基于数值模拟的城市内涝风险评估研究

戴晶晶，刘增贤，陆沈钧

（太湖流域管理局水利发展研究中心，上海200434）

基于数值模拟的城市内涝风险评估研究

戴晶晶，刘增贤，陆沈钧

（太湖流域管理局水利发展研究中心，上海200434）

城市内涝作为一种严重的城市灾害，近年来呈现显著增加的态势，给城市的生产和生活活动带来了巨大的破坏。在城市暴雨内涝防灾减灾的工作中，灾害预防工作尤为重要，内涝风险识别是灾害预防的重要手段之一，可为防洪救灾规范化、科学化决策管理提供科学依据。以苏州市城市中心区为例，采用数值模拟的手段评估识别内涝风险，可为城市内涝治理及风险防控提供科学参考。

城市内涝；风险识别；数值模拟；苏州

1 引言

城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力，致使城市内产生积水灾害的现象。城市内涝作为一种严重的城市灾害，近年来呈现显著增加的态势，给城市的生产和生活活动带来了巨大的破坏。

2012年7月、2013年10月、2014年5月北京、上海、深圳等大城市均多次上演“雨后看海”的悲剧，城市交通瘫痪，人民财产损失，甚至造成了人员伤亡事件，城市内涝已经成为阻碍城市安全运行的“城市病”，严重影响城市正常运转和品牌形象。

在城市暴雨内涝防灾减灾的工作中，灾害预防工作尤为重要，而内涝风险识别与评估是灾害预防的重要手段之一，准确预测和评估城市内涝灾害风险，研究内涝形成过程和机理，可为防洪救灾规范化、科学化决策管理提供科学依据。

2 内涝风险评估主要方法概述

内涝风险识别与评估目前常用的方法有历史灾情数理统计法、指标体系法、基于情景模拟评估法。

2.1 历史灾情数理统计法

历史灾情一般是指灾害数据库记录的洪涝灾害发生次数、受灾面积、成灾面积、受灾人口、直接经济损失等统计数据。该方法思路清晰且计算相对简单，但需要长期灾害资料的积累，目前城市内涝灾情数据往往很难获取，所以在应用上具有一定局限性。另外，风险是未来潜在发生的可能性，用历史资料预测未来灾害风险发生的概率，可能未必一致。

2.2 指标体系法

指标体系法的主要思路是根据灾害的特点，凭经验选取适合的指标体系，然后通过数理方法对各原始指标进行处理，最后得到灾害风险的评价体系。该方法的理论基础是一般认为洪涝灾害是致灾因子、孕灾环境和承灾体的综合函数，侧重于指标的选取和权重方法的优化，可以宏观反映区域风险状况，在我国灾害风险分析与评估中应用最为广泛，但是评估指标在选取时可能出现“以点代面”的现象，不能完全反映灾害风险的空间分布。

2.3 情景模拟法

情景模拟法主要是借助数值模拟平台，真实的模拟出城市降雨径流形成及通过地下雨水排水系统汇至地表河道系统，并在局部地区产水积水内涝的全过程。利用内涝数值模型系统可以模拟不同降雨强度下，城市雨水径流的产生和排水系统的工作情况。该方法通过研究内涝发生的形成机制和发生情景，结合受灾体特征判别内涝风险。该方法的特点是直观可视且动态化，但需要较高精度的地形、雨水管网、水系等资料，且需具备水文水动力、城市排水、地理学、风险评估等多专业知识。

3 研究区概况

苏州市位于长江三角洲中部，东邻上海，南连嘉兴、湖州两市，西傍太湖，北枕长江。境内河道纵横，湖泊众多，属亚热带湿润性季风海洋性气候，四季分明，气候温和，多年平均年降水量在1100m m左右，多年平均蒸发量1283.8m m。2012年全市实现地区生产总值12011.65亿元，比上年增长10.1%，占全国的2.3%；人均地区生产总值（按常住人口计算）11.4万元，是全国人均产出最高的城市之一。本次研究对象城市中心区是苏州市城市规划的核心区域，包括防洪大包围和金阊新城防洪包围，总面积89.26km2，详见图1。

