常州市城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的構(gòu)建

白婉萍，楊宇棟，李正兆

(常州市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇常州213002)

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常州市城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的構(gòu)建

白婉萍，楊宇棟，李正兆

(常州市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇常州213002)

摘要：為全面提高城市排水防澇能力，有效應(yīng)對(duì)暴雨侵襲，應(yīng)首先對(duì)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。各地的內(nèi)澇主要成因區(qū)別較大，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的手段及側(cè)重點(diǎn)各不相同。文章以常州為例，闡述了平原水網(wǎng)城市的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系構(gòu)建思路、評(píng)估方法、技術(shù)手段，為判斷內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)程度、識(shí)別系統(tǒng)瓶頸、確定規(guī)劃應(yīng)對(duì)措施提供了有力的支撐，對(duì)同類城市的相關(guān)實(shí)踐有著較好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：城市內(nèi)澇；常州；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；量化指標(biāo)；耦合模型

當(dāng)前暴雨內(nèi)澇已成為眾多城市的頑疾，引起了黨中央、國(guó)務(wù)院的高度重視。根據(jù)國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知》(國(guó)辦發(fā)[2013]23號(hào))精神，全國(guó)各城市都展開了城市排水防澇綜合規(guī)劃編制工作。按照住建部2013年6月頒布的《城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃編制大綱》(以下簡(jiǎn)稱《大綱》)要求，應(yīng)首先對(duì)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

受地形地貌、降雨、水文特性及系列資料完整度等因素影響，各地內(nèi)澇的主要成因區(qū)別較大，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的手段及側(cè)重點(diǎn)也各不相同[1-2]。常州作為典型的平原水網(wǎng)城市，排水防澇體系已形成了依托城市行洪外河為屏障，以內(nèi)河、閘站設(shè)控為主的水利系統(tǒng)與排水管網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合的有機(jī)構(gòu)架[3]，其城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的構(gòu)建應(yīng)著力于風(fēng)險(xiǎn)因子識(shí)別、評(píng)估方法選擇、量化指標(biāo)建立以及基于水力模型的演算。

1風(fēng)險(xiǎn)因子及評(píng)估方法

1.1　風(fēng)險(xiǎn)因子識(shí)別

按災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論，風(fēng)險(xiǎn)可視為致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性、承災(zāi)體的暴露性和脆弱性相互作用而構(gòu)成的有機(jī)整體，主要構(gòu)成元素包括危險(xiǎn)性影響因子、暴露性影響因子和脆弱性影響因子[4]。從內(nèi)澇防治角度，平原水網(wǎng)城市的各類風(fēng)險(xiǎn)影響因子定義和分類如下。

1.1.1危險(xiǎn)性

定義：一定區(qū)域因排水防澇設(shè)施能力難以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)降雨所導(dǎo)致的積水深度大小，可用不同深度的積水對(duì)不同承災(zāi)體可能造成的危害程度來(lái)表征風(fēng)險(xiǎn)。

在平原水網(wǎng)城市，主要以排水管網(wǎng)的能力、泵站的規(guī)模和河網(wǎng)調(diào)蓄能力，通過(guò)一定關(guān)聯(lián)反應(yīng)表征為積水深度。設(shè)計(jì)降雨危險(xiǎn)性非人工所能改變，代入模型作為運(yùn)行背景。

1.1.2脆弱性

定義：一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、制度、文化和環(huán)境背景下，城市一定區(qū)域的承災(zāi)體在面對(duì)洪澇災(zāi)害時(shí)表現(xiàn)出易于受到傷害的性質(zhì)[1]，一般表征為系統(tǒng)的敏感性、恢復(fù)能力、應(yīng)對(duì)能力。具體因子為低洼地區(qū)、綜合徑流系數(shù)、積水時(shí)長(zhǎng)、河網(wǎng)間距、合流制地區(qū)。

