基于海綿城市建設適宜性與內澇風險性的內澇防控策略研究

任建超，謝水波

(1.南華大學建筑學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學土木工程學院，湖南 衡陽 421001)

內澇是我國頻發(fā)的自然氣象災害和城市問題之一[1-2]。部分發(fā)達國家關于城市內澇防控的研究比較成熟，如美國的最佳管理措施(BMPs)、低影響開發(fā)(LID)、綠色基礎設施(GI)和澳大利亞的水敏感性城市(WSUD)等雨洪管理理念[3-4]。我國學者借鑒國外雨洪管理體系，結合我國古代“天人合一”治水思想和生態(tài)城市建設目標，提出了從低影響開發(fā)到海綿城市的治水理念，構建“水彈性城市”[5]。海綿城市建設作為我國新型城鎮(zhèn)化下的雨洪管理體系，在城市內澇、黑臭水體等水問題的治理中已取得顯著效果。自2015年起，我國開展海綿城市試點建設，由于起步較晚，經(jīng)驗不足，對城市積水、空間環(huán)境等基礎條件分析不足，導致城市內澇防控中出現(xiàn)海綿城市建設選址不利和建設時序效益低等問題[6]。

楊文輝等人以常州海綿城市建設為例，將閑置用地納入海綿城市建設系統(tǒng)，提出經(jīng)濟可行的近遠期海綿城市建設管控策略[7]；曹萬春等人基于ArcGIS空間分析功能對水文地質特征和海綿建設條件進行評價，提出海綿城市管控要求和指標[8]；王帥偉等人從環(huán)境地質角度出發(fā)，通過對海綿體環(huán)境地質參數(shù)與海綿能力關系研究，以焦作市為例，進行海綿城市建設適宜性評價[8]。

上述研究關于海綿城市建設選址與建設時序規(guī)劃方法主要集中于工程地質條件方面的影響，缺乏對城鎮(zhèn)社會經(jīng)濟、內澇風險等內澇防控需求性方面的考慮。因此，本文以南方沿海某工業(yè)城鎮(zhèn)為例，運用AHP-熵權法從自然地理、社會及經(jīng)濟等多方面考慮，構建海綿城市適宜性評價體系，識別海綿城市建設適宜空間，并采用情景模擬的方法識別內澇風險空間，綜合考慮海綿城市建設適宜程度與內澇風險程度，基于海綿城市理念，探索海綿城市內澇防控策略。

1 研究區(qū)現(xiàn)狀

1.1 自然-社會現(xiàn)狀

研究區(qū)位于東莞市某鎮(zhèn)西片區(qū)，地處南方沿海珠江口東南岸，背山面海，具有水資源豐富，降雨強度大，雨季長等特點，年平均降雨量2042.6mm，受臺風影響較嚴重，暴雨內澇災害主要集中在5—10月份。所選研究區(qū)域東、西、南均被河道包圍，地勢自北向南降低，北部為丘陵山脈，南部為沖積平原及灘涂，面積約為9.65km2，高程范圍在0～120m。近年來，隨著工業(yè)經(jīng)濟迅速發(fā)展，外部輸入人口數(shù)量加大，城鎮(zhèn)土地建設密度較大，綠地空間減少。土地利用功能主要分為工業(yè)、公共服務、公寓住宅、城中村及其它用地，面積分別約為3.01、0.39、1.04、0.23、4.98km2，其占比分別為31.19%、4.04%、10.78%、2.38%、51.61%。

1.2 歷史內澇點分布

采用實地調研的方法對研究區(qū)內澇點分布、水深進行走訪，走訪人員主要包括商鋪、出租車與摩的等道路附近從業(yè)人員。其詢問方式，經(jīng)過多人對比驗證，數(shù)據(jù)具有可靠性。較淺歷史積水點走訪難度較大，因此主要對積水較嚴重的內澇點進行記錄，共記錄內澇點31個，根據(jù)其內澇深度主要分為0.2～0.5m及大于0.5m二級。其中，0.2～0.5m積水點27處，大于0.5m的積水點4處，主要分布于道路交叉口、廠房門口及洼地，如圖1所示。根據(jù)走訪記錄和查閱相關文獻，研究區(qū)內澇主要原因有降雨強度較大、河道頂托、地勢低洼、管道承載力較低及管網(wǎng)系統(tǒng)不完善等。

