基于GIS的城市內(nèi)澇影響因素及多元回歸模型研究
——以上海為例

徐藝揚，李 昆，謝玉靜，凌煥然，錢敏蕾，王祥榮，魯 逸

(1.復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433； 2.復(fù)凌科技(上海)有限公司，上海 200438； 3.常熟市虞山鎮(zhèn)興福管理區(qū)，常熟 215500)

近年來，以全球變暖為顯著特征的全球氣候變化已是不爭的事實，并已經(jīng)對全球社會、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；區(qū)域尺度上也經(jīng)歷了一場以變暖為主要特征的氣候變化，且影響了區(qū)域的水資源分配[1-4]．CRED(Centre for Research on the Epidemiology of Disasters)研究數(shù)據(jù)顯示，全球范圍內(nèi)，氣候、水文相關(guān)災(zāi)害的發(fā)生次數(shù)和受影響人數(shù)隨時間呈增加趨勢，且近20年來洪澇災(zāi)害的發(fā)生多于風(fēng)暴、干旱、流行病等其他災(zāi)害(數(shù)據(jù)來自CRED，http：∥www.emdat.be/disaster_trends/index.html)．各國科學(xué)家的研究證實，氣候變化引起災(zāi)害風(fēng)險增加已經(jīng)成為全球安全與發(fā)展的重要挑戰(zhàn)[5]，極端事件的強度和發(fā)生頻率在近年來有所增加，洪澇已成為最主要的氣候變化相關(guān)災(zāi)害之一[6-10]，是世界范圍內(nèi)各城市共同面對的敏感問題，影響著城市的規(guī)劃與建設(shè)、城市生態(tài)環(huán)境的管理與調(diào)控．

盡管建有大型防洪工程和排水設(shè)施，不少大城市仍然面臨著洪澇災(zāi)害的威脅[11-12]，如菲律賓馬尼拉、泰國曼谷、印度孟買等河口海濱城市幾乎每年都因暴雨內(nèi)澇甚至洪水災(zāi)害造成城市淹沒和大規(guī)模的人員傷亡．Hallegatte等(2013)對已發(fā)生的洪災(zāi)及未來情景預(yù)測的研究顯示[13]，全球洪澇災(zāi)害風(fēng)險最高的20個城市(如廣州、孟買、紐約、新奧爾良等)，主要分布于亞洲和北美洲的沿海地區(qū)，又以河口三角洲區(qū)域居多；對洪澇災(zāi)害具有高脆弱性、高風(fēng)險的城市大多位于發(fā)展中國家，且洪災(zāi)造成的損失主要集中在高收入但防護水平較低的城市．

目前，國內(nèi)外學(xué)者對城市暴雨內(nèi)澇的成因、脆弱性、風(fēng)險評估及應(yīng)對對策等方面進行了廣泛的研究，并關(guān)注城市暴雨內(nèi)澇與氣候變化之間的關(guān)系、高風(fēng)險地區(qū)的識別；洪澇損失的評估與預(yù)測、相關(guān)模型的構(gòu)建與情景模擬、遙感數(shù)據(jù)與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的結(jié)合等成為近幾年的研究熱點；研究主要聚焦社區(qū)、小城市或全國、全球范圍，主要研究對象為江河洪水(river flooding)和沿海洪水(coastal flooding)，對特大型城市暴雨內(nèi)澇的研究較少；影響因素也主要著眼于排水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和排水系統(tǒng)的使用及管理等[10,14-30]．目前，尚未有研究綜合考慮致災(zāi)因子、區(qū)域環(huán)境、人口分布等因素對特大型城市內(nèi)澇發(fā)生的影響并對其進行量化分析．

上海是典型的河口海岸城市，地勢低洼，自然生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜，極易受到全球氣候變化的影響；其快速城市化進程對城市局地氣候產(chǎn)生脅迫．作為發(fā)展中國家的特大型國際城市，上海市政治經(jīng)濟地位和國際影響顯著，人口和資源高度集中，這進一步放大了氣候變化和極端事件的社會經(jīng)濟影響．同時，根據(jù)歷史記錄，暴雨內(nèi)澇是上海常見的氣象災(zāi)害[31]，造成的影響與損失不容忽視．世界上的特大型城市多分布于沿海、河口三角洲等區(qū)域，如密西西比河、哈德森河、尼羅河、恒河的河口地區(qū)的新奧爾良、紐約、開羅、達(dá)卡等重要港口和城市，其經(jīng)濟密度與人口密度高，對整個流域乃至所在國的社會經(jīng)濟發(fā)展起著關(guān)鍵性作用．以上海市為例開展氣候變化下城市暴雨內(nèi)澇影響因素的量化研究，不僅對上海應(yīng)對城市災(zāi)害的預(yù)警、預(yù)防和評估，進行城市基礎(chǔ)設(shè)施的合理布局，實現(xiàn)全球氣候變化和快速城市化背景下的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，對全球其他海岸帶城市和河口城市也具有一定的借鑒價值．

1 研究區(qū)概況

上海地處東經(jīng)120°52′～122°12′，北緯30°40′～31°53′，位于坦蕩低平的長江三角沖積平原，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江，北接長江入?？冢瑢儆谔饔颍型恋孛娣e為6340.5km2，水域面積697km2，天然河港密布；陸地地勢總體由東向西略微傾斜，平均海拔高度4m左右，黃浦、靜安、虹口、閘北、徐匯等中心市區(qū)的不少地段地面標(biāo)高甚至在3m以下．上海屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，春秋較短，日照充分，雨量充沛．

