基于雨洪風(fēng)險模擬的城市低影響開發(fā)適建性分析

羅為維 周旭 劉曉林 馬橋明 任芳

摘 要：城市低影響開發(fā)（LID）是解決城市內(nèi)澇問題、改善人居環(huán)境的重要創(chuàng)新舉措。本文以雨洪風(fēng)險較高的貴陽市云巖區(qū)和南明區(qū)為例，輸入不同降雨條件，運用SCS-CN模型模擬降雨徑流；應(yīng)用GIS空間分析識別不同雨洪風(fēng)險區(qū)，并將雨洪風(fēng)險、土地利用、高程、坡度和坡向耦合分析LID的適建性；擬選最適建占比最高的街區(qū)作為LID示范建設(shè)區(qū)。結(jié)果表明：不同土地利用類型的地表徑流量差異較大，降雨5 a一遇時建筑區(qū)為66.21 mm、林地為7.63 mm，100 a一遇時建筑區(qū)為110.41 mm、林地為28.80 mm，應(yīng)當(dāng)重視城市綠化建設(shè)。研究區(qū)在5 a一遇情景模擬下，最先出現(xiàn)大面積雨洪風(fēng)險，雨洪高風(fēng)險區(qū)面積6.90 km2。區(qū)域內(nèi)LID適建性總面積為184.4 km2，其中最適建面積為81.49 km2，覆蓋41個街區(qū)，最終選取最適建面積占比97.44%的中山西路街道和98.81%的河濱社區(qū)作為建設(shè)示范點。

關(guān)鍵詞：低影響開發(fā)；適建性；雨洪風(fēng)險模擬；SCS-CN模型

中圖分類號：TU984 文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1673-5072（2024）02-0172-09

隨著城市建設(shè)用地不斷擴展，自然土地轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌杆砻妫瑥亩鴮?dǎo)致滲透過程減弱［1］，由此引發(fā)的城市熱島和城市內(nèi)澇等問題日益嚴重。洪水災(zāi)害已占世界自然災(zāi)害的1/3［2］，被視為社會發(fā)展和人類生活的新威脅［3］。為了應(yīng)對城市內(nèi)澇、改善人居環(huán)境等，我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2014年10月印發(fā)了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南：低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》，明確要求規(guī)劃引領(lǐng)、統(tǒng)籌開發(fā)城市雨水系統(tǒng)［4］，實現(xiàn)從宏觀尺度到微觀尺度的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、從戰(zhàn)略規(guī)劃到實踐層面的承接配合［5］。當(dāng)前我國海綿城市建設(shè)仍處于試點建設(shè)階段，對于海綿城市的理論創(chuàng)新、規(guī)范制定和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)還有待完善［6］，尤其是低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）建設(shè)還處于不斷的探索和實踐之中。

LID是采用源頭控制理念實現(xiàn)雨洪管理與利用的海綿城市建設(shè)方法［7］。LID適建性分析是指融入生態(tài)要素與海綿理念的適宜性評價方法，可為海綿城市建設(shè)提供輔助決策［8］。由于城市的地形、生態(tài)環(huán)境、格局的不同，LID適建性指標(biāo)構(gòu)建的側(cè)重點也存在差異。任建超和謝水波［9］從自然地理要素、城市建設(shè)以及用地功能3個指標(biāo)評價海綿城市建設(shè)適宜性。付韻潮等［10］進一步將水文、產(chǎn)業(yè)布局加入LID適建性評價，為天府新區(qū)提供LID建設(shè)指導(dǎo)。陳哲夫等［11］從水文的角度深入，強化水源涵養(yǎng)、土壤保持和水質(zhì)凈化3個指標(biāo)，實現(xiàn)海綿城市建設(shè)適應(yīng)性評價。現(xiàn)有適建性研究大多基于地形、植被、土地利用和水文等方面進行，也有部分學(xué)者［12-14］從徑流管理將不同重現(xiàn)期下的降雨徑流作為雨洪因子，融入LID措施建設(shè)評價中，但忽略了城市降雨徑流形成淹沒時的雨洪風(fēng)險對LID建設(shè)的影響。

因此，本研究的目的是融合雨洪風(fēng)險對貴陽市云巖區(qū)和南明區(qū)進行LID適建性綜合分析。運用SCS-CN水文模型與ArcGIS，模擬研究區(qū)內(nèi)5 a、10 a、25 a、50 a和100 a一遇重現(xiàn)期降雨產(chǎn)流以及雨洪風(fēng)險分布，耦合雨洪風(fēng)險、高程、坡度、坡向和土地利用構(gòu)建LID適建性體系，分析研究區(qū)內(nèi)最適建區(qū)域，并基于各街區(qū)的耦合效果篩選示范街區(qū)，為城市LID建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

