漯河市规划区雨洪格局空间分布特征综合量化研究

白 天, 吴雅文, 金牧青, 郑琳琳, 田国行

(河南农业大学 林学院, 河南 郑州 450002)

城镇化改变了城市下垫面水文特征。明河变为暗沟、不透水面比例增加，显著降低了城市下垫面雨水截留和入渗能力[1]，彻底改变了原有自然水文过程。城市地形改造，导致城市地表径流局部汇集，使城市区域易受到历时短、强降雨的侵袭而引起城市内涝，给城市带来灾难性的后果[2]。城市空间格局变化，导致城市用地类型和性质的差异，也是引起城市局部及周围环境雨洪灾害发生的主要因素之一。据统计，城市内涝每年造成的经济损失约占国民经济总产值的3.5%，并有大量人员伤亡[3]。欧美发达国家从20世纪60年代起开始城市雨洪研究[4]，到20世纪80，90年代已逐步建立了系统的计算理论与技术模型，包括SWMM，MIKE 11，HSPF，SWAT模型[5]等以满足城市排水、防洪、环境治理的需要。中国也有相关研究，尹占娥等[6]对上海市浦东暴雨淹没区域研究，划分了不同的风险区域，汤鹏等[7]对扬州江都区产流分布研究，丁锶湲等[8]对厦门市雨洪安全格局分析提出了控制红线边界与保护利用，姚磊等[9]分析了北京市产流空间集聚特征等。近年来，漯河地区雨洪灾害突显，但关于漯河雨洪格局研究尚未见报道。雨洪空间分布特征与趋势研究目前还处于初级阶段，本次研究拟借助GIS和RS方法综合分析暴雨产流、积水过程和地理空间分布特征与趋势，以期为城市土地利用规划和海绵城市建设提供依据。

1 研究区概况

漯河市地处黄淮海平原，属暖湿性季风气候，夏季高温多雨，据漯河气象站(1956—2008)降雨统计资料，全年降雨量区间为377.1～1455.6 mm，降水量平均值804 mm±0.25，其中夏季降水量占全年降水量的54%，53 a间夏季降水量平均增加7.8 mm[10]。1956—2008年，漯河发生涝灾56次，平均1.06 a/次[11]，夏季积状云和积层混合云雨日增多，加之局部地区雷暴和特殊天气常引发局部暴雨，层、积、混3类云雨日平均雨量分别为30.9，32.0和46.6 mm，导致城市降水多集中在5—9月[10]。城区地势，东北高，西部平坦，东南低，每逢暴雨因排泄不及时而造成水患，尤其是对城市东南的召陵，邓襄地区灾害严重。城市中心积水点由2014首次统计的23个，增加为2016重新划分后的25个，2010年7月17日12时30分，漯河市降雨强度2 h达187 mm，为近10 a来最大降雨[12]，2013年8月24日17时54分，市区降雨量1 h内高达90 mm，2017年8月18日漯河市区平均降水量达到211 mm，最大降雨量达到280 mm。城市暴雨造成大量积水，影响道路交通安全和居民正常活动，大量漂浮污染物扩散，引起水资源的二次污染。

2 城市规划区雨洪格局分布特征分析

2.1 建立GIS数据库

GIS空间模拟需要城市原始数据支撑，本文研究数据来源：①漯河市园林管理局、规划局、气象局等部门提供数据；②参考文献数据；③运用Trimble UX5 HP固定翼无人机航拍获取的0.09 m高分辨率正射影像数据。根据研究需要对获取的数据进行必要的矢量化和属性化解译(表1)。

表1 漯河规划区的GIS数据库

2.2 降雨信息

根据《室外排水设计规范》和漯河市暴雨曲线、内涝防治设计重现期标准为20 a，而降雨开始后的2 h为主要降雨时期，0～2 h降雨强度下降率为72%，后逐渐稳定，是观察降雨过程的最佳时期[13]。故结合漯河市暴雨强度公式与芝加哥雨型生成器[14]，生成20 a重现期2 h降雨时间序列，计算降雨量为85.43 mm，分析漯河市规划区157.79 km2的径流和积水分布特征。漯河市市政工程设计院，2014年漯河市暴雨强度公式编制成果：

