)的提高，擬合效果越好，但其參數(shù)方程也更加復(fù)雜。水深-災(zāi)損率關(guān)系主要基于歷史數(shù)據(jù)確定，本研究采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行模擬，其災(zāi)損率擬合方程為

(5)

(6)

式中：b0、b1、b2、b3為系數(shù)，分別取-0.103 1、0.630 8、0.013 47、-0.035 21；y2j、y5j為別為2年一遇和5年一遇重現(xiàn)期下各格柵單元的災(zāi)損率；h2j、h5j分別為2年一遇和5年一遇重現(xiàn)期下各格柵單元的模擬水深。

在經(jīng)濟(jì)總量方面，選取GDP指標(biāo)，根據(jù)土地利用類(lèi)型分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各格柵單元的經(jīng)濟(jì)總量大小。利用災(zāi)損曲線的災(zāi)損率與經(jīng)濟(jì)總量的乘積，得到城市內(nèi)澇不同積水深度對(duì)應(yīng)的財(cái)產(chǎn)損失估計(jì)值，計(jì)算公式為

D2j=y2jFj

(7)

D5j=y5jFj

(8)

式中：D2j、D5j分別為2年一遇和5年一遇重現(xiàn)期下各格柵單元內(nèi)的財(cái)產(chǎn)損失值；Fj為各格柵單元內(nèi)的GDP值。

2.2.4多尺度綜合

在宏觀、中觀、微觀3個(gè)尺度的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)行西寧市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)綜合分析。采用AHP法，建立對(duì)應(yīng)的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，按照得到的權(quán)重對(duì)各尺度下的指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合集成，基于排水分區(qū)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)與疊加分析，得到城市內(nèi)澇綜合風(fēng)險(xiǎn)的分布?；趩?wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)與專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)判斷，確定宏觀、中觀、微觀3個(gè)尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重系數(shù)，評(píng)價(jià)體系見(jiàn)圖2，括號(hào)中為權(quán)重。

圖2 西寧市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)體系

3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

西寧市雨水排水分區(qū)的劃定依據(jù)如下基本原則：①遵循西寧市城市排水規(guī)劃目標(biāo)和排水體制；②利用西寧市有利地形、洪溝等特征及便利條件；③充分保留與利用原有城市雨水排水設(shè)施，盡量以行政區(qū)和河道等自然條件劃分；④結(jié)合西寧市正在建設(shè)的海綿城市規(guī)劃，根據(jù)海綿城市管控分區(qū)進(jìn)行雨水分區(qū)的管理與建設(shè)。將西寧市主城區(qū)劃分成36個(gè)排水分區(qū)，其中，城西10個(gè)，城北9個(gè)，城東10個(gè)，城南7個(gè)，如圖3(a)所示?；谖鲗幨?019年主城區(qū)GIS空間分析以及其他調(diào)查與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲得地表不透水率、排水管網(wǎng)密度、高程、地形坡度和人口密度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化空間分布，如圖3(b)～(f)所示。采用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，最終得到排水管網(wǎng)密度權(quán)重0.124，高程權(quán)重0.337，地形坡度權(quán)重0.119，地表不透水率權(quán)重0.098，人口密度權(quán)重0.322。

(a)排水分區(qū)

本研究采用2018年西寧市主城區(qū)GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2018年西寧市主城區(qū)GDP值為1 004.08億元，其中城北區(qū)193.95億元，城西區(qū)245.23億元，城中區(qū)352.16億元，城東區(qū)212.74億元。在ArcGIS軟件中，按照已有GDP經(jīng)濟(jì)分布數(shù)據(jù)及土地利用類(lèi)型進(jìn)行賦值與計(jì)算，得到西寧市GDP柵格分布，見(jiàn)圖4。

圖4 西寧市GDP分布

4 多尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

4.1 宏觀尺度評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5為西寧市宏觀尺度內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。西寧市現(xiàn)狀積水點(diǎn)12個(gè)，位于中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的現(xiàn)狀積水點(diǎn)共計(jì)11個(gè)，占總數(shù)的91.7%，總體上能夠反映主城區(qū)宏觀尺度上城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)情況。如前文所述，西寧市四面環(huán)山，城市呈“十”字分布的特征，從宏觀尺度評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，宏觀尺度下的中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以“十”字交匯處為中心向外擴(kuò)散式分布。從地理特征角度分析，這是由于西寧市中心城區(qū)主要位于兩山相夾的山谷中，地形坡度較緩，地理高程較低；從社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度分析，雖然中心城區(qū)城市化程度高，有較為完備的排水管網(wǎng)系統(tǒng)，但同時(shí)人口密度較大，以及受城市化導(dǎo)致的地表不透水率增加影響。