圖1 研究區(qū)積水分布現(xiàn)況

2 海綿城市建設適宜性評價

2.1 指標選取

從水循環(huán)系統(tǒng)的角度出發(fā)，城市內澇主要原因是多種因素導致的水循環(huán)系統(tǒng)的割裂與破壞，主要包括自然條件和城市規(guī)劃建設兩個方面。自然條件方面包括地形地貌、植被破碎和超標降雨等因素，城市規(guī)劃建設方面包括傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化、管道排水能力不足和河水倒灌等因素[10-11]。因此完善水循環(huán)系統(tǒng)是排水防澇的關鍵。本文所研究水循環(huán)為廣義水循環(huán)的陸地空間次級系統(tǒng)，是指雨水在陸地的徑流循環(huán)過程，主要包括自然水循環(huán)系統(tǒng)和工程性水循環(huán)系統(tǒng)。基于海綿城市理念，自然水循環(huán)系統(tǒng)主要是指以水系、濕地和綠地等自然地理為代表的“綠”排水系統(tǒng)，工程性水循環(huán)系統(tǒng)主要是指以排水管道、市政設施和道路等城市建設為代表的“灰”排水系統(tǒng)，同時在城市建成空間水循環(huán)階段應考慮城市“人口-經(jīng)濟”安全。

考慮指標的全面性、權威性和可獲取性，基于海綿城市理念，從水循環(huán)系統(tǒng)角度識別內澇防控要素，在自然地理、城市建設和人口經(jīng)濟三個方面選取了高程、坡度、植被、水系、建筑密度、管網(wǎng)密度、距離道路、人口密度及用地功能9個指標。

2.2 分值量化評價

根據(jù)所選指標特征屬性和研究目標對各個指標進行量化分級，見表1。在自然地理方面，高程與坡度越小，地表越容易積水，越適宜海綿城市建設，采用GIS重分類的5級自然斷點法劃分為5級；綠地與水系本身雨洪調蓄能力較強，距離綠地與水系越遠對海綿城市建設的需求越大，因此在植被與水系周邊分別以200、400、600、800、1000m為半徑創(chuàng)建緩沖區(qū)。在城市建設方面，建筑密度與管網(wǎng)密度越小，越適宜海綿設施選址，采用GIS重分類的5級自然斷點法劃分為5級；道路作為重要的雨洪行泄通道和易積水區(qū)域，距離道路越近，海綿設施需求性越高，因此根據(jù)道路密度和地塊實際情況，以50、100、500、1000、2000m為半徑創(chuàng)建緩沖區(qū)。在人口經(jīng)濟方面，以定性評價方式進行打分量化評價，人口密度越大易損性越高，對海綿城市建設需求越高。通過百度熱力圖采集2020年8月16日(周日)和8月17日(周一)兩天均勻的10個節(jié)點人口分布進行疊加綜合，得出人口密度空間分布，并采用GIS重分類的5級自然斷點法劃分為5級，1～5級定性評價分別為：分散、較分散、一般、較擁擠及擁擠，對應分數(shù)取值范圍為0～1、1～2、2～3、3～4、及4～5[12]；用地功能通過影像圖手動解譯和實地調研的結合，經(jīng)濟價值和產(chǎn)值越高，其脆弱性越大，易損性越高，對海綿城市建設需求越高。根據(jù)一層建筑經(jīng)濟價值和產(chǎn)值情況定性劃分為5個等級，1～5級經(jīng)濟價值定性劃分為：其它、城中村、公寓、公共服務及工業(yè)，對應分數(shù)取值范圍為0～1、1～2、2～3、3～4、及4～5。

表1 海綿城市建設適宜性評價指標量化分級

2.3 指標綜合權重賦值

2.3.1評價體系構建

分析所選指標的屬性及關聯(lián)性，為降低層次分析法主觀性的影響，本文采用AHP-熵權法構建海綿城市建設適宜性評價體系，如圖2所示。對自然地理(H)、城市建設(S)及人口經(jīng)濟(V)指標進行疊加分析，從而對研究區(qū)進行海綿城市建設適宜性區(qū)劃，即：

圖2 海綿城市建設適宜性評價體系

A=H×WH+S×WS+V×WV

(1)