(1)

式中：i——降雨强度(mm/min)；P——降雨重现期(h)；t——降雨历时(min)。

2.3 提取城市下垫面参数

对无人机航拍影像进行融合拼接、地理配准、几何纠正处理，获得分辨率为0.09 m的漯河市规划区157.79 km2的正射影像，获取时间为2016年3月13日至22日，该时段影像清晰，可有效的判别城市各类用地边界和其他关键信息。

(1) 通过目视解译，将土地覆盖/利用(LUCC)类型[15]划分为两大类，7种类型(P1-4-I1-3)。P为透水表面：P1城市绿地，P2水体，P3农业用地，P4未利用土地；I为不透水表面：I1道路用地，I2建筑用地(屋顶)，I3公共管理用地。

(2) 采用ArcGIS 10.2将航拍获取的地表点云数据转换为高程精度为1 m数字表面模型(DSM)[16]，与通常由卫星影像获取的精度为30 m的DEM影像相比提高了研究的精确性，同时，还能获取城市建筑高程竖向二维数据。

2.4 SCS-CN水文模型分析

2.4.1 SCS-CN水文模型 SCS-CN模型由美国农业部开发，是用于计算小流域降雨—产流的地质水文经验模型，该模型在产流计算和模拟研究中得到广泛

的应用[17]。降雨水平衡方程为：

P=Ia+F+Q

(2)

式中：P——降雨量(mm)；Ia——雨水初损(mm)，包括植被截留量、地表蒸发、土壤渗漏等；F——后损值，即地表实际累积的入渗量(mm)；Q——地表实际径流量(mm)。下同。

SCS模型降雨计算的径流公式为：

(3)

式中：S——饱和储水量。下同。

由于S饱和储水量，受环境影响较大，因而引入一个无量纲径流曲线数(CN系数)，CN系数是SCS-CN模型中反映降雨前下垫面和降雨特征的综合参数，为了提高城市流域的水文模拟的精确度，美国《国家工程手册》中提供了城市化区域各类型土地覆盖所对应的CN值表[17]并不断更新，能反映城市区域的产流特性。CN值和S之间有如下关系：

(4)

式中：S——土壤饱和储水量； CN系数和研究区的土壤种类、土壤渗透性、植被类型等密切相关，其正常的取值在0～100之间，具体数值根据研究区的具体情况加以修正。以此为基础，国内外学者借助该模型从不同空间尺度开展城市区域的产流研究[5]，均得到可靠模拟结果。

2.4.2 CN值的确定 由于与美国用地类型划分的差异，研究对应美国《国家工程手册》，结合漯河LUCC和城市总体规划(2012—2030年)对CN系数进行调整。中国土壤数据库中漯河土壤为黄褐土、棕壤和石灰性沙姜黑土，土壤水文曲线CN值为C类。根据SCS模型计算公式，将CN系数代入SCS水文模型中以求得饱和储水量(S)、直接径流量(Q)，具体数值见表2。

表2 漯河市土地覆盖/利用(LUCC)SCS模型CN值

注：引自National Engineering Handbook sections 4,7,9并做一定程度修正。

2.5 子汇水区的划分及排水网络分布

子汇水区是研究雨水径流量的基本单元[18]，根据研究区城市路网分布，划分出166个子汇水区，并根据上文数据库资料绘制城市排水管网现状布局，管网铺设总长度为119.18 km集中分布于城市中心区域如所示。