貴陽市處于云貴高原東部，是典型的喀斯特山地城市，地形起伏大，山高坡陡，以山地、丘陵為主，平壩區(qū)域僅占9%。貴陽市屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年降水量為1 072.8 mm，夏半年降水量占年降水量的78.5%。5—9月為貴陽市的雨期，陣雨和暴雨頻發(fā)，洪澇災(zāi)害主要集中在這一時期。云巖區(qū)和南明區(qū)是貴陽市主城區(qū)，面積共302.91 km2（圖1），具有人口密度高、商貿(mào)繁榮、交通便利與人文景觀豐富等特點。根據(jù)歷史文獻記載，在1952—1998年，貴陽洪澇災(zāi)害爆發(fā)的頻率為3～4年1次［15］。1996年7月2日的特大暴雨被列入百年一遇降雨災(zāi)害事件，主城區(qū)日降雨量為197.3 mm，致使河道水位上升，交通癱瘓，人員傷亡慘重，直接經(jīng)濟損失達32.58億元［15］。2014年7月15日主城區(qū)日降雨量達到了201.7 mm，超過1996年成為有記錄以來的日降雨量最大值。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心（http：//www.cresda.com/CN/）2021年6月GF-6號16 m遙感影像數(shù)據(jù)和歐洲航天局（https：//www.esa.int/）2021年10 m土地利用數(shù)據(jù)；土壤類型分布數(shù)據(jù)來自第二次土壤普查；云巖區(qū)和南明區(qū)街區(qū)數(shù)據(jù)下載自91衛(wèi)圖；30 m DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）；降雨數(shù)據(jù)參考《貴陽市暴雨強度公式推求》［16］計算獲得；實際歷史內(nèi)澇點數(shù)據(jù)以2014年貴陽市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局公布的《貴陽市中心城區(qū)主要水淹點一覽表》為基礎(chǔ)，對照微博官方賬號“貴陽交通廣播”發(fā)布的2019—2021年7月實時內(nèi)澇信息進行整理更新所得。

2.2 研究方法

2.2.1 雨洪風(fēng)險模擬方法

1）降雨量設(shè)計。本研究根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［17］列舉的適宜降雨歷時，以120 min為例，基于貴陽市暴雨強度公式，計算出5 a、10 a、25 a、50 a和100 a一遇的重現(xiàn)期下的設(shè)計降雨量，公式如下：

式中：i代表暴雨強度（L·（s·hm2）-1）；p代表設(shè)計降雨重現(xiàn)期（a）；t代表設(shè)計降雨歷時（min），P為設(shè)計降雨量（mm）。各重現(xiàn)期降雨量設(shè)計結(jié)果如表1所示。

2）徑流計算參數(shù)設(shè)定。SCS-CN模型由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局開發(fā)，綜合考慮了土地利用類型、土壤類型、前期土壤濕潤程度對降雨徑流的影響，用于預(yù)測降水徑流量的大小［18］，其基本關(guān)系為：

式中：P 為設(shè)計降雨量（mm）；Q 為實際徑流量（mm），S為最大滯留量（mm）。

區(qū)域內(nèi)S受地表徑流參數(shù)（CN）的影響，其關(guān)系如下［19］：

美國農(nóng)業(yè)部水土保持局根據(jù)土壤質(zhì)地與土壤水分的最小滲透率由強到弱劃分為 A、B、C、D共4類土壤水文類型［20-21］（表2），并提供適用于城市區(qū)域的CN值［22］。本研究在土壤水文濕度為AMC-Ⅱ（普通）型進行開展，區(qū)域內(nèi)包含B、C、D三類土壤水文型。結(jié)合相關(guān)CN值研究［23］，獲取對應(yīng)CN值（表3）。

3）雨洪淹沒模擬。基于上述步驟，將暴雨內(nèi)澇視為無源淹沒狀態(tài)，不考慮匯流過程，僅受重力與地形等自然因素的影響，進行洼地填充［24］，基于二分法運用ArcGIS中的Surface Volume工具確定研究區(qū)經(jīng)歷暴雨后的內(nèi)澇淹沒高度，進行雨洪風(fēng)險模擬與分級。