本文研究區(qū)為2009年上海市的陸域范圍，包括17個市轄區(qū)和1個縣(圖1)；2009年末，上海市共有109個鎮(zhèn)、2個鄉(xiāng)和99個街道辦事處，全市常住人口為1921.32萬人，居全國各大城市之首；常住人口密度達(dá)3030人/km2，僅次于澳門、香港、深圳．為便于分析，根據(jù)外環(huán)線和郊環(huán)線的切割，結(jié)合上海市鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道級別行政區(qū)劃，本研究將上海市分中心城區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)3個子區(qū)(圖1)，其中： 中心城區(qū)指外環(huán)線以內(nèi)的區(qū)域，面積662.94km2；近郊區(qū)指外環(huán)線和郊環(huán)線之間的區(qū)域，面積2284.76km2；遠(yuǎn)郊區(qū)指郊環(huán)線以外的區(qū)域，面積3616.01km2．基于相關(guān)數(shù)據(jù)獲取情況，主要對上海市中心城區(qū)進行研究分析．

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area注： 原南匯區(qū)2009年并入浦東區(qū)，成立浦東新區(qū)；盧灣區(qū)2011年并入黃浦區(qū)；崇明于2016年撤縣建區(qū).

2 研究數(shù)據(jù)與方法

本文以歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與空間數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，對上海市暴雨內(nèi)澇的部分相關(guān)因素進行分析并辨識其影響，進而提出應(yīng)對對策．

2.1 降雨及內(nèi)澇災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

通過歷史災(zāi)情記錄資料，對上海市典型暴雨內(nèi)澇災(zāi)害事件進行統(tǒng)計梳理；基于1951—2015年上海市代表性雨量站——徐家匯氣象站(31.2°N，121.4°E)月累計20—20時降水?dāng)?shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源： 上海市氣象局)，結(jié)合歷年水資源公報、水情通報(資料來源： “上海水務(wù)海洋”官方網(wǎng)站，http：∥www.shanghaiwater.gov.cn)及新聞報道等資料，研究上海市降水及暴雨事件的時空分布；統(tǒng)計上海市水務(wù)局官方網(wǎng)站有相關(guān)記錄(1979—2008年)的內(nèi)澇災(zāi)害事件發(fā)生次數(shù)，研究其與降雨的相關(guān)關(guān)系．從上海市政府?dāng)?shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)(http：∥www.datashanghai.gov.cn)獲取上海市63個雨量站的月降雨量數(shù)據(jù)，取2009年汛期(4—9月)降雨量并進行克里格(Kriging)空間插值分析，得到上海市2009年汛期降雨量的地區(qū)分布情況，從而進一步提取得到內(nèi)澇發(fā)生區(qū)的汛期降雨量數(shù)據(jù)．

2.2 城市發(fā)展空間信息處理與分析

2.2.1 內(nèi)澇發(fā)生點分布

對上海市水務(wù)局官方網(wǎng)站公布的上海市居民積水問題求助報警信息及相關(guān)新聞報道中的信息進行收集、整理，篩選出2009年汛期受暴雨內(nèi)澇影響的居民的求助和報警信息，查詢、統(tǒng)計求助點地理位置，確定上海市中心城區(qū)暴雨內(nèi)澇求助/報警點的分布情況，即內(nèi)澇發(fā)生點和易受暴雨內(nèi)澇影響的區(qū)域．所獲取的信息中居民求助/報警的具體日期不明確，故對汛期(4—9月)總體情況進行分析．

2.2.2 土地利用/覆蓋變化及不透水面指數(shù)計算

采用上海地區(qū)經(jīng)波段融合、幾何校正和重采樣等預(yù)處理后的多時相(1997、2001、2005、2009年)Landsat TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)，依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2007)》，對遙感圖像進行監(jiān)督分類，結(jié)合野外調(diào)查及相關(guān)數(shù)據(jù)資料進行校準(zhǔn)，分析上海市1997—2009年土地利用/覆蓋變化(Land Use and Land Cover Change, LUCC)情況，尤其是建成區(qū)擴張情況．

與透水性的植被和土壤等地表面相對，不透水面定義為屋頂、瀝青或水泥道路以及停車場等具有不透水性的地表面；某區(qū)域內(nèi)不透水面覆蓋面積與區(qū)域面積的比例即為不透水面指數(shù)(Impervious Surface Index, ISI)，是城市環(huán)境的重要度量指標(biāo)之一[32]；相對于遙感影像的土地利用解譯，ISI的應(yīng)用將不透水表面組分作為一種要素進行定量化研究，能解析宏觀層面的城市空間格局演變，也能識別城市內(nèi)局部地區(qū)的土地覆被變化特征[33]．本研究采用徐涵秋[34]提出的歸一化差值不透水面指數(shù)(Normalized Difference Impervious Surface Index, NDISI)快速增強提取方法，基于數(shù)據(jù)質(zhì)量，對上海市中心城區(qū)2001、2005、2009年的NDISI進行提取計算，分析上海市中心城區(qū)不透水表面組分空間分布的變化，并統(tǒng)計各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道及行政區(qū)NDISI均值．其計算公式為[34]：

(1)

mNDWI為改進的歸一化水體指數(shù)(Modified Normalized Difference Water Index)[34]：

(2)

式中：TIR、NIR、MIR、Green分別為遙感影像的熱紅外、近紅外、中紅外1和綠光波段．

2.2.3 數(shù)字高程(Digital Elevation Model, DEM)分析

利用上海市等高線分布圖生成上海市DEM分布圖，對上海市中心城區(qū)DEM進行分析．上海市住宅和商業(yè)建筑大多有400mm左右高度的臺階，在考慮暴雨積水淹沒狀況時不僅要考慮原始DEM高程，還需要基于土地利用類型將DEM進行修正，因此，結(jié)合上海市土地利用分類結(jié)果及土地資源的實際覆蓋特征、利用方式和經(jīng)營特點，將所有住宅和商業(yè)用地格點上的高程值增加400mm．