1.1.3暴露性

定義：城市區(qū)域暴露于由一定發(fā)生概率的致災(zāi)因子引發(fā)的洪澇災(zāi)害中的人員、財(cái)產(chǎn)、建筑、生命線系統(tǒng)的數(shù)量和價(jià)值，實(shí)際上可理解為評(píng)估對(duì)象的量化。

具體影響因子：

1)區(qū)域人口密度：一般地區(qū)按此量化。

2)重要地區(qū)：行政中心、醫(yī)院、學(xué)校、交通樞紐、商業(yè)聚集區(qū)等重要公共服務(wù)設(shè)施、保障性大型基礎(chǔ)設(shè)施(水、電、氣)、防澇救災(zāi)指揮機(jī)關(guān)用地、城市主干道及以上等級(jí)道路。

1.2　評(píng)估方法選用

較流行的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法主要有歷史災(zāi)情數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、指標(biāo)體系評(píng)估法、遙感圖像和GIS技術(shù)耦合評(píng)估法、情景模擬評(píng)估法[4]等4類，均建立在國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的理論研究基礎(chǔ)上，并無(wú)絕對(duì)的硬性使用要求。各方法之間存在一定的關(guān)聯(lián)度，可綜合采用。幾種評(píng)估方法特點(diǎn)比較如表1。

表1　不同評(píng)估方法比較

從專項(xiàng)規(guī)劃的層次要求而論，城市排水防澇綜合規(guī)劃更多地注重相對(duì)宏觀的指導(dǎo)性，一般采用中尺度以上區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估較為合適。為確保規(guī)劃編制的科學(xué)性、前瞻性和可操作性，根據(jù)現(xiàn)有條件，常州市城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用基于情景模擬和指標(biāo)體系相結(jié)合的方法，輔以近年的歷史災(zāi)情數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

2量化指標(biāo)體系建立

2.1　風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

為經(jīng)濟(jì)合理地指導(dǎo)排水防澇改造建設(shè)，避免滿城開挖，常州市城市排水防澇綜合規(guī)劃將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分成高、較高、中、低4級(jí)[5]，在近期、中期分別重點(diǎn)解決高及較高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)改造。在風(fēng)險(xiǎn)A量化考核上參照上海、北京、武漢等地習(xí)慣做法，采用10分制打分，詳見表2。

表2　風(fēng)險(xiǎn)量化考核

采用計(jì)算公式

A=(e∑B+e∑C)Dii=1,2

式中：A為綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分；B為危險(xiǎn)性影響因子；C為脆弱性影響因子；Di為暴露性影響因子；e為權(quán)重。

2.2　風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重

在多因子疊加分析中，因子的權(quán)重具有舉足輕重的作用。由于各城市的自然條件差異較大，同一影響因子在不同城市暴雨應(yīng)對(duì)中的重要性差別很大，本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，常州在充分研判現(xiàn)狀基本特征的基礎(chǔ)上，選取對(duì)暴雨內(nèi)澇影響顯著的積水深度、地形高程、綜合徑流系數(shù)、河網(wǎng)間距、積水時(shí)長(zhǎng)、管網(wǎng)是否合流制等主要因子，特邀國(guó)內(nèi)5名資深專家賦權(quán)打分，并選擇若干現(xiàn)有典型易澇區(qū)計(jì)算比對(duì)和試算調(diào)整，確定各因子的權(quán)重。表3列舉了城市內(nèi)澇災(zāi)害的主要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因子。

表3　城市內(nèi)澇災(zāi)害主要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因子

2.3　風(fēng)險(xiǎn)因子指數(shù)

2.3.1危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)因子指數(shù)

作為危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)因子的積水深度是模型在綜合排水管網(wǎng)和閘站運(yùn)行能力、河網(wǎng)調(diào)蓄能力等基礎(chǔ)上運(yùn)算的結(jié)果，是內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的直接體現(xiàn)。參照《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系研究報(bào)告》及上海、武漢和北京等地的積澇程度分級(jí)，結(jié)合常州的客觀實(shí)際，積水深度H風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)采用5分制賦分。不同地區(qū)、不同積水深度的取值見表4。