2.2.2 LID適建性指標(biāo)耦合

LID措施大多數(shù)依靠植被的一系列生態(tài)活動進行雨水的吸納利用，植被的生長影響LID措施的效益［25］。本研究選取與LID措施中植被生態(tài)有關(guān)地形因子（高程、坡度、坡向），土地利用類型以及雨洪風(fēng)險分布進行AHP層次分析，構(gòu)建LID適建性評價體系（表4）。

隨著高程的增加，大氣密度降低，太陽輻射增強，植被生長受抑制，生態(tài)敏感性高，越不適宜人為LID措施建設(shè)［26］；坡度影響降雨的徑流沖刷速度，坡度越小的區(qū)域，坡面越緩，降雨地表徑流沖刷越慢，有利于植物吸收凈化雨水，越適宜LID建設(shè)［27］；研究區(qū)位于北半球，坡向越朝南，植被光照條件越好，越適合植被生長，LID建設(shè)越適宜；土地利用類型涉及不同下墊面的地表徑流、生態(tài)敏感性以及保護制度，地表徑流越大、生態(tài)敏感性越低的區(qū)域越適宜進行LID建設(shè)，而林地、農(nóng)田和水域具有較為嚴格的保護制度不適宜進行LID建設(shè)；雨洪風(fēng)險依據(jù)重現(xiàn)期進行劃分，重現(xiàn)期越小，降雨越頻繁，越容易產(chǎn)生城市淹沒，雨洪風(fēng)險越高，越適宜LID建設(shè)［28］。

3 結(jié)果與分析

3.1 雨洪風(fēng)險特征

SCS-CN模型模擬的不同重現(xiàn)期下的地表降雨徑流如表5 所示，隨著重現(xiàn)期的增加，地表徑流量也增加，其中地表徑流量產(chǎn)生最多的區(qū)域集中在人類活動最多的建筑區(qū)，5 a一遇下為66.21 mm，100 a一遇下為110.41 mm。而林地有較深的根系，對雨水吸納有較好的效果，其徑流量也最少，5 a一遇重現(xiàn)期下僅產(chǎn)生7.63 mm的徑流量，100 a一遇下的徑流量也僅有28.80 mm。這表明在城市LID建設(shè)中，植被對地表徑流的吸收和截留能力不容忽視，在建筑區(qū)中，應(yīng)考慮采用植被對其進行LID建設(shè)。

結(jié)合地表徑流量運用Surface Volume工具模擬得出云巖區(qū)、南明區(qū)的淹沒雨洪風(fēng)險分布如圖2、圖3所示：研究區(qū)內(nèi)大面積的城市內(nèi)澇出現(xiàn)在5 a一遇重現(xiàn)期下，高風(fēng)險區(qū)域總面積6.90 km2，是LID重點建設(shè)區(qū)域。10～100 a一遇的情景下，各街區(qū)內(nèi)的積水未形成較大的溢流情況，僅在5 a一遇重現(xiàn)期基礎(chǔ)上小范圍延伸。因此，可依據(jù)區(qū)域內(nèi)不同風(fēng)險進行分批優(yōu)化，形成循序漸進的城市LID建設(shè)。

結(jié)合遙感影像可知，雨洪集中在城市干道、居民區(qū)內(nèi)部以及河道附近，對居民生活以及交通出行造成較大的影響。由云巖區(qū)雨洪風(fēng)險等級分布（圖2）可知：云巖區(qū)雨洪分布較分散，淹沒地點基本在居住區(qū)、商圈廣場以及交通道路。中部的中山西路街道、延中社區(qū)、中華北路街道以及貴烏社區(qū)是云巖區(qū)中心地段，此處建筑密度大，老舊建筑多，地勢坡度大，市井街巷排水設(shè)施較為老舊，面對強降雨時，地表徑流削減效果欠佳且排水效果不理想，是雨洪多發(fā)地段。頭橋社區(qū)出現(xiàn)內(nèi)澇的區(qū)域主要在西部前期規(guī)劃有待完善的花果園居住區(qū)，此處交通擁擠，人流密集，綠地率較低，存在城市雨洪風(fēng)險。三橋社區(qū)內(nèi)多以待提質(zhì)改造的老舊平房為主，城市綠化較少且排水設(shè)施較為老舊，亦會導(dǎo)致城市內(nèi)澇。