2.2.4 人口規(guī)模及人口密度分布

基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)數(shù)字化上海市各區(qū)縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)(1999、2004、2009年數(shù)據(jù))，計算中心城區(qū)、近郊區(qū)及遠(yuǎn)郊區(qū)的人口密度(人/km2)，從而分析上海城市化過程中人口分布狀況和人口遷移情況；對同時跨多個子區(qū)(中心城區(qū)、近郊區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū))的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或街道，基于其人口密度和建設(shè)用地分布情況，對其人口規(guī)模進行估算．由鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道人口規(guī)模可進一步得到子區(qū)的人口規(guī)模：

(3)

式中，Pt為第t個子區(qū)的人口規(guī)模，n為該子區(qū)包含的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道個數(shù)．

2.2.5 排水能力

根據(jù)上海市水務(wù)局公開資料繪制上海市中心城區(qū)284個排水單元的排水能力分布圖并進行分析．目前，上海市已建成的排水系統(tǒng)主要分布在市中心城區(qū)，市中心以外區(qū)域處于在建或規(guī)劃狀態(tài)；其設(shè)計排水能力分為3類： 半年一遇(27mm/h)、一年一遇(36mm/h)和三年一遇(50mm/h)暴雨標(biāo)準(zhǔn)．

2.3 基于GIS和Python的多元回歸分析

基于2009年上海市中心城區(qū)內(nèi)澇發(fā)生點分布，以1∶1比例隨機抽取中心城區(qū)未發(fā)生內(nèi)澇地區(qū)的合適數(shù)量樣本點為對照，即未發(fā)生點．基于內(nèi)澇發(fā)生點及未發(fā)生點分布，提取每個點的NDISI、DEM、人口密度、排水能力、汛期降雨量等參數(shù)．基于Python中的scikit-learn機器學(xué)習(xí)模塊，以樣本點“是否發(fā)生內(nèi)澇”為因變量(取發(fā)生點的值為1，未發(fā)生點的值為0)，以各參數(shù)為自變量，量化探討其間的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建多元Logistic回歸模型并進行交叉驗證．其中，NDISI與土地利用情況均由相同Landsat TM/ETM+遙感圖像得出，DEM是考慮到地面沉降后修正過的數(shù)據(jù)，為避免重復(fù)，在分析中剔除土地利用類型和地面沉降情況兩個因素，保留NDISI和DEM；對自變量數(shù)據(jù)采取極差標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除不同量綱的影響；對變量進行相關(guān)性分析，以確保各變量之間不存在顯著相關(guān)．

3 結(jié)果和討論

3.1 暴雨內(nèi)澇易發(fā)區(qū)分布

2009年，居民由于積水內(nèi)澇問題報警和求助共計1586條，均發(fā)生于5—9月，主要發(fā)生災(zāi)情為家中進水、小區(qū)積水、道路和隧道積水，主要原因為暴雨、下水道阻塞導(dǎo)致排水不暢、以及因河流水位過高或河水溢出而無法向河道排水(表1)．內(nèi)澇發(fā)生點共計571個(圖2)，主要分布在中心城區(qū)的虹口、黃浦、盧灣、閘北、普陀、徐匯區(qū)的浦西沿岸地區(qū)及靜安、閔行等地區(qū)；從街道來看，多分布在閘北區(qū)天目西路、閔行區(qū)各街道、普陀區(qū)長峰新村、石泉路、桃浦鎮(zhèn)，徐匯區(qū)徐家匯，盧灣區(qū)五里橋街道、浦東新區(qū)(原南匯區(qū))康橋鎮(zhèn)、周浦鎮(zhèn)等老城區(qū)．

圖2 2009年上海暴雨內(nèi)澇發(fā)生點分布Fig.2 The location of waterlogging occurrence in Shanghai in 2009

居民報警/求助類型內(nèi)澇發(fā)生點數(shù)占比/%馬路積水52.04下水道阻塞43.90小區(qū)積水2.63河道冒溢1.04防汛設(shè)施破損0.23綠化積水0.08市區(qū)積水0.04防汛險情救災(zāi)救助0.04

3.2 單要素分析

3.2.1 降雨對城市內(nèi)澇發(fā)生的影響

城市化進程對局地氣候的影響突出體現(xiàn)在降雨上[35]．Miao等(2011)[36]對北京發(fā)生的暴雨進行了模型模擬分析，證實在決定風(fēng)暴運動和降雨量上，城市扮演著重要角色；城市地表特征改變導(dǎo)致降雨在局地的集中分布，城市核心的發(fā)展也導(dǎo)致了明顯的降雨格局分化．Wang等(2009)[37]的對比研究則表明，長三角和珠三角區(qū)域快速的城市擴張改變了局地氣候，導(dǎo)致局部地區(qū)變暖、少風(fēng)，大氣垂直混合程度更高、空氣對流更活躍．

(1) 降水的年際變化和年內(nèi)分配

作為暴雨積水的來源，強降雨是導(dǎo)致暴雨內(nèi)澇災(zāi)害的直接氣象因素．在全球氣候變化的影響下，上海近年來極端氣候事件發(fā)生頻率逐漸增加，近50年降水災(zāi)害概率為21.1%，比前50年上升了5.3個百分點[38]．60多年來，上海市年降水量總體呈波動上升趨勢，且雨量充沛，80%以上的年份降水量在900mm以上(圖3)；近30年來，年降水量大都高于多年平均降水量，呈正常偏澇的態(tài)勢．

上海市降水表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，降雨多分布4—9月汛期(主汛期為6—9月)．年總降水與汛期總降水呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，多年來，約70%的降水集中在汛期(圖4)，這表明汛期降雨量較大程度地決定年降水量；隨著年降水量的增加，汛期、非汛期的降水量均呈增加之勢，對上海市防汛防澇、應(yīng)對極端降雨事件帶來一定的壓力．

