常州市城市内涝风险评估体系的构建

白婉萍，杨宇栋，李正兆

(常州市规划设计院，江苏常州213002)



常州市城市内涝风险评估体系的构建

白婉萍，杨宇栋，李正兆

(常州市规划设计院，江苏常州213002)

摘要：为全面提高城市排水防涝能力，有效应对暴雨侵袭，应首先对城市内涝风险进行科学评估。各地的内涝主要成因区别较大，风险评估的手段及侧重点各不相同。文章以常州为例，阐述了平原水网城市的内涝风险评估体系构建思路、评估方法、技术手段，为判断内涝风险程度、识别系统瓶颈、确定规划应对措施提供了有力的支撑，对同类城市的相关实践有着较好的借鉴作用。

关键词：城市内涝；常州；风险评估；量化指标；耦合模型

当前暴雨内涝已成为众多城市的顽疾，引起了党中央、国务院的高度重视。根据国务院办公厅《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》(国办发[2013]23号)精神，全国各城市都展开了城市排水防涝综合规划编制工作。按照住建部2013年6月颁布的《城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲》(以下简称《大纲》)要求，应首先对城市内涝风险进行科学评估。

受地形地貌、降雨、水文特性及系列资料完整度等因素影响，各地内涝的主要成因区别较大，风险评估的手段及侧重点也各不相同[1-2]。常州作为典型的平原水网城市，排水防涝体系已形成了依托城市行洪外河为屏障，以内河、闸站设控为主的水利系统与排水管网系统相结合的有机构架[3]，其城市内涝风险评估体系的构建应着力于风险因子识别、评估方法选择、量化指标建立以及基于水力模型的演算。

1风险因子及评估方法

1.1　风险因子识别

按灾害风险理论，风险可视为致灾因子的危险性、承灾体的暴露性和脆弱性相互作用而构成的有机整体，主要构成元素包括危险性影响因子、暴露性影响因子和脆弱性影响因子[4]。从内涝防治角度，平原水网城市的各类风险影响因子定义和分类如下。

1.1.1危险性

定义：一定区域因排水防涝设施能力难以应对设计降雨所导致的积水深度大小，可用不同深度的积水对不同承灾体可能造成的危害程度来表征风险。

在平原水网城市，主要以排水管网的能力、泵站的规模和河网调蓄能力，通过一定关联反应表征为积水深度。设计降雨危险性非人工所能改变，代入模型作为运行背景。

1.1.2脆弱性

定义：一定的社会、经济、制度、文化和环境背景下，城市一定区域的承灾体在面对洪涝灾害时表现出易于受到伤害的性质[1]，一般表征为系统的敏感性、恢复能力、应对能力。具体因子为低洼地区、综合径流系数、积水时长、河网间距、合流制地区。

1.1.3暴露性

定义：城市区域暴露于由一定发生概率的致灾因子引发的洪涝灾害中的人员、财产、建筑、生命线系统的数量和价值，实际上可理解为评估对象的量化。

具体影响因子：

1)区域人口密度：一般地区按此量化。

2)重要地区：行政中心、医院、学校、交通枢纽、商业聚集区等重要公共服务设施、保障性大型基础设施(水、电、气)、防涝救灾指挥机关用地、城市主干道及以上等级道路。

1.2　评估方法选用

较流行的内涝风险评估方法主要有历史灾情数理统计法、指标体系评估法、遥感图像和GIS技术耦合评估法、情景模拟评估法[4]等4类，均建立在国内外专家学者的理论研究基础上，并无绝对的硬性使用要求。各方法之间存在一定的关联度，可综合采用。几种评估方法特点比较如表1。

表1　不同评估方法比较

从专项规划的层次要求而论，城市排水防涝综合规划更多地注重相对宏观的指导性，一般采用中尺度以上区域的风险评估较为合适。为确保规划编制的科学性、前瞻性和可操作性，根据现有条件，常州市城市内涝风险评估采用基于情景模拟和指标体系相结合的方法，辅以近年的历史灾情数理统计进行验证。

2量化指标体系建立

2.1　风险等级

为经济合理地指导排水防涝改造建设，避免满城开挖，常州市城市排水防涝综合规划将风险等级分成高、较高、中、低4级[5]，在近期、中期分别重点解决高及较高风险地区改造。在风险A量化考核上参照上海、北京、武汉等地习惯做法，采用10分制打分，详见表2。