由南明區(qū)雨洪風(fēng)險等級分布（圖3）可知：南明區(qū)雨洪風(fēng)險分布的范圍廣泛，市西河兩側(cè)、建筑區(qū)、交通干道以及部分地勢較低農(nóng)田淹沒情況比較明顯。在南明區(qū)西部，從中曹司社區(qū)至水口寺社區(qū)，以及沿途河道內(nèi)各街區(qū)均有帶狀雨洪高風(fēng)險分布。其中，遵義社區(qū)淹沒狀況較為嚴重，呈現(xiàn)四周環(huán)繞式淹沒，同時連接沙沖社區(qū)東北部、興關(guān)社區(qū)西部呈塊狀淹沒。南明區(qū)中部在城市河流兩側(cè)形成淹沒，橫跨小碧布依族苗族鄉(xiāng)、龍洞社區(qū)以及云關(guān)鄉(xiāng)3個街區(qū)。由于南明區(qū)東部地勢整體較低，雨洪風(fēng)險多出現(xiàn)在建筑區(qū)以及農(nóng)田等地區(qū)。

3.2 LID適建性單因子分析

高程的適建性分布如圖4a所示：高程適建性呈現(xiàn)出以云巖區(qū)、南明區(qū)的中心向外減弱的趨勢，整體上適宜進行LID建設(shè)，區(qū)域內(nèi)適建區(qū)為78.90%。最適建區(qū)多以地形變化較小的建筑區(qū)為主，LID最適建區(qū)占總區(qū)域的28.81%，較適建區(qū)域占總區(qū)域的50.09%。

坡度的適建性分布如圖4b所示：坡度適建性分布與高程具有一致性，多集中于建筑區(qū)、農(nóng)田等人為干預(yù)較多的區(qū)域。總體適建區(qū)域占比70.17%，其中最適建區(qū)占研究區(qū)的19.05%，較適建區(qū)占研究區(qū)51.12%。

坡向的適建性分布如圖4c所示：研究區(qū)處于喀斯特山區(qū)，地形變化較大，坡向分布較為破碎。坡向總體適建區(qū)域占比為62%，最適建區(qū)占研究區(qū)的12.75%，較適建區(qū)占比為25.16%，中等適建區(qū)為24.09%。

土地利用類型的適建性分布如圖4d所示：總體適建占比為57.17%，主要以建筑區(qū)和裸露地面分布為主。LID最適建區(qū)占研究區(qū)的56.53%，較適建區(qū)域占比較少，僅占全區(qū)的0.64%。

通過分析各因子的適建性分布發(fā)現(xiàn)，高程、坡度、土地利用因子的最適建區(qū)多集中在云巖區(qū)、南明區(qū)的中部，該區(qū)域主要由建筑區(qū)的組成，為LID建設(shè)提供了良好的建設(shè)條件，在LID建設(shè)中應(yīng)著重考慮各項措施在城市建筑區(qū)的應(yīng)用。

3.3 LID適建性綜合分析

將各適建性因子與雨洪風(fēng)險加權(quán)疊加，利用自然斷點法進行分級，得出研究區(qū)內(nèi)LID綜合適建性分布（圖5）：總體可供建設(shè)面積為184.4 km2 ，主要以城市中心向四周林地擴散，其中最適建區(qū)域為81.49 km2，占總區(qū)域的27.41%，較適建區(qū)域為102.8 km2，占總面積的34.57%。因貴陽市“城山鑲嵌”的特殊山地城市地形因素［29］，存在大量生態(tài)敏感性較高，地形變化較大的自然山體分布在研究區(qū)邊緣以及中心地帶，不適宜建進行LID建設(shè)。

疊加各街區(qū)邊界范圍，對各街區(qū)的綜合適建性進行分區(qū)統(tǒng)計，結(jié)果如表6、表7所示。研究考慮貴陽市中心城區(qū)地形破碎、用地緊張的特征，從最適建性面積占比出發(fā)，分析各街區(qū)的LID綜合適建性。

云巖區(qū)（表6）總體最適建面積為15.64 km2，涵蓋18個街區(qū)。其中，金惠社區(qū)不包含最適建區(qū)域。在云巖區(qū)內(nèi)，街道最適建占比為2.56%～97.44%。其中，占比最低的街區(qū)是金鴨社區(qū)，該區(qū)域未受到雨洪淹沒影響，且以大面積林地和農(nóng)田為主，具有良好的雨洪調(diào)節(jié)能力，需要人為LID建設(shè)的區(qū)域較少。占比最高的街區(qū)是中山西路街道，該地區(qū)雨洪風(fēng)險最高，覆蓋地形平緩、高程較低的建筑不透水面，具有LID建設(shè)最適條件。

