城市內澇風險評估及風險管理對策研究

馮 博，朱建國，佘 磊

（江蘇省城市規劃設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

近年來，城市內澇嚴重威脅人民群眾生命財產安全，快速城鎮化和基礎設施短板問題使得城市面臨強降雨時往往逢雨必澇［1，2］。對城市內澇風險進行科學評估并提出針對性措施是降低內澇損失的有效途徑。邱健等［3］采用模型軟件對雨水管道過流能力進行分析評估，采取管網改造等措施消除積水點；于磊等［4］構建了北京城市副中心的內澇風險評估指標體系，提出應關注河道水位、管網排水能力、地形高程等多因素影響下的內澇問題；欒震宇等［5］采用情景模擬法對城市內澇進行模擬，提出應針對管網、河道等基礎設施短板針對性進行改造。王俊佳等［6］采用情景模擬法模擬了不同設計工況下城市內澇積水情況，并以此評估城市內澇風險?；诂F有研究成果發現，內澇風險多采用情景模擬法或指標體系法進行評估，由于城市層面的雨水排放體系更為復雜，內澇成因更為多元，對應手段也更為豐富，在進行城市層面的風險評估和應對時，更應結合用地布局、功能分區等因素，豐富城市內澇風險評估的內涵，注重綠色基礎設施建設，采取因地制宜的風險應對手段［7］。

本文針對常州市某片區的內澇風險隱患，將情景模擬法和指標評估法相結合，構建了基于災害危險性、脆弱性和暴露性的城市內澇風險評估體系，完成城市內澇風險圖繪制。針對城市內不同區域的風險特征，提出了方案優化調整、風險避讓和風險應對等解決方案，為完善城市內澇安全體系提供科學支撐。

1 研究區概況

研究區域位于長江三角洲太湖平原西北部，常州市南部城區，總面積約220 km2，其中建設用地141 km2。區域內平原寬廣，地勢低平，河網稠密，具有典型的“江南水鄉”自然風貌。多年平均降雨量1 124 mm，降雨主要集中在夏秋兩季，其中6-9月雨量占60%以上。

經過多年的建設活動，本地區防澇系統已形成了依托城市防洪外河為屏障、以內河-閘站設控為主的水利系統與排水管網系統相結合的工程體系，遵循“高水高排、低水低排”原則，城區形成高水自排區（地面高程高于洪水位3.9 m）和低水抽排圩區。

2 數據與方法

2.1 數據資料

根據研究需要，收集研究范圍內相關資料。其中，建設用地類型主要來源于城區現狀用地圖和地形圖；河道、泵站、雨水管網、降雨資料等來源于排水設施普查資料［8，9］。

2.2 模型構建

2.2.1 模型框架

采用MIKE FLOOD 軟件構建內澇模型。其中，利用MIKE11 構建河道水動力模型，模擬河網中的非恒定流；利用MIKE21 構建地表漫流模型，模擬積水在地面上的流動；利用MIKE URBAN 構建排水管網模型，模擬雨水在管網中的流態；基于MIKE FLOOD 平臺耦合上述模型，分析積水區域和積水深度等。

2.2.2 模型概化

對區域內承擔主要排澇能力的河道進行概化，將武南河、采菱港、漕橋河等河道基于實測斷面構建河道文件，河道糙率為0.022，共概化形成河道146 條，總長31.3 km。導入雨水主干管的埋深、坡度、粗糙度等信息，共概化管段759.3 km、排水口1 052 個、檢查井23 222 個。將不同下墊面賦予不同徑流系數（其中，建筑與小區為0.6，道路為0.85，公園綠地為0.15，其他用地為0.5），采用加權計算匯水區徑流系數。

2.3 設計降雨

采用短歷時降雨對雨水管道進行評估。短歷時120 min 降雨采用芝加哥雨型，雨峰系數采用0.4，1 年一遇、2 年一遇、3 年一遇、5 年一遇的120 min 降雨量分別為39.98、45.74、49.11、53.35 mm。

采用長歷時對地表積水深度和時間進行評估。對研究區域最大24 h、最大6 h 和最大1 h 降雨資料進行頻率分析，根據1991 年典型降雨雨型對設計降雨進行同頻縮放，研究區域30年一遇24 h總降雨量約188.5 mm。

2.4 模型率定

通過水文監測數據與模擬數據比較進行模型校準，合理確定水文參數，減少模型誤差。

選取2021 年3 月21 日監測點實測降雨流量數據進行模型驗證。經分析，模擬管道流量和監測數值誤差相對較小，納什系數為0.78。對比實測積水和模擬積水情況，有77%的積淹水點積水深誤差小于0.10 m。故認定本模型精度基本滿足要求。

3 內澇風險評估

內澇風險評估的方法主要有歷史災情法、情景模擬法、指標體系評估法等，其中，基于指標體系評估的方法應用較為廣泛，能夠全面科學的評估城市內澇風險的大小［10-12］。本文將情景模擬結果納入指標體系，基于層次分析法（AHP）構建多因子比較判斷矩陣確定各因子的權重系數，綜合評估內澇風險。