3 产流与积水分析

3.1 产流分析

利用SWMM模型进行模拟研究[5]，计算总径流量(mm)、径流体积(L×106)、峰值流量(m3/s)和径流系数等相关数据。结果显示:①总体上蒸发损失0.28 mm，入渗损失16.18 mm，地表径流28.524 mm，地表蓄水40.59 mm、连续性误差为-0.174%在合理范围。子汇水区中最大径流量为77.42 mm，最大径流体积为1.72×108L；②总径流量与径流系数变化趋势基本一致(图1a,1d)，由城市中心向外逐步递减，与路网密度呈正相关、与汇水区面积呈负相关；径流体积与峰值流量变化趋势基本一致(图1b,1c)，受汇水区面积和城市管网分布的影响较大；③空间自相关分析可以识别地理现象之间潜在的聚集特征，通常用全局自相关系数(Moran’sI)来描述，相关性表现为聚集、离散和不相关[9]。对总径流量，径流系数，径流体积，峰值流量进行空间自相关分析，得出总径流量，径流系数的Moran’sI系数一致为0.338(p<0.001)，径流体积为0.142(p<0.001)，峰值流量为0.101(p<0.001)，产流格局呈现显著的集聚性，其中总径流量和径流系数集聚性特征表现较强，说明土地利用类型对产流和积水有影响，且产流过程影响大于积水过程。

图1 漯河市产流模拟分析

根据《室外排水设计规范》市区综合径流系数超0.7，需要采取必要的渗透、调蓄措施[23]。根据试验结果将研究区划分为5个等级[6](表3)，统计分析可知，低产流风险区子汇水区数量较多、面积最大，主要分布在中心城区外围(图1d)，以农业用地为主，占总面积的27.11%，其余是城市中心区零散分布的几个大型公园绿地，占总面积的8.99%，其他的绿地主要分布在中低产流风险区和中产流风险区；而在高产流风险区中不透水景观面积占82.73%，透水景观面积仅占该区域17.27%，其中绿地占该区域13.78%，占总面积的0.33%。

3.2 积水区分析

城市产流与积水是两个不同过程，城市产流的主要原因是下垫面的下渗能力/蓄水能力与降雨强度/降雨量的对比，而城市地形决定了城市积水的实际分布。传统汇水区积水深度计算有两种形式，一种是根据汇水区面积和积水量估算积水深度，这种方法精度低，不能自动化计算；另一种方法是采用二分法进行计算，计算复杂，计算量大，计算速度慢[19]。本研究采取“基于DEM 的汇水区降雨积水深度的计算方法”[20]，基于DSM进行积水区域计算二维空间积水深度和范围。

表3 漯河市产流风险区等级划分

汇水区高程点经过插值形成的三角网格包含高程栅格数据集和网格面积[21]。汇水区的积水量在汇水区内进行积水分配，积水分配后的水位高程减去相应点地形高程为该点积水深度。由图2可知，漯河20 a重现期2 h，85.43 mm降雨条件下，积水面积占总面积的34.94%。通过地形分析，最大模拟积水深度高达到18 m (位于澧河河岸洼地、面积仅2,691 m2)，主要受局部高程差影响；积水斑块由城市中心向城市边缘呈逐级增加，城市中心积水斑块呈分散分布，而外围积水区域呈集中、片状分布；另外，中心城市以外缺乏市政基础设施，也是引起局部积水的重要原因。

对积水面积统计分析(表4)，积水分布与径流量体积分布相似，而与总径流量分布有显著差异。积水

区域格全局自相关Moran’sI系数为0.918(p<0.001)，说明积水区格局呈现显著的集聚性，积水区域自相关Moran’sI系数大于汇水区RC，RV说明地形要素对产流的影响小于积水过程。积水区域用地类型以农业用地、城市绿地、道路用地为主，分别占总面积的36.56%，21.39%，21.82%，都超过积水区域20%以上，而这3类用地积水分布又呈现出各自的特点，农业用地分布主要在城市中心以外、斑块数量最少、景观整体性最好、景观连接度最大、积水区域分布也相对集中，但由于地势较低，也是受灾影响最严重的区域；城市绿地主要分布于城市中心区域、斑块数量仅次于建筑用地、分布较散、景观连接度低，积水分布也呈现分散分布；城市道路是城市改造最多的区域，积水分布沿城市道路呈不规则带状分布，分布较散但与城市绿地相比，具有明确的方向性。