南明區(qū)（表7）總體最適建面積為65.85 km2，有23個街區(qū)包含最適建區(qū)域。其中，見龍社區(qū)內(nèi)最適建占比最少，為7.73%，因其大部分處于貴陽森林公園內(nèi)，高程變化較大、林地含量較高，建設(shè)難度較大，最適建性較低，一定程度上限制LID建設(shè)。河濱社區(qū)內(nèi)部多為地形平坦的建筑區(qū)，易形成雨洪風(fēng)險，最適建占比最大，為98.81%。

4 結(jié) 論

本研究耦合雨洪風(fēng)險與多項因子進行LID適建性分析，明確了貴陽市云巖區(qū)和南明區(qū)內(nèi)LID建設(shè)的適建性空間分布。雨洪風(fēng)險模擬受到不同重現(xiàn)期下的降雨徑流影響，在城市老舊小區(qū)、農(nóng)田、河道等地總體以高風(fēng)險為主。從整體上看，LID最適建區(qū)域分布在云巖區(qū)以及南明區(qū)的中部，主要由建筑區(qū)構(gòu)成。在各街區(qū)分布上，僅有云巖區(qū)的金惠社區(qū)不存在最適建區(qū)域。云巖區(qū)內(nèi)中山西路街道、以及南明區(qū)的河濱社區(qū)在各自行政區(qū)內(nèi)最適建占比最大，具有良好LID建設(shè)條件，可作為建設(shè)試點街區(qū)進行相應(yīng)建設(shè)布局，為城市LID建設(shè)提供指導(dǎo)依據(jù)。

由于本文采用設(shè)計降雨以及雨洪淹沒模擬進行風(fēng)險分級，模擬結(jié)果與實際降雨情況可能出現(xiàn)偏差。結(jié)合更新后的城市洪澇點數(shù)據(jù)可知，實際淹沒點共47處（南明區(qū)26處，云巖區(qū)21處），實驗?zāi)M結(jié)果吻合37處，重合率為78%，覆蓋大部分實際淹沒點，理論上符合事實。LID措施建設(shè)應(yīng)是科學(xué)的、因地制宜的，由于LID措施具有多樣性，其適用場所也有不同，可根據(jù)不同場地的應(yīng)用類型進行LID措施的比選。如，在建筑區(qū)可建設(shè)綠色屋頂排出和利用雨水；在城市道路兩側(cè)建設(shè)下凹式綠地，對路面排水和雨水進行吸收凈化；面對河道兩側(cè)的積水，可采用退臺式生態(tài)駁岸對雨水逐層吸收利用，同時完成雨水的凈化，提高城市生態(tài)效益。由于遙感影像與目視解譯成果的精度不夠，本研究對土地利用類型的分類較為粗泛，并未能具體到用地的不同功能，對于LID措施在各街區(qū)內(nèi)的具體比選研究還有所欠缺，這將作為今后內(nèi)容進一步研究。

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Suitability Analysis of Urban Low Impact DevelopmentBased on Rainfall Flood Risk Simulation

Abstract：Urban low-impact development is an important innovative measure to solve the urban flooding problem and improve the living environment.Taking Yunyan district and Nanming district of Guiyang city with high risk of rainfall flood as examples，this paper employs the SCS-CN model to simulate rainfall runoff by inputting different rainfall conditions.GIS spatial analysis is applied to identify different rainfall flood risk areas and the suitability of LID is analyzed by coupling rainstorm risk，land use，elevation，slope and aspect.It is proposed to select the most suitable block with the highest proportion as the LID demonstration construction area.The results show that there is quite a difference in the runoff of different land use；for the 5-year return period，the runoffis 66.21 mm in the building area and 7.63 mm in the forest land while the runoff is 110.41 mm in the building area and 28.80 mm in the forest land for the 100-year return period;attention should be paid to urban greening construction.Under the scenario simulation of the 5-year return period，the study areais the first to have a large area of 6.90 km2 rainfall flood risk，which is a high-risk area of rainfall flood.Among the 184.4 km2 total area of LID suitability in the region，the most suitable area for construction is 81.49 km2，covering 41 blocks.Finally，97.44% of West Zhongshan Road and 98.81% of Riverside Community are selected for demonstration construction.

Keywords：low-impact development；suitability；rainfall flood risk simulation；SCS-CN model