圖1 模型率定Fig.1 Model calibration

圖2 典型內澇風險因子評估圖Fig.2 Assessment of typical waterlogging risk factors

3.1 風險評估指標體系構建

內澇風險評估體系主要分為目標層、準則層和指標層。以內澇風險作為目標層，準則層采用危險性（H）、脆弱性（S）和暴露性（E）三方面致災因素［13］，指標層詳見表1。

表1 城市內澇災害主要風險評估因子表Tab.1 Main risk assessment factors of urban waterlogging disaster

危險性的指標層包括情景模擬法得到的積水深度和積水時長。積水深度越大，積水時間越長，表明內澇災害的危險性越大。本研究采用管網、二維地表徑流及河道模型耦合進行情景模擬，對30年一遇設計降雨工況下的研究區積水情況進行模擬，將積水深度和積水時間各分為5個等級。

脆弱性的指標層包括管網排水能力和場地地面高程［14］。在平原水網地區，豎向高程越高排澇越有利；管道排水能力越強，內澇災害的恢復力和應對能力越強。根據外洪水位和排澇水位將城區高程以內河常水位、內河最高水位、外河20 年一遇洪水位、外河100 年一遇洪水位等特征水位劃分5 個高程等級。采用水力模型進行一維管道水力模擬，通過不同重現期降雨標準下各管段的水力坡降線來評估管段的排水能力，重現期標準分為5個等級。

暴露性的指標層包括區域重要性和開發建設強度［15］。采用人員聚集度反應區域重要性，本研究選取人員活動熱力圖為數據源分析人員聚集情況。研究發現，白天辦公場所、商場、醫院區域的熱度較高，呈點狀分布；夜晚商場周邊、居住區人員密集，呈片狀分布；學校等區域人員始終保持較高的聚集度。將地區重要性指標分為重要地區和一般地區兩類，其中，重要地區包括人員較為聚集的辦公場所、商場、醫院及學校等建設用地。建設密度是表征建設用地強度的重要指標，根據用地開發情況和影像圖解譯分析，將建筑密度分為5個等級。

3.2 風險因子權重

按照層次分析法構建內澇評估指標體系，采用1～9 的比例標度對每一層的指標就其重要性進行兩兩比較，建立矩陣模型，計算每一層的權重系數，并對判斷矩陣一致性檢驗。經判斷，一致性比例CR值為0.051 6，計算結果低于0.1，滿足一致性檢驗要求。

為有效計算各影響因素對災害風險程度，需對指標進行一致化和無量綱處理。研究采用自然間斷點法將每個指標按照對城市內澇風險影響劃分為高、較高、中、較低、低風險5 個等級，并分別賦予5、4、3、2、1分值表征對內澇風險的影響程度，如表1所示。

3.3 內澇風險分析

結合風險因子的權重和分級賦值計算研究區域風險度，內澇風險度為危險性、暴露性和脆弱性的加權計算之和，如下式所示:

式中:w1i、w2i、w3i代表指標層權重；Hi、Si、Ei代表指標層分數；R代表內澇風險。

根據研究區風險分布，將其劃分為低風險區域、中風險區域、較高風險區域及高風險區域共4個級別，具體圖3所示。

圖3 內澇風險評估Fig.3 Risk assessment of waterlogging

圖4 城南片河道、閘站規劃Fig.4 Planning of river channels and gate stations in the south of the city

總體而言，研究區域的內澇風險等級主要在中等級以下，占比為87.2%，較高風險區以上區域4.7 km2，約占總面積的2.1%，主要集中于城南片區、濱河洼地片區、湖塘鎮區等區域。

4 針對重點問題的風險管理

4.1 重點片區排澇方案調整

城南片為研究區域高風險區，該區域雖屬高片區，但部分區域由于受地面沉降影響，部分地區高程低于設計洪水位；隨著區域開發，徑流量增大，在外河水位不可控的情況下，區域排水能力受限；且城南片是經濟文化中心，故本地區內澇風險高。為解決由于河道排水不暢引起水位抬高進而削弱管網排水能力的問題，擬調整排澇方案，將半夜浜區域通過水系溝通排入原長溝湖塘區域，共同組成城南排水片，城南片雨水向南排入武南河。

4.1.1 河道及閘站規劃

城南片區內河河網基本成型，但局部河段存在淤積堵塞、河道斷頭等現象，長溝河、湖塘河為片區內骨干河道，但斷面排水能力不足。規劃對長溝河和湖塘河進行疏浚，并根據要求局部拓寬，河口寬不應小于20 m。完成高家浜改道建設，在東寶南路東側新開河道1.1 km，恢復高家浜，使其北接大寨河、南連長溝河；溝通小留河，新開1.5 km 向南延伸至長溝河；加強半夜浜和戰斗河阻水構筑物拆除工作，疏通箱涵，增強過流能力。

依據“高水自排，靈活抽排”的原則，低水位時利用地勢高的特點自排，當外河河水頂托時，利用閘站形成封閉排水片，通過排澇泵站提高片區排水能力，片區共新建節制閘2座，新建閘