式中，A—最終海綿城市建設適宜性結果，值越大，適宜性越高；Wi—權重。

2.3.2指標綜合權重確定

(1)層次分析法

層次分析法是定量與定性相結合的權重決策分析方法，通過專家打分，參考1～9標度法對各層指標兩兩比較，判斷各層指標重要程度。其數(shù)學公式為，元素i與j相比為aij，則元素j與i相比取aji=1/aij[13]。以公式CR=CI/RI進行判斷矩陣一致性檢驗，式中CI為一致性指標；CR為平均一致性指標；RI為隨機一致性指標。當CR<0.1，判斷矩陣一致性符合計算要求，相反，不符合。

(2)熵權法

采用熵權法進行加權綜合評價，由于各指標量綱不同，需要對各指標值進行歸一化處理，即：

(2)

(3)

式(2)、(3)中，Yij—第j個指標的第i個值；Xi—標原始數(shù)值；Xmin—第j個指標的最小值；Xmax—第j個指標的最大值。

熵權法是一種客觀賦權方法，指標的熵值越小，其離散程度越大，該指標對綜合評價的影響越大，即權重越大。當研究區(qū)指標像元數(shù)為n，指標數(shù)為m，則指標矩陣為R=(rij)m×n，則第i個指標的熵定義為：

(4)

式中，Hi—第i個指標的熵，n—像元的個數(shù)；其中fij為：

(5)

式中，Zij—第i個指標下第j個評價對象的標準化后的指標值，則第i個指標熵權定義為：

(6)

(3)指標綜合權重

表2 海綿城市建設適宜性評價指標綜合權重

2.4 海綿城市建設適宜性評價

基于GIS空間分析功能，依據(jù)各指標權重，進行各指標疊加分析，通過重分類的5級自然斷點法進行等級劃分，實現(xiàn)海綿城市建設適宜性評價。根據(jù)得分，將海綿城市建設適宜程度劃分為5個等級，1～5級分別為極不適宜建設區(qū)、較不適宜建設區(qū)、一般適宜建設區(qū)、較適宜建設區(qū)和極適宜建設區(qū)。分別根據(jù)層次分析法和AHP-熵權法兩種方法所得權重進行海綿城市建設適宜性區(qū)劃，對兩種方法的適宜程度結果進行統(tǒng)計，見表3。發(fā)現(xiàn)層次分析法與AHP-熵權法海綿城市建設適宜性評價所得結果顯示不同海綿城市建設適宜區(qū)所占比例雖然不同，但是空間分布具有一致性，如圖4所示。AHP-熵權法與層次分析法相比，極不適宜、較不適宜與一般適宜區(qū)面積均減少，較適宜區(qū)與極適宜區(qū)均增加，其中較適宜區(qū)比例增加較多。

表3 AHP與AHP-熵權法評價結果統(tǒng)計表

如圖3(b)所示，根據(jù)AHP-熵權法的海綿城市建設適宜性評價結果，結合各指標量化結果可以看出，極適宜與比較適宜海綿城市建設區(qū)為56.8%，主要位于管網(wǎng)密度較小、建筑密度較小的道路、水系、植被周邊及中西部工業(yè)區(qū)域，在建筑、管網(wǎng)密度較高區(qū)域和人口分布較密集的區(qū)域較少且分散。從高程與坡度方面來看，除北部丘陵區(qū)域外，研究區(qū)整體地勢平坦，于高程來講，主要分布于0～8.83m，于坡度來講，主要分布于0～2.85度；一般適宜建設區(qū)為23.67%，分布較為分散，主要分布于道路兩側，丘陵邊緣以及南部灘涂地區(qū)；較不適宜建設區(qū)與極不適宜建設區(qū)為19.54%，主要分布于北部高程、坡度較大的丘陵區(qū)和人口、管網(wǎng)及建筑密度較大的公寓、工廠住宅區(qū)。

圖3 海綿城市建設適宜性評價結果

3 內澇風險性評價

3.1 模型構建

通過MIKE水文水動力模型構建MIKE URBAN一維排水管網(wǎng)和MIKE 21二維地表漫流模型，并以MIKE FLOOD模型進行一、二維耦合，模擬研究區(qū)50年重現(xiàn)期120min降雨情景下的內澇情況[16-17]。