6—8月為上海梅雨季節(jié)，期間降雨頻繁、范圍廣且大雨、暴雨多．此時太湖流域也處于汛期，加之天文海潮，容易導(dǎo)致低洼地區(qū)積水；部分區(qū)域需將積水排入河道，此時河道水位升高對區(qū)域排水造成影響，加重積水．8—9月秋雨時段上海主要受冷空氣及臺風(fēng)影響形成降雨，容易造成突發(fā)性天氣，故暴雨、大暴雨發(fā)生比較頻繁．

圖3 1951—2015年上海市年降水量Fig.3 Annual rainfall of 1951 to 2015 in Shanghai

圖4 上海市各年代枯期、汛期降雨量占年降水量的比重Fig.4 Proportion of rainfall in flood and dry season since 1950s

(2) 汛期降雨量的空間分布

上海市汛期降水的分布具有明顯的區(qū)域性．對上海市63個雨量站(圖5)2009年4—9月累計降雨量數(shù)據(jù)進行空間插值分析(圖6)，可以看出，汛期降雨量呈現(xiàn)出市區(qū)高于郊區(qū)，東北地區(qū)高于西南地區(qū)的特點，與歷史氣象資料描述相符；內(nèi)澇發(fā)生點大都分布在汛期降雨量較高的區(qū)域，如中心城區(qū)、浦東新區(qū)中西部．

圖5 上海市63個雨量站位置分布圖Fig.5 Location of the 63 precipitation stations in Shanghai

圖6 上海市2009年汛期降雨量空間分布Fig.6 Spatial distribution of rainfall in flood season in Shanghai in 2009

(3) 暴雨的時空分布

按照中國常用分級標(biāo)準(zhǔn)，24h降水量50～100mm為暴雨，100～200mm為大暴雨，200mm以上為特大暴雨；上海市暴雨主要發(fā)生在6—9月主汛期，偶有發(fā)生在10月(圖7)，其他月份基本不發(fā)生，這與上海市歷年降水情況一致．此外，上海市強降雨主要集中在6、7、8月，又以8月最多；受梅雨和熱帶氣旋等因素的影響，大暴雨次數(shù)以8月下旬9月上旬最多，持續(xù)時間較長的暴雨則主要發(fā)生在6月下旬至7月上旬．在強降雨過程中，100mm/d以內(nèi)暴雨占主要部分，約73%，特大暴雨比較少見(圖8)．

圖7 2004—2015年各月暴雨發(fā)生次數(shù)占比Fig.7 Occurrence frequency of rainstorm in each month during 2004 to 2015

圖8 2004—2015年不同強度暴雨占比Fig.8 Proportion of different intensity of rainstorm during 2004 to 2015

從歷年暴雨發(fā)生的區(qū)域來看，上海市一般以局部暴雨為主，表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性(圖9)．2004—2015年，上海市暴雨、大暴雨主要發(fā)生在沿江和沿海地區(qū)，如浦東新區(qū)、中心城區(qū)和崇明縣，尤其以市區(qū)東部、浦東中西部、寶山東南部最多；總體上市區(qū)多于郊區(qū)，東北地區(qū)多于西南地區(qū)，沿海多于內(nèi)陸，作為上海市發(fā)生積水甚至形成內(nèi)澇災(zāi)害的直接誘發(fā)因子，與汛期降雨量的空間分布具有一致性(此統(tǒng)計中可能的誤差因素包括統(tǒng)計資料信息不全、不同時期和不同雨量站監(jiān)測方法手段差異等)．

(4) 暴雨內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生情況

根據(jù)歷年上海市內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生情況，可知內(nèi)澇災(zāi)害主要發(fā)生在汛期，總體上，暴雨造成的積水內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)與年雨量和汛期雨量大小呈顯著正相關(guān)性(圖10)．根據(jù)上海市水務(wù)局統(tǒng)計資料[39]，1979—2008年，暴雨造成積水事件的數(shù)量與暴雨強度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，也就是說，暴雨越強，造成的災(zāi)情越重，暴雨越弱，造成的災(zāi)情越輕．

圖9 2004—2015年各區(qū)縣大于50mm/d暴雨、大于100mm/d大暴雨發(fā)生次數(shù)所占比例Fig.9 The proportion of rainstorm over 50mm/d and 100mm/d occurred in each district of Shanghai during 2004 to 2015

圖10 1979—2008年上海市年雨量與內(nèi)澇災(zāi)害事件次數(shù)Fig.10 Precipitation of rainfall and occurance of waterlogging disaster in Shanghai during 1979 to 2008

3.2.2 土地利用/覆蓋變化對內(nèi)澇發(fā)生的影響

(1) 建成區(qū)擴張情況與內(nèi)澇發(fā)生點周邊用地結(jié)構(gòu)

上海市建成區(qū)擴張主要發(fā)生在中心城區(qū)邊緣地區(qū)以及松江、嘉定、青浦等區(qū)的新城區(qū)域，連綿集中的城市建成區(qū)已向近郊區(qū)蔓延；在市域范圍內(nèi)，城市空間沿交通廊道軸向發(fā)展．1997—2009年，上海市居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通走廊等建設(shè)用地面積顯著增加，中心城區(qū)幾乎全被建設(shè)用地覆蓋，并向近郊區(qū)蔓延；全市建成區(qū)面積增加了約29%，中心城區(qū)、近郊區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū)建設(shè)用地的增長幅度分別為10.47%、42.97%、24.14%，而生態(tài)用地規(guī)模下降了約30%，農(nóng)田、林地、水域均有不同幅度的減少(第188頁，圖11)．由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(第188頁，表2)可以看出，轉(zhuǎn)化成農(nóng)田的建設(shè)用地與轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地的農(nóng)田相比，后者不到前者的5%；轉(zhuǎn)化成建成區(qū)的綠地與轉(zhuǎn)化成綠地的建成區(qū)相比，前者面積是后者的9倍多．中心城區(qū)邊緣及遠(yuǎn)郊區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)化的生態(tài)用地大多被不透水表面所代替．內(nèi)澇發(fā)生點與建設(shè)用地分布呈現(xiàn)一致性，內(nèi)澇發(fā)生點及其周邊幾乎全為建設(shè)用地(圖11(d))，相對生態(tài)用地而言，建設(shè)用地透水性較低．