圖5 宏觀尺度評(píng)價(jià)結(jié)果

4.2 中觀尺度評(píng)價(jià)結(jié)果

利用構(gòu)建的西寧市水文水動(dòng)力學(xué)模型，模擬西寧市2年一遇和5年一遇降雨歷時(shí)為2 h條件下的積水深度，按照相應(yīng)內(nèi)澇等級(jí)劃分，依據(jù)積水深度將風(fēng)險(xiǎn)劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)等級(jí)，圖6為西寧市中觀尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。表4為不同重現(xiàn)期下積水深度所占面積及比例情況，從積水深度來(lái)看，最大積水深度隨著降雨重現(xiàn)期的增大而增大，2年一遇和5年一遇對(duì)應(yīng)的最大積水深度分別為1.45 m和1.63 m。道路因集水面積小，且路面高程普遍低于周?chē)孛妫虼说缆返姆e水深度明顯大于其他用地類(lèi)型。由不同重現(xiàn)期的積水深度分布比例可以看出，對(duì)于2年一遇降雨，積水深度大于5 cm的地區(qū)面積為92.93萬(wàn)m2；對(duì)于5年一遇降雨，積水深度大于5 cm的地區(qū)面積為177.86萬(wàn)m2，增加了91.41%。其中積水深度30～40 cm的地區(qū)面積漲幅最為明顯，達(dá)到1 485.14%，但各重現(xiàn)期下其所占比例依舊較低，在積水深度15～30 cm及大于40 cm間形成斷層，積水深度大于5 cm的面積范圍均持續(xù)擴(kuò)大，積水深度大于40 cm面積增長(zhǎng)幅度相對(duì)不明顯，西寧市主城區(qū)積水深多分布在5～40 cm，但個(gè)別積水點(diǎn)需著重關(guān)注。

表4 不同重現(xiàn)期下積水深度所占面積及比例

(a)2年一遇

4.3 微觀尺度評(píng)價(jià)結(jié)果

將模型輸出的不同降雨重現(xiàn)期下的積水深度導(dǎo)入ArcGIS，最大積水深度涵蓋范圍內(nèi)的各排水分區(qū)，并將其積水深度值代入公式中計(jì)算城市各排水分區(qū)內(nèi)的災(zāi)損率，進(jìn)而得出2年一遇和5年一遇降雨模擬下內(nèi)澇積水可能造成的經(jīng)濟(jì)損失，得到西寧市微觀尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)圖7。從該尺度結(jié)果可以看出，受中觀尺度模擬結(jié)果影響，損失集中區(qū)域?yàn)榉e水現(xiàn)象較為普遍的20和22排水分區(qū)。對(duì)比不同重現(xiàn)期模擬下的損失結(jié)果，2年一遇模擬下，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于城市主要積水且地區(qū)GDP較高處，但在5年一遇模擬下，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)沿城市主要河道湟水河呈散點(diǎn)式出現(xiàn)。除由于GDP較高導(dǎo)致積水深度影響效果凸顯外，造成積水的本身原因也值得關(guān)注。通過(guò)回看IFMS排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，中心城區(qū)呈現(xiàn)由河道向兩側(cè)山峰的垂直河流方向的發(fā)展趨勢(shì)。因此，排水系統(tǒng)下游為坡度較緩處的老舊管道，管道管徑未隨城市發(fā)展進(jìn)行調(diào)整，存在部分“大管接小管”現(xiàn)象，造成積水和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的沿河分布現(xiàn)象。

(a)2年一遇

4.4 尺度綜合

表5為各排水分區(qū)各尺度內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。宏觀、中觀、微觀3個(gè)尺度加權(quán)計(jì)算，得到西寧市內(nèi)澇的綜合風(fēng)險(xiǎn)分布，排水分區(qū)22、20、25、10、31、21、3、4、7處于綜合高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)；排水分區(qū)18、5、12、6、35、19、23、27、11、33、9、30、13、29、26、15處于綜合中風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)；排水分區(qū)1、2、8、14、16、17、24、28、32、34、36處于綜合低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。

表5 各排水分區(qū)各尺度內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié) 論

a.根據(jù)西寧市的特點(diǎn)，構(gòu)建了“宏-中-微”多尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。其中，宏觀尺度采用排水管網(wǎng)密度、高程、地形坡度、地表不透水率、人口密度5個(gè)指標(biāo)，利用熵權(quán)法加權(quán)計(jì)算；中觀尺度采用SWMM和IFMS模擬不同重現(xiàn)期下的降雨得到積水深度結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)；微觀尺度依據(jù)中觀尺度不同重現(xiàn)期下的積水深度結(jié)果，采用水深-災(zāi)損曲線的量化方法進(jìn)行區(qū)域損失評(píng)估。

b.根據(jù)西寧市的多尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，西寧市36個(gè)排水分區(qū)中，排水分區(qū)22、20、25、10、31、21、3、4、7處于綜合高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)；排水分區(qū)18、5、12、6、35、19、23、27、11、33、9、30、13、29、26、15處于綜合中風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。

c.得到的西寧市多尺度城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)西寧市未來(lái)的城市基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)、城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)宣傳教育、城市內(nèi)澇預(yù)警與應(yīng)急預(yù)案制定以及城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)管理具有一定的參考價(jià)值。