图1 研究区范围示意图

4 数学模型构建

结合苏州市特点，选用I nf o Wo r ksI C M软件建立集防洪、除涝、排水于一体的苏州市城市中心区排水防涝数学模型，实现产流、地面汇流、管网汇流、河网汇流及地面积水流动模拟，涉及到地面高程、管网、河网等模块，需要土地利用、地形、管网形态及规模、河道形态及规模、闸门泵站等基础数据，并且依据模拟范围的特性选择合适的产汇流模型和相关参数，依据实测资料对模型进行率定验证。

4.1 模型建立

建模采用的基础数据分为地面高程、管网和河网三部分。地面高程数据包含214177个高程点，数据密度为30m一个点，通过建立地面T I N模型，将研究区划分为1364445个三角网格，最大三角网格面积100m2，最小三角网格面积5m2。管网数据包含管段90421段、检查井71881座、雨水边井和排放口，数据来源主要为普查数据，雨水管、雨水检查井座、雨水边井17401座、雨水排放口1490座；根据实测河道断面建立了较为精确的河网，共包含河道170条，总长度为246km。水利工程设施主要为城市大包围11大枢纽及沿线小闸小泵和内部尚在使用的小包围闸泵，包含闸泵底高、宽度、设计流量等参数。

管网与河网耦合示意图见图2。

图2 管网与河网耦合示意图

4.2 模型率定验证

依据《室外排水设计规范》中各类下垫面的径流系数及研究区内下垫面解析成果，加权平均求得规划区内综合径流系数为0.65。以该值为参考选取产流模型固定径流系数的取值范围为0.65～0.75进行率定。汇流模型的参数初值参考该模型的使用手册和相关文献确定。管道糙率根据管道材质按照实际标准取值，规划范围雨水管段材质多为塑料和混凝土，淤积程度则按照现行维护标准（淤积率20%），河道糙率采用2013年城区自流活水方案研究时的物模及数模率定结果，河道糙率取值范围0.03～0.04。

苏州属平原河网地区，河道密布，雨水管道大多为淹没出流就近排河，据统计共有1490个排水口，通过水位过程的比对可基本判断模拟采用的产流、汇流参数是否合理。雨水管网、泵站等参数基本接近实际值，并且目前并没有详尽的积水点位、深度、时间、范围等统计资料，因此，通过近十年历史内涝统计情况进行内涝积水位置和部分积水深度的比对。本次率定围绕河网水位、积水位置两个方面开展。

图3 台风“菲特”期间觅渡桥模拟水位与实测水位对比图

（1）河网水位

本次参数率定采用2013年台风“菲特”期间实测雨量，调度方式则采用实际调度方式。“菲特”降雨持续时间为2013年10月6日至8日，实测降雨总量为215.5m m，其中最大一小时雨量为14.5m m。将实测暴雨数据代入模型，将觅渡桥水位站断面处的洪水位计算结果与对应时段实测洪水位进行对比，对产流和汇流参数进行必要的调整，使之与实际情况较为吻合，以率定有关参数。

从率定结果来看，觅渡桥计算水位过程与实测水位过程吻合度较高（详见图3），觅渡桥实测峰值2.93m，模拟计算峰值2.90m，均出现在7日13时；实测谷值2.67m，模拟谷值2.62m。计算水位与实测水位的均差为0.05m，其中最大偏差发生在6日17时和7日11时，差值为0.14m，误差仅为5%。

（2）内涝积水位置

通过分析近十年内涝发生原因的分析，发现多次内涝是由停电、施工等原因造成的，本次选取2005年8月7日、2012年8月10日两场降雨进行模拟计算，这两场降雨产生的内涝没有停电等不确定性因素的影响，并且有部分积水深度记录。