图2 漯河市积水区域分布模拟表4 漯河市不同土地覆盖/利用积水状态分析

土地覆盖/利用(LUCC)斑块面积/km2积水斑块数量/个积水面积/km2占积水面积比例/%占同类面积比例/%占总面积比例/%城市绿地(P1)24.8313 15911.8021.3947.537.47水体(P2)4.537 2150.010.020.230.01农业用地(P3)45.6782420.1836.5644.1712.77未利用土地(P4)18.649548.9216.1547.825.64道路用地(I1)26.802 71112.0421.8244.947.62建筑用地(I2)33.2453 1220.150.270.450.09公共管理用地(I3)4.231 1142.093.7949.461.33总 计157.9479 09955.1934.94

4 结论与讨论

4.1 研究区分布和构成

(1) LUCC呈现层次性特征，城市透水表面比例由城市中心向外逐步增加，与同心圆式的城镇化发展过程一致，但用地性质发生转变，由城市绿地过度为农业用地。

(2) 产流分布随城市扩张呈现由内向外逐渐减少的趋势，不透水面比率高于70%的子汇水区有66个集中分布在城市中心，说明城镇化导致的城市下垫面LUCC是引起城市地表径流增加的重要原因。

(3) 道路、建筑、广场密度由中心城市向外逐渐降低，与产流呈正相关，说明城市不透水面透密度对产流也有影响。

(4) 总径流量，径流系数，径流体积，峰值流量的Moran’sI系数大于0，呈显著集聚性，城市地表产流与城市扩张趋势一致，子汇水区之间空间依赖程度高，对径流的产生彼此影响。

4.2 研究区产流状况

(1) 平均产流量随着不透水面积的增加而增大，但径流体积与汇水区域面积有关，Moran’sI系数显示LUCC对产流过程影响大于积累过程。

(2) 产流风险区划分，发现各等级产流风险区分布数量平均，但面积差异较大，其中低产流风险区面积最大，说明现状LUCC对产流有积极作用，能有效控制一定程度的产流，但模拟周期内未排空径流，说明在20 a重现期降雨强度条件下，产流量大于排出量、渗透量和蒸发量之和，会导致子汇水区的积水。

(3) 城市绿地占规划区面积的28.24%，积水绿地占绿地总面积的75.74%说明城市绿地对径流吸收、存蓄能力有限，但绿地景观潜力巨大，已被证明通过提高降雨入渗和冠层截流蒸散发等方式能有效的削减降雨径流量[22]，城市绿地与城市灰色基础设施相结合的方法对减少雨洪灾害损失将起到积极作用，同时还可以产生巨大的生态效益。

4.3 研究区积水分析

城市产流与积水是2个不同过程，影响因素也有差异。

(1) 积水区域自相关Moran’sI系数为0.918(p<0.001)，呈现显著集聚性，且大于产流分布，说明城市下垫面渗透性改变和城市局部地形改变，两者叠加加剧了城市内涝灾害的程度。

(2) 地形因素导致农业用地大量积水，而初期雨水冲刷，往往伴随大量污染物[23]。由此可知，城市区域暴雨不仅对城市内部产生影响，同时也严重危及到城市周围农田的生产安全。

(3) 沙澧河河堤抬升，难以兼顾城市防洪与城市雨洪，而明渠变暗渠破坏了城市脉络，也加大了城市市政管网的排水压力。

4.4 研究优势与改进

近年来无人机技术的发展，在大比例尺测量任务(10～100 km2)中表现快速高效、精细准确、作业成本低等特点，并在形图测绘、应急救灾、国土监测等方面得到广泛应用[24]。本次选用无人机技术作为研究的资料获取手段，得到了0.09 m高分辨率的正摄影像和DSM二维栅格影像，为研究提供了可靠的数据基础；结合SCS-CN模型的产流计算和“基于DEM 的汇水区降雨积水深度的计算”，分析了产流和积水分布的空间关系；计算产流和积水的全局自相关系数(Moran’sI)，分析了两者的地理空间分布特征和趋势，更全面、直观地展示了漯河规划区雨洪格局特征。

本研究还处于利用综合方法分析雨洪安全格局的阶段，是分步骤对城市产流和城市积水过程特征进行梳理。研究团队将逐步改进研究方法，构建系统化耦合模型和应用系统并不断提高计算精确度，将研究成果运用到城市雨水资源实际管理中。