3.2 模型率定

由于缺乏歷史氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)2018年8月30日最大120min降雨量接近東莞市2年重現(xiàn)期120min降雨量，因此通過東莞市暴雨強度公式計算2年重現(xiàn)期120min降雨雨型進行情景模擬，如圖4所示，通過情景模擬的積水情況與歷史內澇點進行對比的方法進行模型驗證。去除深度小于0.2m的積水區(qū)，最終結果與歷史內澇點進行宏觀對比，發(fā)現(xiàn)符合率達到87.1%，見表4，因此模型能大體反映研究區(qū)積水情況。

圖4 2年重現(xiàn)期120min降雨雨型

表4 模擬結果積水點與歷史內澇點對比表

3.3 50年重現(xiàn)期內澇風險性評價

根據(jù)GB 51222—2017《城鎮(zhèn)內澇防治技術規(guī)范》規(guī)定，地面積水設計標準包括一般道路積水深度不超過0.15m和居民住宅、工商業(yè)建筑物的底層不進水[18]。因此，參考相關內澇防控案例，依據(jù)淹沒深度與淹沒歷時劃分內澇風險等級(B)，分別為無風險、低風險、中風險及高風險4個等級，其劃分標準參照表5。

表5 淹沒風險等級劃分標準

根據(jù)東莞市重現(xiàn)期區(qū)間參數(shù)暴雨強度公式，計算50年重現(xiàn)期120min短歷時降雨雨型，如圖5所示。通過MIKE FLOOD軟件獲取50年重現(xiàn)期降雨的內澇風險區(qū)劃圖，如圖6所示。其中積水主要集中在道路、地勢低洼及平坦區(qū)域，在山地周邊的地勢較高、坡度較大區(qū)域，沿道路形成洪流，其水深及過水時間以低風險和中風險為主；高風險區(qū)域主要分布于主干道、管網(wǎng)下游道路及洼地。

圖5 50年重現(xiàn)期120min降雨雨型

圖6 50年重現(xiàn)期內澇風險性評價結果

4 結果分析

通過ArcGIS空間疊加分析功能，將上述所得海綿城市建設適宜性評價與內澇風險性評價分別進行重分類賦值。海綿城市建設適宜性評價中將極不適宜建設區(qū)(A1)賦值10，較不適宜建設區(qū)(A2)賦值20，一般適宜建設區(qū)(A3)賦值30，較適宜建設區(qū)(A4)賦值40，極適宜建設區(qū)(A5)賦值50。內澇風險性評價中將無風險區(qū)(B0)賦值0，低風險區(qū)(B1)賦值1，中風險區(qū)(B2)賦值2，高風險區(qū)(B3)賦值3。將海綿城市建設適宜性評價Am與內澇風險性評價Bn疊加分析得到值為mn的ABmn，如圖7所示。

圖7 海綿城市建設適宜性與內澇風險性評價疊加方法

基于ArcGIS軟件的柵格計算器分析功能，對海綿城市建設適宜性與內澇風險性評價進行疊加統(tǒng)計，見表6，剔除與海綿城市建設極不適宜區(qū)相疊加的內澇無風險區(qū)AB10，繪制海綿城市建設適宜性與內澇風險性評價疊加結果圖，如圖8所示。結果發(fā)現(xiàn)無風險區(qū)中的AB10、AB20、AB30、AB40、AB50所占比例較高，其中AB40比例最高，為32.04%，主要分布于西部、西南部工廠區(qū)及道路周邊。分布于海綿城市建設極不適宜建設區(qū)和較不適宜區(qū)中的低風險、中風險、高風險區(qū)(AB11、AB12、AB13、AB21、AB22、AB23)所占比例總和為0.38%，其中AB23比例最高，為0.15%，主要分布于中部與中南部工廠區(qū)。分布于海綿城市建設一般適宜建設區(qū)、較適宜建設區(qū)和極適宜區(qū)中的低風險、中風險、高風險區(qū)(AB31、AB32、AB33、AB41、AB42、AB43、AB51、AB52、AB53)所占比例總和為4.79%，其中AB53比例最高，為1.11%，主要分布于北部東西向主要道路區(qū)和中南部工廠區(qū)。