表2　风险量化考核

采用计算公式

A=(e∑B+e∑C)Dii=1,2

式中：A为综合风险等级分；B为危险性影响因子；C为脆弱性影响因子；Di为暴露性影响因子；e为权重。

2.2　风险因子权重

在多因子叠加分析中，因子的权重具有举足轻重的作用。由于各城市的自然条件差异较大，同一影响因子在不同城市暴雨应对中的重要性差别很大，本着科学严谨的态度，常州在充分研判现状基本特征的基础上，选取对暴雨内涝影响显著的积水深度、地形高程、综合径流系数、河网间距、积水时长、管网是否合流制等主要因子，特邀国内5名资深专家赋权打分，并选择若干现有典型易涝区计算比对和试算调整，确定各因子的权重。表3列举了城市内涝灾害的主要风险评估因子。

表3　城市内涝灾害主要风险评估因子

2.3　风险因子指数

2.3.1危险性风险因子指数

作为危险性风险因子的积水深度是模型在综合排水管网和闸站运行能力、河网调蓄能力等基础上运算的结果，是内涝风险的直接体现。参照《城镇排水系统标准体系研究报告》及上海、武汉和北京等地的积涝程度分级，结合常州的客观实际，积水深度H风险指数采用5分制赋分。不同地区、不同积水深度的取值见表4。

表4　积水深度H风险指数

2.3.2脆弱性风险因子指数

1)低洼地区泛指地势较周边地区低，在正常排水条件下难以自行排水、易形成积水内涝的地区，采用5分制打分。表5为低洼地区地形高程分值。

表5　低洼地区地形高程h的分值

2)综合径流系数R。径流系数是反映下垫面的一个重要参数，它与地面硬化程度、渗透性、地面坡度等有关。综合径流系数对危险性来说存在正负的关联，综合径流系数风险指数采取-5~5分。

表6为综合径流系数分值。

表6　综合径流系数R的分值

3)河网间距L。河网间距大小影响着雨水管汇流时间的长短，现状市区河道的平均间距在2.0 km左右。按城市总体规划要求，河网间距应不超过1.2～2.0 km。本次评价以28个防涝分区为单位对河网间距进行打分，采用5分制。表7为河网间距L分值。

表7　河网间距L的分值

4)积水时长t。根据近年来易淹易涝地区调查资料，暴雨期间地面积水深度一般为20～80 cm，内涝积水时长为2～48 h。另就人们对内涝积水时长的忍受度进行现场调查，结果显示约有85%的市民对影响日常生活的地面积水能承受的时长为1～2 h。根据上述时长以及地区重要程度，采用5分制打分。表8为积水时长t分值。

表8　积水时长t的分值

5)合流制。合流制排水地区是城市内涝重灾区。在合流制因子评价中采用是否判断，“是”得5分，“否”得0分。

2.3.3暴露性影响因子指数

1)区域人口密度D1。城市内涝灾害的直接后果就是对城市居民的生活、生产乃至生命与财产带来威胁与破坏，城市人口居住密度也与灾害可能造成的损失程度相关联。常州市按人口密度标准划分5个风险区段，并确定相应的风险指数。

以每平方公里为统计单位，3 000人以下为低密度；3 000~6 000人为中密度；6 000~10 000人为较高密度；10 000人以上为高密度。在人口密度因子评价中以1为基本系数，低密度取0.8，中密度取1.2，较高密度取1.5，高密度取2。

2)重要地区D2。指行政中心、医院、学校、交通枢纽、商业聚集区等重要公共服务设施、保障性大型基础设施(水、电、气)、防涝救灾指挥机关用地、城市主干道及以上等级道路。在该因子评价中采用“是”、“否”判断，“是”得2分，“否”得0分。

3模拟输出

3.1　建模简介

根据《大纲》要求，宜使用水力模型进行城市内涝风险评估，通过计算机模拟获得雨水径流的水位变化、积水范围和淹没深度、时间等信息，综合评判城市内涝灾害的危险性。

考虑到传统的商业管网模型原理简单，应用孤立，但对管网数值要求特别高，输入工作量大，难以模拟平原水网地区水位顶托形成的管网往复流和倒灌情况，常州市采用了非恒定流管网模型与河网水文水动力模型耦合模拟方式，即在成熟的河网模型基础上耦合新开发的排水管网模型，将河网与管网的水力关系有机联系起来，成为一整体。

太湖流域河网水量模型于2005年研发，广泛应用于该流域的防洪、设计等多个领域，较好地反映了流域内河网水流运动规律和可靠的边界条件。本次评估将常州市中心城区所有低等级河道、控制闸站等信息补充纳入，形成了以太湖流域骨干河网为主体，常州区域小河网为支脉的比较全面的概化河网。