從表2 可以看出，封閉抽排條件下積水區域由149.3 hm2降低為49.9 hm2，且基本不存在30 cm 以上積水區域，內澇情況得到有效改善。站4座，片區排澇能力達72 m3/s。

表2 自由排水和封閉排水條件下內澇區域統計一覽表Tab.2 List of waterlogging area under free drainage and closed drainage conditions

表3 不同用地年徑流總量控制率管控一覽表 %Tab.3 List of annual total runoff control rates in different land uses

4.1.2 方案模擬

城南片以“高水自排是根本，靈活抽排保安全”為理念調整防澇方案，當水位低于2.6 m 時，利用地形優勢重力排水；當河道水位繼續上漲至2.6 m 并仍有持續暴雨，水位將繼續抬高時，啟用閘站降低內河水位，直到片區水位下降到1.6 m 時停止抽排。

使用MIKE FLOOD 軟件對城南片自排和抽排兩種排澇方案的實施成效進行模擬分析。根據模擬結果，在自排條件下，河道水位條件與外圍邊界河道水位趨勢一致，最高水位在3.8 m，而封閉條件下最高水位不超過2.3 m。由此可見，封閉排水條件下，可對排水片區內水位進行靈活調控，為雨水管道排放提供較好的外部條件。重點片區在自由排水和封閉抽排方式下的內澇情況如圖5所示。

圖5 不同排水方案條件下積水區域分布圖Fig.5 Distribution of waterlogged areas under different drainage schemes

4.2 彈性調整的風險避讓

應注重結合區域排水分區概況、場地用地性質等因素開展剛彈結合風險避讓。針對濱河洼地片風險區，應針對內澇風險高地優化調整用地布局，盡量避免建設變電站、交通場站等區域基礎設施，醫院、政府機構、福利院、敬老院等重要公共服務設施和大型居住社區等；優先建設親水性較強設施，例如濱水開發空間、戶外運動場所、通航設施、防洪基礎設施等，同時應完善應急疏散及救援方案［16］。

本研究中場北河與孟津河中間區域存在大片高風險區，該區規劃建設用地性質為公共管理與公共服務設施用地，根據內澇風險分析結果，建議在該區域布局一定規模的公園綠地，結合低洼地建設打造公共海綿設施，為周邊用地提供徑流控制，同時作為區域應急調蓄空間。若確需進行場地開發，則應加強設計引導，一是場地內部控制較高的綠化率，嚴控開發強度，同時保留部分溝通水系，增強調蓄；二是明確豎向設計應不低于3.9 m，對地下空間等出入口設置擋板，提高建筑結構、設備的洪澇應對能力，確保洪澇發生時不發生顯著損壞。

4.3 綠灰結合的風險應對

針對湖塘鎮區等高風險區域，應高度重視實施綠灰結合的風險應對，針對綠色基礎設施進行補短板。加強源頭減排，發揮建筑、道路、綠地、水系等對雨水的吸納和緩釋作用，提升區域蓄水、滲水和涵養水的能力，結合建筑密度、綠地率等約束性控制指標，綜合考慮開發強度、用地性質等因素，制定徑流控制管控指標體系。對于不超過24.1 mm 的降雨（對應年徑流總量控制率）進行完全截留控制，基本不產生直接外排徑流；對于不超過45.7 mm 的降雨（2 a 一遇2 h），場地應采取緩排措施進行峰值流量削減，峰值流量不得超過傳統建設模式1 a 一遇2 h 降雨條件下的峰值流量。

要充分發揮公共海綿設施功能。針對已建城區建設強度高等特點，依托城市更新、宜居社區建設實施老城“留白增綠”，發揮公共空間休閑、休憩及雨水安全調蓄等綜合功能。針對新建區域，全面落實海綿城市建設要求，一是發揮公共海綿設施徑流控制功能，調蓄雨水，降低內澇風險；二是通過建設雨水濕地，對雨水及周邊河道水體進行透析凈化，改善水環境。

5 結 論

（1）結合內澇積水情景模擬，構建基于“危險性、脆弱性、暴露性”的風險評估指標體系，采用多因子分析評估內澇災害的影響，使得評估結果更綜合更全面，能夠為內澇治理的輕重緩急和響應對策提供可靠的依據。

（2）城南片等區域結合風險成因分析，采用低水位時立足自排、高水位時靈活抽排的方案進行調整。當水位低于2.6 m時，利用地形優勢重力排水；當河道水位漲至2.6 m 后，啟用城南片排澇泵站降低內河水位，減輕對管道的頂托作用，增強片區的蓄排功能。

（3）對濱河洼地等風險區，實施必要的風險避讓，優先布局親水性用地或設施；對確需建設的其他類型用地，應嚴控開發強度，增強場地調蓄；明確豎向設計應不低于3.9 m；同時提高建筑結構、設備的洪澇應對能力。

（4）針對湖塘鎮區等風險區，注重綠灰結合的風險應對，加強源頭管控，對徑流量和峰值流量提出明確的管控要求。加強公共海綿設施建設，發揮過程滯蓄作用，削減內澇風險。