圖11 1997—2009年上海市土地利用/覆蓋分類圖Fig.11 Land use and land coverage maps of Shanghai from 1997 to 2009

用地類型2009年ΔS*/km2灘涂綠地建成區(qū)水體農(nóng)田裸地1997年灘涂7.528524.588019.12775.344239.42810.4122綠地8.9685509.8320797.8185117.5760430.929913.2534建成區(qū)1.611988.04521125.195325.784156.784613.1805水體11.5443116.1738120.3003239.221844.57792.6577農(nóng)田2.0439597.46231167.837385.6026864.846020.7180裸地0.00900.16834.41990.05850.08640.5850

*分別為1997至2009年灘涂、綠地、建成區(qū)、水體、農(nóng)田、裸地轉(zhuǎn)化為其他用地類型的土地面積．

(2) 不透水面分布

不透水地面不斷增加是城市化的顯著特征之一，作為城市的基質(zhì)景觀，它主導(dǎo)城市景觀格局與過程，體現(xiàn)城市地表覆蓋的變化[40]．2001—2009年，隨著城市化過程的推進，人口增加、人類社會經(jīng)濟活動加強，上海中心城區(qū)不透水面不斷增加(圖12)．

圖12 1997—2009年上海市中心城區(qū)NDISI空間分布Fig.12 Spatial distribution of NDISI in downtown Shanghai from 2001 to 2009

2009年，高不透水面指數(shù)分布與暴雨內(nèi)澇發(fā)生點分布呈現(xiàn)明顯的一致性(圖13)．雨水難以入滲到土壤，自然截留和洼地儲水能力大大減弱，因此不透水表面的增加導(dǎo)致徑流系數(shù)增大、降水更多地以地表徑流的方式匯入河網(wǎng)，暴雨來臨時城市地表雨水徑流的總量與流速增大、徑流歷時減少，對城市排水系統(tǒng)造成壓力，同時不透水蓋度高的流域地下水交換和基流減弱，從而增加了暴雨來臨時洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率[41-42]．

圖13 2009年上海市中心城區(qū)土地利用/覆蓋類型及NDISI分布Fig.13 (a) Land use map and (b) spatial distribution of NDISI in downtown Shanghai in 2009

3.2.3 人口分布情況

根據(jù)研究期間的人口規(guī)模變化情況，可知上海市人口呈現(xiàn)明顯的圈層分布模式，在總?cè)丝诓粩嘣黾拥那闆r下，各子區(qū)人口密度自中心城區(qū)向外逐漸減少(第190頁，圖14)；在變化動態(tài)方面，上海市人口呈現(xiàn)明顯的郊區(qū)化特征，人口流動趨勢表現(xiàn)為從中心城區(qū)向郊區(qū)遷移和擴散，尤以近郊區(qū)的人口增長更為迅速(第190頁，圖15)．這與建成區(qū)蔓延趨勢高度一致，主要受到上海市相關(guān)政策規(guī)劃的落實，中心城區(qū)房價持續(xù)上漲，中心城區(qū)功能置換，近郊、遠(yuǎn)郊地區(qū)住宅、工業(yè)用地的大規(guī)模建設(shè)和商業(yè)發(fā)展等因素的影響[43]．

內(nèi)澇易發(fā)區(qū)多分布在人口密集區(qū)域(第191頁，圖16)，如市區(qū)和黃浦江西岸地區(qū)，以及浦東新區(qū)沿黃浦江東岸部分地區(qū)．人口密度在多位學(xué)者的研究中被作為災(zāi)害的人口暴露度衡量指標(biāo)[44-47]；中心城區(qū)人口密度超過1萬人/km2，老年人口和兒童人口的密度也相應(yīng)比較高，面對災(zāi)害事件時，暴露度更高，因而在發(fā)生暴雨內(nèi)澇災(zāi)害時更易受到影響[10]．此外，中心城區(qū)人口密度與不透水區(qū)域的分布表現(xiàn)出較強相關(guān)性，究其原因，人口密集區(qū)域即人類活動密集區(qū)，對居住用地、商業(yè)用地、交通用地等建設(shè)用地的需求較高，導(dǎo)致不透水面比例較高[48-49]．

3.2.4 數(shù)字高程(DEM)與內(nèi)澇發(fā)生的關(guān)系

地勢高低決定了積水的區(qū)域．中心城區(qū)大部分地區(qū)DEM處于1.4m以下，主要分布在楊浦、虹口、閘北、普陀區(qū)南部，靜安、黃浦、盧灣區(qū)以及黃浦江沿岸區(qū)域，且與不透水地面的分布相對應(yīng)(第191頁，圖17)，內(nèi)澇發(fā)生概率增大．已有研究顯示[50-51]，由于地下水開采和城市工程建設(shè)等原因，上海市發(fā)生地面沉降，中心城區(qū)尤為嚴(yán)重；上海開埠時，地面原始高程大部分在吳淞零點以上4.0～5.0m；1921年發(fā)現(xiàn)地面沉降起至2006年，中心城區(qū)的地面已平均累計下沉1.96m，最嚴(yán)重地區(qū)下降了3.02m，形成了地面沉降的洼地(第191頁，圖18)．目前，通過控制地下水開采、采取地下水回灌措施，上海市地面沉降減緩，而近年來大規(guī)模、密集的城市建設(shè)一定程度上導(dǎo)致了地面沉降的繼續(xù)增長[52-53]．地面沉降超過1.0m的一級、二級沉降區(qū)面積占上海的3.2%，主要分布在屬于市區(qū)的8個區(qū)(楊浦、虹口、閘北、普陀、靜安、黃浦、長寧、徐匯區(qū))，其中一級區(qū)分布在楊浦-虹口-閘北-靜安-黃浦等區(qū)一帶．地面沉降最直接的影響是改變了上海自然的泄洪條件，同時降低了防汛堤/墻設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、影響地下管線運行，增加了洪澇災(zāi)害的概率．