圖8 海綿城市建設適宜性與內澇風險性評價疊加結果

表6 海綿城市建設適宜性與內澇風險性評價疊加統(tǒng)計結果

5 內澇防控策略

分析海綿城市建設適宜性和內澇風險性評價疊加結果，參考《海綿城市建設技術指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行)》[19]，基于海綿城市理念，從雨洪生態(tài)安全格局、三級海綿排水防澇體系和內澇災害應急管理體系3個方面構建內澇防控體系[20-21]。

5.1 雨洪生態(tài)安全格局構建

分析現(xiàn)狀雨洪生態(tài)格局，對自然水循環(huán)系統(tǒng)中的水綠生態(tài)格局和工程性水循環(huán)系統(tǒng)中的排水管道系統(tǒng)進行梳理[22]。根據(jù)海綿城市建設適宜程度和內澇風險程度，指導城市水系、植被生態(tài)空間修復，完善自然水循環(huán)系統(tǒng)，同時結合管道排水能力的分析完善工程性水循環(huán)系統(tǒng)，并對自然水循環(huán)系統(tǒng)和工程性水循環(huán)系統(tǒng)進行銜接和統(tǒng)一。

5.2 三級海綿排水防澇體系構建

基于雨洪生態(tài)安全格局系統(tǒng)，依據(jù)城市道路與排水系統(tǒng)，劃分海綿單元體。根據(jù)海綿城市建設適宜性和內澇風險性評價疊加結果，合理布局海綿設施，構建源頭減排、中途控制和末端調蓄的三級海綿排水防澇體系[23-25]。

源頭方面，主要應用于海綿城市建設適宜程度較高和內澇風險程度較低的場地，通過LID設施進行源頭減排，主要采用海綿城市的“滲、滯、蓄、凈”四個功能；針對部分海綿城市建設不適宜程度和內澇風險程度較高區(qū)域，主要結合現(xiàn)狀雨水管渠，采取地面豎向設計和地上豎向綠化方式進行源頭控制，不適宜采用“蓄”的功能，在高程及坡度較大的山地區(qū)域以保持原始地表水文為主。

中途方面，中途控制設施主要包括管道排水、地表排水、水系排水及中途水量調節(jié)，優(yōu)先選取海綿城市建設適宜程度和內澇風險程度較高的區(qū)域，結合地下已有的大排水系統(tǒng)、綠地系統(tǒng)和傳統(tǒng)管網(wǎng)，構建“灰綠”設施相結合的大小排水系統(tǒng)，以海綿城市“排、蓄”功能運用為主；針對海綿城市建設不適宜程度和內澇風險程度較高區(qū)域，通過現(xiàn)狀排水管道系統(tǒng)和地面豎向設計排水相結合，可構建地下、地上相結合的雨洪行泄通道，以運用“排”功能為主。

末端方面，結合中途控制應對超標降雨導致的內澇高風險區(qū)，優(yōu)先選取水系、植被較多的海綿城市建設適宜程度較高區(qū)域，通過濕地、公園及河道系統(tǒng)進行末端調蓄，以海綿城市的“蓄、用、排、凈”功能為主；針對海綿城市建設適宜程度較低的區(qū)域，充分利用現(xiàn)況水系、植被和洼地進行雨洪調蓄。

5.3 內澇災害應急管理體系構建

成立城市發(fā)展水務管理中心，運用大數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)技術，構建內澇災害應急管理平臺，實現(xiàn)內澇災害風險的快速預警[26-27]。依據(jù)內澇風險程度，完善相應的災害防控基礎設施、防災減災方案及物資儲備。對中高風險地區(qū)實施重點監(jiān)控與快速救援，低風險地區(qū)以內澇災害自我防控為主，提高城市應對內澇災害的彈性。另外，結合文化宣傳部門，組織內澇風險防控宣傳教育活動，加強城市居民內澇風險防控宣傳教育[28]。

6 結論

本文采用GIS與MIKE輔助進行海綿城市建設適宜性與內澇風險性評價，識別不同區(qū)域的海綿城市建設適宜程度與內澇風險程度。并通過海綿城市建設適宜性與內澇風險性評價疊加分析，從城市雨洪生態(tài)安全格局、三級海綿排水防澇體系和內澇災害應急管理體系3個方面指導城市內澇防控，實現(xiàn)精細化的海綿設施布局與建設時序規(guī)劃，提高城市內澇防控中的海綿城市建設的科學性與高效性。