表4　積水深度H風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

2.3.2脆弱性風(fēng)險(xiǎn)因子指數(shù)

1)低洼地區(qū)泛指地勢(shì)較周邊地區(qū)低，在正常排水條件下難以自行排水、易形成積水內(nèi)澇的地區(qū)，采用5分制打分。表5為低洼地區(qū)地形高程分值。

表5　低洼地區(qū)地形高程h的分值

2)綜合徑流系數(shù)R。徑流系數(shù)是反映下墊面的一個(gè)重要參數(shù)，它與地面硬化程度、滲透性、地面坡度等有關(guān)。綜合徑流系數(shù)對(duì)危險(xiǎn)性來(lái)說(shuō)存在正負(fù)的關(guān)聯(lián)，綜合徑流系數(shù)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)采取-5~5分。

表6為綜合徑流系數(shù)分值。

表6　綜合徑流系數(shù)R的分值

3)河網(wǎng)間距L。河網(wǎng)間距大小影響著雨水管匯流時(shí)間的長(zhǎng)短，現(xiàn)狀市區(qū)河道的平均間距在2.0 km左右。按城市總體規(guī)劃要求，河網(wǎng)間距應(yīng)不超過(guò)1.2～2.0 km。本次評(píng)價(jià)以28個(gè)防澇分區(qū)為單位對(duì)河網(wǎng)間距進(jìn)行打分，采用5分制。表7為河網(wǎng)間距L分值。

表7　河網(wǎng)間距L的分值

4)積水時(shí)長(zhǎng)t。根據(jù)近年來(lái)易淹易澇地區(qū)調(diào)查資料，暴雨期間地面積水深度一般為20～80 cm，內(nèi)澇積水時(shí)長(zhǎng)為2～48 h。另就人們對(duì)內(nèi)澇積水時(shí)長(zhǎng)的忍受度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)果顯示約有85%的市民對(duì)影響日常生活的地面積水能承受的時(shí)長(zhǎng)為1～2 h。根據(jù)上述時(shí)長(zhǎng)以及地區(qū)重要程度，采用5分制打分。表8為積水時(shí)長(zhǎng)t分值。

表8　積水時(shí)長(zhǎng)t的分值

5)合流制。合流制排水地區(qū)是城市內(nèi)澇重災(zāi)區(qū)。在合流制因子評(píng)價(jià)中采用是否判斷，“是”得5分，“否”得0分。

2.3.3暴露性影響因子指數(shù)

1)區(qū)域人口密度D1。城市內(nèi)澇災(zāi)害的直接后果就是對(duì)城市居民的生活、生產(chǎn)乃至生命與財(cái)產(chǎn)帶來(lái)威脅與破壞，城市人口居住密度也與災(zāi)害可能造成的損失程度相關(guān)聯(lián)。常州市按人口密度標(biāo)準(zhǔn)劃分5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段，并確定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

以每平方公里為統(tǒng)計(jì)單位，3 000人以下為低密度；3 000~6 000人為中密度；6 000~10 000人為較高密度；10 000人以上為高密度。在人口密度因子評(píng)價(jià)中以1為基本系數(shù)，低密度取0.8，中密度取1.2，較高密度取1.5，高密度取2。

2)重要地區(qū)D2。指行政中心、醫(yī)院、學(xué)校、交通樞紐、商業(yè)聚集區(qū)等重要公共服務(wù)設(shè)施、保障性大型基礎(chǔ)設(shè)施(水、電、氣)、防澇救災(zāi)指揮機(jī)關(guān)用地、城市主干道及以上等級(jí)道路。在該因子評(píng)價(jià)中采用“是”、“否”判斷，“是”得2分，“否”得0分。

3模擬輸出

3.1　建模簡(jiǎn)介

根據(jù)《大綱》要求，宜使用水力模型進(jìn)行城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得雨水徑流的水位變化、積水范圍和淹沒(méi)深度、時(shí)間等信息，綜合評(píng)判城市內(nèi)澇災(zāi)害的危險(xiǎn)性。