图1　常州市区雨水管网与河网耦合模型示意

在此基础上，由河海大学、常州市规划设计院、常州水文局联合研发了中尺度的城市雨洪管网与流域河网耦合模型(图1)。该仿真模型为国内首创和自主开发，可以同时适用于城镇居民区等小尺度或者更大的城区尺度排水模拟，同时在平原河网区域能够与城区周边河道水动力模型耦合求解，能够较好地模拟闸泵控制对城市管网系统的影响，并通过GIS数字地形技术分析法将城区积水内涝情形直观地展示出来。

3.2　模型演算

模拟分现状分析和规划措施验证两部分。现状分析输出主要含各种设计暴雨下的积淹水深度和时长、内河水位变化；规划措施验证输出主要含规划措施应对设计标准下的排水能力、管网与内河水位的辩证关系、系统分区优化后的效果。

3.2.1现状分析

1)现状模拟显示，中心城区积淹水情况误差率为13%，在允许范围内。原因一是对管网的资料精确度和实际运行状态判断存在一定的误差；二是对个别概化低等级内河和闸站调度规则输入有误；三是一些地区确实存在2 h内的短期积水，居民处于可承受状态并未上报，因此模型运算结果比实际调查统计的积淹水地区稍大。

2)现有城市防洪包围圈可很好地抵御20年一遇24 h降雨(图2)；在遭遇30年一遇24 h降雨时，若能及时按照调度规则启排，水位依然可控，但受天气预报的准确性和其他未知因素影响，难以预料，仍须增强应急调蓄能力建设；部分低等级分散排涝系统目前难以抵御20年一遇24 h降雨。

3)耦合模型演算显示：当概化的当量管网水位高于河道水位时，具有良好的水力坡降；当概化的当量管网水位持平或低于河道水位时，排水困难，出现顶托现象。

图2　20年一遇设计暴雨下的中心城区建成区积水深度模拟

3.2.2规划措施验证

1)当部分低等级泵站改造按规划实施到位时，城区抽排区均可有效应对20年一遇最大24 h降雨的设计暴雨；遭遇30年一遇最大24 h降雨的设计暴雨时，部分低等级分散排涝系统需增加调蓄或机排能力。

2)在增加规划水系和完善排涝结构前提下，通过增加管网和强排雨水泵站能力、调整优化排水分区以及对河道现有过水断面拓浚，模拟满足30年一遇内涝防治目标要求。

3.3　内涝风险区划

根据模拟结果和风险指标体系，在ARCGIS环境下形成常州市中心城区暴雨内涝风险区划图，计有96个排水分区存在较高以上级风险(图3)。

注：—高风险区；—较高风险区；—中等风险区；—低风险区。图3　P=30年、i=44.6 mm/h工况下风险分布图

4结语

城市内涝的形成存在多种风险因子，平原水网城市与其他城市相比，排水管网和水系、防洪排涝结构更具有密切的关联度，其内涝风险评估必须更加注重多因子作用成灾的时空演变过程及承灾体综合脆弱性、暴露性特征分析[1]。

基于我国尚未建立较为完善的城市内涝风险评估体系及出台相关规范性文件，

自身特点出发，依托风险评估的“三驾马车”理论，合理选择基于情景模拟和指标体系相结合的评估方法，将低洼地区、综合径流系数、积水时长、河网间距、合流制地区、区域人口密度、重要地区等敏感参数综合纳入评估体系，与高校联合开发了可视化的管网与河网耦合模型，较好地反应了积淹水深度和时长、内河水位变化，建立了具平原水网城市特色的指标体系，为判断内涝风险程度、识别系统瓶颈、制订应对措施提供了有力支撑。

2014年12月17日，《常州市城市排水(雨水)防涝综合规划》因“编制严谨、基础研究扎实、方法先进，具有创新性、前瞻性和可操作性”等优点，圆满通过江苏省住建厅组织的专家评审。

[参考文献]

[1]车伍,杨正,赵杨,等.中国城市内涝防治与大小排水系统分析[J].中国给水排水:2013,29(16):13-19.

[2]谢映霞.城市排水与内涝灾害防治规划相关问题研究[J].中国给水排水:2013,29(17):105-108.

[3]王国荣,李正兆,杨宇栋.城市排水防涝规划编制要点探讨[J].常州工学院学报:2014,27(6):13-16.

[4]刘敏，权瑞松，许世远.城市暴雨内涝灾害风险评估：理论、方法与实践[M].北京：科学出版社，2012：7-12.

[5]谢胜.高度城市化区域内涝灾害风险评估与区划[J].城市道桥与防洪，2014(11)：8-10.

责任编辑：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

中图分类号：TU984

文献标志码：A

文章编号：1671-0436(2015)04-0016-05

作者简介：白婉萍(1973—)，女，高级工程师。

收稿日期：2015-05-06