2005年8月7日最大小时降雨量37.7m m，居民户进水58户，小范围路段积水5处，茅山塘园地村地区和观景2村东出口二侧、迎枫桥弄、草桥弄2号、胥门外大街、华家场32号、小河浜地区集中受淹；2012年8月10日最大小时降雨量39.3m m，内马路、裕塘桥弄等19个街巷出现短时局部暴雨积水10～35c m左右，20户居民家中进水。

模拟结果显示2005年8月7日这场降雨实际出现的茅山塘园地村地区、迎枫桥弄、草桥弄2号、胥门外大街、华家场32号、小河浜等集中受淹地区均在模拟结果中得到显示。

2012年8月10日这场降雨实际出现的内马路、裕塘桥等积水地区也均在模拟结果中，且这两个地区模拟积水深度为15～35c m，与实际积水深度符合程度较高。

两场降雨模拟积水点位置见图4。

图4 两场降雨模拟积水点位置

5 内涝风险评估

5.1 内涝风险评估指标体系

依据《室外排水设计规范》（G B 50014-2006（2014年版））中提出的内涝防治标准“底层建筑不进水，道路中一条车道积水不超过15c m”，参考上海、杭州等城市内涝积水防治标准，根据苏州市历年积水投诉情况和道路、建筑物建设情况划定淹没深度、淹没范围等等级；根据苏州市城市中心区内区域及设施重要性，区分重要区域和一般区域，综合构成苏州市城市中心区内涝风险评估指标体系详见表1。

5.2 内涝风险评估与区划

本次内涝风险评估采用基于情景模拟的加权综合评价法，认为内涝风险是在一定致灾因子（暴雨灾害i）和孕灾环境（苏州市城市中心区现状排水状况）条件下致灾因子危险性D与承灾体重要性I之间的函数，即式（1）所示。

其中，将致灾因子造成的灾害I根据淹没范围、淹没深度、淹没历时等划分不同等级C i，根据不同的权重Wi，得到危险性D如式（2）所示。

图5 内涝风险区划与集中区域图

承灾体重要性I是指暴露在淹没区内的人口、财富、重要区域与设施等的总和，如式（3）所示。

针对20年、30年、50年一遇24小时降雨，利用数学模型进行模拟分析，选取积水深度、淹没历时、淹没范围和重要程度，通过A r c G I S计算城市各节点内涝风险，圈定内涝风险等值线，综合划分内涝高、中、低风险区。

根据积水内涝模拟结果得知，苏州市内涝积水呈散点状分布，且主要集中在地势低洼处，雨量增大的情况下积水面积不会大幅增加。

表1 苏州市城市中心区内涝灾害风险评估指标体系与权重

从风险计算的结果来看，内涝风险集中的区域与现状低洼地的相关性较高，主要分布在梅巷、桃花坞、北园、南园、清洁河、五泾浜、小河浜等地区。苏州城市中心区产生内涝积水的原因主要有以下四类：地势低洼、管网能力不足、排水路线偏长以及河道水位顶托。为便于风险管理，本次依据计算结果，划分出15个中高风险相对集中的区域，详见图5。

6 结语

通过建立精细化的数学模型对城市雨洪全过程进行模拟，综合划定内涝风险区，有助于提升排水防涝规划方案科学性，且为今后实现风险预判和管理提供技术基础，有条件的城市可进行这方面的探索和推广。但该方法的精度依赖于准确可靠的基础数据，建议今后完善气象、水文、雨水管网、河道及水利工程设施、内涝监测等基础资料，逐步建立起完整的城市雨洪管理数据系统，提升城市应对内涝的风险管理能力。

［1］顾升波，戴前进，方先金，赵志军.城市内涝低洼风险区损失评估及预防对策［J］.中国市政工程，2013（S1）：17-19.

［2］秦川.城市内涝研究与国外实践经验［J］.给水排水，2013（26）：134-135.

［3］张冬冬，严登华，王义成，鲁帆，刘少华.城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展［J］.灾害学，2014（01）：144-149.

S422

B

1672-2469（2015）06-0040-04

戴晶晶（1983年—），女，工程师。