考慮到傳統(tǒng)的商業(yè)管網(wǎng)模型原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用孤立，但對(duì)管網(wǎng)數(shù)值要求特別高，輸入工作量大，難以模擬平原水網(wǎng)地區(qū)水位頂托形成的管網(wǎng)往復(fù)流和倒灌情況，常州市采用了非恒定流管網(wǎng)模型與河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型耦合模擬方式，即在成熟的河網(wǎng)模型基礎(chǔ)上耦合新開發(fā)的排水管網(wǎng)模型，將河網(wǎng)與管網(wǎng)的水力關(guān)系有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，成為一整體。

太湖流域河網(wǎng)水量模型于2005年研發(fā)，廣泛應(yīng)用于該流域的防洪、設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，較好地反映了流域內(nèi)河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和可靠的邊界條件。本次評(píng)估將常州市中心城區(qū)所有低等級(jí)河道、控制閘站等信息補(bǔ)充納入，形成了以太湖流域骨干河網(wǎng)為主體，常州區(qū)域小河網(wǎng)為支脈的比較全面的概化河網(wǎng)。

圖1　常州市區(qū)雨水管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合模型示意

在此基礎(chǔ)上，由河海大學(xué)、常州市規(guī)劃設(shè)計(jì)院、常州水文局聯(lián)合研發(fā)了中尺度的城市雨洪管網(wǎng)與流域河網(wǎng)耦合模型(圖1)。該仿真模型為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)和自主開發(fā)，可以同時(shí)適用于城鎮(zhèn)居民區(qū)等小尺度或者更大的城區(qū)尺度排水模擬，同時(shí)在平原河網(wǎng)區(qū)域能夠與城區(qū)周邊河道水動(dòng)力模型耦合求解，能夠較好地模擬閘泵控制對(duì)城市管網(wǎng)系統(tǒng)的影響，并通過(guò)GIS數(shù)字地形技術(shù)分析法將城區(qū)積水內(nèi)澇情形直觀地展示出來(lái)。

3.2　模型演算

模擬分現(xiàn)狀分析和規(guī)劃措施驗(yàn)證兩部分?，F(xiàn)狀分析輸出主要含各種設(shè)計(jì)暴雨下的積淹水深度和時(shí)長(zhǎng)、內(nèi)河水位變化；規(guī)劃措施驗(yàn)證輸出主要含規(guī)劃措施應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的排水能力、管網(wǎng)與內(nèi)河水位的辯證關(guān)系、系統(tǒng)分區(qū)優(yōu)化后的效果。

3.2.1現(xiàn)狀分析

1)現(xiàn)狀模擬顯示，中心城區(qū)積淹水情況誤差率為13%，在允許范圍內(nèi)。原因一是對(duì)管網(wǎng)的資料精確度和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)判斷存在一定的誤差；二是對(duì)個(gè)別概化低等級(jí)內(nèi)河和閘站調(diào)度規(guī)則輸入有誤；三是一些地區(qū)確實(shí)存在2 h內(nèi)的短期積水，居民處于可承受狀態(tài)并未上報(bào)，因此模型運(yùn)算結(jié)果比實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)的積淹水地區(qū)稍大。

2)現(xiàn)有城市防洪包圍圈可很好地抵御20年一遇24 h降雨(圖2)；在遭遇30年一遇24 h降雨時(shí)，若能及時(shí)按照調(diào)度規(guī)則啟排，水位依然可控，但受天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和其他未知因素影響，難以預(yù)料，仍須增強(qiáng)應(yīng)急調(diào)蓄能力建設(shè)；部分低等級(jí)分散排澇系統(tǒng)目前難以抵御20年一遇24 h降雨。

3)耦合模型演算顯示：當(dāng)概化的當(dāng)量管網(wǎng)水位高于河道水位時(shí)，具有良好的水力坡降；當(dāng)概化的當(dāng)量管網(wǎng)水位持平或低于河道水位時(shí)，排水困難，出現(xiàn)頂托現(xiàn)象。