圖14 1999、2004、2009年上海市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道人口密度(崇明數(shù)據(jù)缺失)Fig.14 Population density of towns and streets in Shanghai in 1999, 2004, 2009(1999、2004、2009年上海市人口密度分別為2071人/km2、2133人/km2、3030人/km2)

圖15 1997—2009年上海市各子區(qū)人口占總?cè)丝诒戎谾ig.15 Population distribution of the three subzones from 1997 to 2009

圖16 2009年(a)上海市(崇明數(shù)據(jù)缺失)及(b)上海市中心城區(qū)人口密度分布(人/km2)Fig.16 Population density distribution of Shanghai (a) and downtown Shanghai (b) in 2009

圖17 上海市及中心城區(qū)DEMFig.17 DEM of Shanghai and downtown Shanghai

圖18 上海市累計地面沉降等值線圖Fig.18 Distribution of land subsidence levels in Shanghai(來源： 上海地質(zhì)資料信息共享平臺，http：∥www.sigs.com.cn/)

3.2.5 排水系統(tǒng)建設(shè)

暴雨內(nèi)澇造成民居進水和道路積水，從而影響人民生產(chǎn)生活和道路交通．對上海市道路發(fā)生積水的原因進行分析(表3)，可以發(fā)現(xiàn)除局部降雨集中的主要原因(占44.68%)以外，與排水系統(tǒng)相關(guān)的原因占了45%以上．

圖19 上海市中心城區(qū)排水能力分布圖Fig.19 Distribution of drainage capacity of Shanghai downtown area(來源： 根據(jù)上海市水務(wù)局公開資料繪制)

積水原因占比/%局部降雨集中44.68內(nèi)河水位過高,限制排水泵站能力發(fā)揮,或郊區(qū)自流地區(qū)水位過高26.60排水系統(tǒng)不完善、低標(biāo)、空白、排水能力不足16.49建設(shè)工地施工影響4.26已建成排水設(shè)施而未充分發(fā)揮作用3.19排水管道設(shè)施受損0.53其他原因(如管道改排造成倒虹吸管、地勢低洼、缺少雨水排流口等)4.26

上海市規(guī)劃建設(shè)的排水系統(tǒng)中，已建成系統(tǒng)主要分布在中心城區(qū)(圖19)，其中，暴雨重現(xiàn)期普遍為半年至一年一遇標(biāo)準(zhǔn)，三至五年一遇的排水系統(tǒng)主要分布在浦東和虹橋兩大機場、虹橋商務(wù)區(qū)、陸家嘴金融區(qū)、上海南站、上海火車站等高度發(fā)達(dá)地區(qū)以及學(xué)校所在區(qū)域，表現(xiàn)出與區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展程度的顯著聯(lián)系．

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》GB 50014—2016的要求，我國超大城市(城區(qū)常住人口在1000萬以上)和特大城市(城區(qū)常住人口500萬以上1000萬以下)的雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期，中心城區(qū)為3～5年，非中心城區(qū)為2～3年，中心城區(qū)的重要地區(qū)為5～10年，中心城區(qū)地下通道和下沉式廣場等為30～50年；內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期則為50～100年．但與發(fā)達(dá)國家相比，我國北京、上海等各大城市當(dāng)前的排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)仍明顯偏低，歷史欠賬多，且內(nèi)澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)缺失(表4)．目前上海市城市排水與外圍防汛除澇設(shè)施能力不匹配，泵站、雨水管道等設(shè)施達(dá)標(biāo)率較低，已有設(shè)施排水能力難以應(yīng)對實際面臨的暴雨情況，這是造成區(qū)域積水隱患的重要因素，且在短期內(nèi)難以改變，再加上前文所述的中心城區(qū)土地高強度開發(fā)，水面率低、不透水面指數(shù)高，汛期更易形成澇災(zāi)．

表4 我國當(dāng)前雨水管渠、內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期與發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的對比

(續(xù)表)

注： 表格內(nèi)容根據(jù)參考文獻(xiàn)[54]整理．

3.3 多元Logistic回歸模型分析

中心城區(qū)內(nèi)澇發(fā)生點共計571個，隨機抽取的未發(fā)生內(nèi)澇樣本點共623個．

(1) 描述統(tǒng)計

由表5可知，樣本點中，48%的點發(fā)生了內(nèi)澇．樣本點DEM、排水能力、人口密度、NDISI及汛期降雨量的均值分別為0.38m、31.02mm/h、20868.52人/km2、0.26、1056.23mm，所有變量分布基本服從正態(tài)分布．

表5 描述統(tǒng)計

(2) 相關(guān)系數(shù)

由表6可知，所有相關(guān)系數(shù)不大，變量之間不存在多重共線性．

表6 變量相關(guān)系數(shù)

(3) 多元Logistic回歸分析

基于Python中的scikit-learn模塊進行分析．全部樣本點分析結(jié)果如表7(1)(看第194頁)所示．

隨機抽取90%的樣本點作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其余10%作為測試數(shù)據(jù)．分析結(jié)果如表7(2)(看第194頁)所示．

根據(jù)以上系數(shù)可知，在判別內(nèi)澇是否發(fā)生方面，DEM、NDISI、人口密度這3個因素的影響較大，分別起顯著的負(fù)向、正向、正向作用．DEM的系數(shù)是顯著的，表明保持其他因素不變的情況下，海拔越低，發(fā)生內(nèi)澇的可能性越高；NDISI的系數(shù)是顯著的，表明保持其他因素不變的情況下，不透水面指數(shù)越高，即地表透水性越差，發(fā)生內(nèi)澇的可能性越高；人口密度的系數(shù)是顯著的，表明保持其他因素不變的情況下，人口密度越高，受到內(nèi)澇影響的可能性越高，這是由于人口越密集，面對災(zāi)害的暴露度就越高．

汛期降雨的系數(shù)是不顯著的，可能的原因是： 由于降雨是具有區(qū)域性的，并非覆蓋整個研究區(qū)域，本研究中的各樣本點的降雨量通過統(tǒng)計雨量站整個汛期的累計雨量，進行插值計算得出，并非樣點發(fā)生或不發(fā)生內(nèi)澇時的降雨量，因此可能在相關(guān)性上出現(xiàn)偏差．

排水能力的系數(shù)是不顯著的，可能的原因是： 上海市排水能力高低與政策和規(guī)劃密切相關(guān)，排水系統(tǒng)分片區(qū)建設(shè)，中心城區(qū)作為人口聚集區(qū)，是上海市防澇排澇規(guī)劃與治理的重點區(qū)域，大部分地區(qū)排水能力相差不大；雖然在易發(fā)生內(nèi)澇的區(qū)域有所加強，但總體上仍滯后于防澇排澇的需求．

(4) 健壯性檢驗

隨機抽取80%的樣本點作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其余20%作為測試數(shù)據(jù)，結(jié)果見表7(3)．

表7 多元Logistic回歸分析結(jié)果

*P<0.1，**P<0.05，***P<0.01.

可以發(fā)現(xiàn)DEM、NDISI、人口密度的系數(shù)依然顯著，且方向一致，表明回歸模型結(jié)果是穩(wěn)定的，且模型的預(yù)測準(zhǔn)確率較高，均在95%以上．因此，DEM對內(nèi)澇發(fā)生起負(fù)向作用，NDISI和人口密度對內(nèi)澇發(fā)生起正向作用，排水能力和汛期降雨量的影響在本研究中不顯著．

因此，上海市中心城區(qū)暴雨內(nèi)澇的原因主要包括以下幾個方面：

1) 先天條件劣勢： 主要包括濱江臨海的地理位置、亞熱帶季風(fēng)性的多雨氣候、河網(wǎng)密布加上地勢低洼，以及內(nèi)河漲潮等影響排水的因素．城市遭受暴雨積水、形成內(nèi)澇災(zāi)害的整個過程中，降水是一個不受人為力量控制的隨機事件；地勢雖然可經(jīng)人為改造，但對于整個城市、特別是已建成的老城區(qū)來說，改造的潛力有限且難度巨大．

2) 后天防御能力缺陷： 上海的城市排水是通過地面下的排水管道把雨水排入排水泵站，再由泵站把雨水排入河道，來完成排水防積水的效果．在部分地勢低洼地區(qū)以及河流水位較高的區(qū)域，排水管網(wǎng)系統(tǒng)的功能幾乎完全倚賴泵站的工作，如果泵站未及時開機工作或管網(wǎng)中原有積水在暴雨來臨前未及時排空，管網(wǎng)就無法容納新降下的雨水，從而失去排水能力；相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施存在蓄、調(diào)、排、擋能力嚴(yán)重不足的問題，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后于城市發(fā)展，部分防汛基礎(chǔ)設(shè)施薄弱；排水系統(tǒng)屬于分片區(qū)的規(guī)劃建設(shè)，在易發(fā)生內(nèi)澇的地區(qū)規(guī)劃和建設(shè)加大了排水力度，但無法滿足排澇需求，反映出上海市防汛基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)和維護管理機制尚未完善的深層次問題．同時，大部分城鎮(zhèn)化地區(qū)以不透水地面為主，導(dǎo)致強降雨期間對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的依賴性較強，也影響區(qū)域的產(chǎn)流匯流情況，增大了內(nèi)澇發(fā)生的可能性；地面沉降導(dǎo)致部分地區(qū)形成洼地，改變了上海自然泄洪條件，同時降低了防汛能力．

3) 人口分布比較集中： 盡管上海市人口已逐步向近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)疏散，但總?cè)丝诔掷m(xù)增加，作為城市的社會經(jīng)濟活動中心，中心城區(qū)仍將聚集大量人口．

3.4 對策建議

上海城市暴雨內(nèi)澇主要造成人居淹水、道路積水、排澇防洪及其它相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施方面的壓力，暴雨引起的內(nèi)澇問題，實質(zhì)是由于暴雨徑流不能及時排出而引起的局部地面受淹，它兼有自然災(zāi)害與人文災(zāi)害的雙重性質(zhì)．在人口總量持續(xù)增加、氣候變化導(dǎo)致降雨量呈增加趨勢，而先天條件劣勢難以改變的情況下，排水系統(tǒng)的優(yōu)化、災(zāi)害的預(yù)測預(yù)警、城市下墊面狀況、相關(guān)城市基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃與建設(shè)，成為應(yīng)對內(nèi)澇災(zāi)害的重點所在．

(1) 多管齊下，加強排水系統(tǒng)建設(shè)