圖2　20年一遇設(shè)計(jì)暴雨下的中心城區(qū)建成區(qū)積水深度模擬

3.2.2規(guī)劃措施驗(yàn)證

1)當(dāng)部分低等級(jí)泵站改造按規(guī)劃實(shí)施到位時(shí)，城區(qū)抽排區(qū)均可有效應(yīng)對(duì)20年一遇最大24 h降雨的設(shè)計(jì)暴雨；遭遇30年一遇最大24 h降雨的設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，部分低等級(jí)分散排澇系統(tǒng)需增加調(diào)蓄或機(jī)排能力。

2)在增加規(guī)劃水系和完善排澇結(jié)構(gòu)前提下，通過(guò)增加管網(wǎng)和強(qiáng)排雨水泵站能力、調(diào)整優(yōu)化排水分區(qū)以及對(duì)河道現(xiàn)有過(guò)水?dāng)嗝嫱乜＃M滿足30年一遇內(nèi)澇防治目標(biāo)要求。

3.3　內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

根據(jù)模擬結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，在ARCGIS環(huán)境下形成常州市中心城區(qū)暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，計(jì)有96個(gè)排水分區(qū)存在較高以上級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(圖3)。

注：—高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；—較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；—中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；—低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。圖3　P=30年、i=44.6 mm/h工況下風(fēng)險(xiǎn)分布圖

4結(jié)語(yǔ)

城市內(nèi)澇的形成存在多種風(fēng)險(xiǎn)因子，平原水網(wǎng)城市與其他城市相比，排水管網(wǎng)和水系、防洪排澇結(jié)構(gòu)更具有密切的關(guān)聯(lián)度，其內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估必須更加注重多因子作用成災(zāi)的時(shí)空演變過(guò)程及承災(zāi)體綜合脆弱性、暴露性特征分析[1]。

基于我國(guó)尚未建立較為完善的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系及出臺(tái)相關(guān)規(guī)范性文件，

自身特點(diǎn)出發(fā)，依托風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的“三駕馬車”理論，合理選擇基于情景模擬和指標(biāo)體系相結(jié)合的評(píng)估方法，將低洼地區(qū)、綜合徑流系數(shù)、積水時(shí)長(zhǎng)、河網(wǎng)間距、合流制地區(qū)、區(qū)域人口密度、重要地區(qū)等敏感參數(shù)綜合納入評(píng)估體系，與高校聯(lián)合開發(fā)了可視化的管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合模型，較好地反應(yīng)了積淹水深度和時(shí)長(zhǎng)、內(nèi)河水位變化，建立了具平原水網(wǎng)城市特色的指標(biāo)體系，為判斷內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)程度、識(shí)別系統(tǒng)瓶頸、制訂應(yīng)對(duì)措施提供了有力支撐。

2014年12月17日，《常州市城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》因“編制嚴(yán)謹(jǐn)、基礎(chǔ)研究扎實(shí)、方法先進(jìn)，具有創(chuàng)新性、前瞻性和可操作性”等優(yōu)點(diǎn)，圓滿通過(guò)江蘇省住建廳組織的專家評(píng)審。

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責(zé)任編輯：唐海燕

On Constructing Urban Waterlogging Risk Assessment System in Changzhou

BAI Wanping,YANG Yudong，LI Zhengzhao

(Changzhou City Planning and Design Institute,Changzhou 213002)

Abstract：In order to comprehensively improve the urban drainage system and flood control capability and efficiently respond to storms,urban waterlogging risk assessment should first be done.Since the reasons causing urban waterlogging vary significantly,risk assessment strategies and their foci may vary as well.Taking Changzhou as an example,this article introduces the ideas,strategies and technologies to construct a waterlogging risk assessment system in a plain city with a water network,which supports the evaluation of risk level,identification of a bottleneck and determination of planning response actions,which will benefit related practices in similar cities.

Key words：urban waterlogging；Changzhou；risk assessment；quantitative index；coupling model

中圖分類號(hào)：TU984

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-0436(2015)04-0016-05

作者簡(jiǎn)介：白婉萍(1973—)，女，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-05-06