完善的排澇體系才能形成有效排澇能力，作為綜合大系統(tǒng)，上海等大城市的排水系統(tǒng)涉及地面與地下的多個環(huán)節(jié)，其中某一環(huán)節(jié)不匹配都可能影響排水效率，導(dǎo)致城市積水難以及時排出．因此，應(yīng)多管齊下，在地面上增加雨水滲透率，在地下加強排水蓄水，充分利用河道、廣場、綠地等分擔(dān)雨量，并盡量增加地面透水性；在有限的城市空間中注意地下調(diào)蓄池及分洪排水管道的建設(shè)；將城市排水管網(wǎng)與排水泵站、調(diào)蓄池、可滲透路面以及現(xiàn)有河網(wǎng)水系統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、合理調(diào)度、效應(yīng)互補，以有效降低城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險．應(yīng)借鑒發(fā)達(dá)國家和地區(qū)經(jīng)驗，逐步建立起城市排水、內(nèi)澇防治和城市防洪三合一的工程體系，從源頭、過程和末端進行綜合控制．

(2) 加強風(fēng)險預(yù)測和公共安全預(yù)警體系的規(guī)劃建設(shè)

加大應(yīng)對城市暴雨內(nèi)澇的科研力度與科研投入，根據(jù)上海市降雨特征和產(chǎn)匯流情況改進暴雨強度和相關(guān)參數(shù)計算方法．加強相關(guān)先進方法技術(shù)的實踐、信息化建設(shè)和多部門聯(lián)動，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，建設(shè)綜合性的城市災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警平臺和決策支持系統(tǒng)，提高預(yù)警能力，完善預(yù)警機制．建立暴雨內(nèi)澇災(zāi)害災(zāi)前評估和災(zāi)后評價機制，為制定合理的應(yīng)急處理方案、提高政府決策部門效率提供支持．

(3) 加強規(guī)劃設(shè)計前瞻性，提高城市基礎(chǔ)設(shè)施的完備性和冗余度

借建設(shè)海綿城市之機，以生態(tài)規(guī)劃和低影響開發(fā)(Low Impact Development, LID)理念指導(dǎo)城市規(guī)劃建設(shè)，從城市頂層設(shè)計的高度考慮雨水徑流的控制，優(yōu)化排水系統(tǒng)劃分，優(yōu)化土地利用格局，增加城市透水地面；同時，上海市排水系統(tǒng)的提標(biāo)改造應(yīng)充分考慮現(xiàn)狀排水設(shè)施情況和改造條件，“蓄排結(jié)合”，在城市規(guī)劃和建設(shè)中強化對地面沉降的考慮，不斷提高基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足并超前于城市發(fā)展的需要．

(4) 加強城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施在應(yīng)對和適應(yīng)氣候變化方面具有關(guān)鍵性作用，也是最具操作性和實踐性、直接影響居民生產(chǎn)生活和城市運行的途徑[55]．上海市中心城區(qū)對各種基礎(chǔ)設(shè)施的需求和要求高于其它地區(qū)，老舊小區(qū)也主要分布于中心城區(qū)．應(yīng)進一步推動舊區(qū)改造，提高基礎(chǔ)設(shè)施防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，利用傳統(tǒng)“灰色基礎(chǔ)設(shè)施”組織排水的同時，應(yīng)加強“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”建設(shè)，如打通城市基本生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與綠道，充分利用河道水系的排澇功能，改造高于地面的綠化帶，在非受壓地段采用滲水鋪裝等．

(5) 加強管理體制機制建設(shè)

從解決實際問題出發(fā)，落實管理維護責(zé)任，降低人為風(fēng)險，使排水管網(wǎng)的作用能夠有效發(fā)揮，排水泵站等設(shè)施能安全運轉(zhuǎn)；加強行業(yè)、部門聯(lián)動，合力進行防澇排水，深化協(xié)同機制．管道養(yǎng)護與環(huán)衛(wèi)部門在防汛工作上對接，與社區(qū)街道、重點單位聯(lián)防聯(lián)動，推進公眾宣傳工作，在保障道路雨水口暢通、緩解汛期道路積水、強化公眾預(yù)防等方面發(fā)揮積極作用．

4 結(jié) 論

本文基于統(tǒng)計資料及地理空間信息，綜合分析了上海市暴雨內(nèi)澇發(fā)生情況與致災(zāi)因子、區(qū)域自然地理條件和社會經(jīng)濟條件的關(guān)系，并基于GIS和Python的scikit-learn模塊得出判別內(nèi)澇是否發(fā)生的回歸模型．結(jié)果表明，該回歸模型準(zhǔn)確率較高，地勢高低、人口分布和不透水面分布是影響上海市內(nèi)澇發(fā)生率的主要因素．對此，建議推動風(fēng)險預(yù)測和公共安全預(yù)警體系的規(guī)劃建設(shè)，加強城市規(guī)劃設(shè)計與建設(shè)的前瞻性、加強綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善防洪排澇管理體制與協(xié)作機制．

本文根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可獲取性和收集情況，得到以上研究結(jié)果，但尚存在一定的局限性．判別某地是否發(fā)生內(nèi)澇需綜合考慮各種因素，本研究僅重點考察了其中部分因素．由于數(shù)據(jù)限制，本研究用2009年的數(shù)據(jù)對影響上海市暴雨內(nèi)澇發(fā)生的因素進行了分析，對回歸模型進行了訓(xùn)練與測試，預(yù)測準(zhǔn)確率較高，能夠為上海市及我國其他城市在內(nèi)澇相關(guān)因素的分析和內(nèi)澇發(fā)生可能性的預(yù)測上提供一定的參考．若能在更長的時間跨度和更細(xì)的空間粒度上引入進一步的數(shù)據(jù)，并添加河道、水系分布情況，內(nèi)澇發(fā)生時的實時實地降雨情況，詳細(xì)的排水系統(tǒng)分布等模塊，可對模型進行進一步的驗證和修正，使其更完備，以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和模型的實用性．

致謝： 本研究得到了上海市氣候中心和上海市水務(wù)局的支持，特此致謝．

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