基于GIS技术的漯河城市不同用地类型产流及淹没风险分析∗

白 天 吴雅文 金牧青 宋培豪 田国行

河南农业大学林学院 郑州 450002

城镇化使城市下垫面自然地貌被大量人工景观取代，城市不透水地表增加，降低了城市的雨水截留和入渗能力[1]；雨洪灾害已成为中国面临最为突出的城市灾害之一[2-3]。降雨机制的变化导致城市地区更易受到历时短、强降雨的侵袭[4]，引起不同于地区洪水灾害的城市内涝，其突发性和短时破坏力[5]，往往造成灾难性后果。城市内涝年均经济损失约占全国总产值3.5%，并有大量人员伤亡[6]。城市时空格局改变导致城市用地类型和性质的差异，是引起城市局部及周围环境雨洪灾害发生的因素之一。从城市土地利用的角度研究暴雨产流和积水过程能反映城市雨洪的时空分布特征[7]；借助GIS和RS模拟为城市规划提供依据[8]，为防洪预警起到积极预先准备、预先评价、预先决策等作用。

1 研究区概况

漯河市年均降水量为804.3 mm，其中夏季428.6 mm。1956—2006年夏季降水量年均增加7.8 mm[9]。由于漯河地区夏季积状云和积层混合云雨日增多，加之局部地区雷暴引发暴雨，降水集中在5—9月[9]。1949—1999年漯河发生涝灾41次，平均1.2年发生1次[10-11]。城区地势东北高、东南低，暴雨常因排泄不及时而造成水患，城市东南的召陵、邓襄地区灾害严重。城市中心积水点2014年23个，2016重新划分为25个，2010年7月17日市区降雨2 h达187 mm，为近10年来之最[12]，2013年8月24日市区降雨1 h高达90 mm，2016年6月23日和7月19日市区降雨超过50 mm。城市暴雨造成大量积水，影响交通安全和居民活动、漂浮污染物扩散和水源二次污染。

2 研究数据与方法

2.1 研究数据

采用Trimble UX5 HP无人机航拍，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影像，覆盖范围为漯河市城区158 km2，获取时间为2016年3月13—22日，可有效获取城市用地等关键信息。

2.2 研究方法

2.2.1 用地信息和类型划分

利用ArcGIS 10.2对航拍影像预处理以满足土地利用分类精度要求。通过目视解译和实地调查反馈完成分类处理，将研究区土地利用类型[13-14]分为2大类、7个类型:一是渗透地表，包括城市绿地(绿化用地，公园绿地，草坪及林地)、水域(城市水系，湿地，洼地)、农业用地 (农田，果园，苗圃)、未利用土地 (裸露土地，施工场地)；二是不渗透地表，包括道路用地(车行道路、人行道路)、建筑用地(居住区、工业区、商业区建筑用地)、公共管理用地(铺装广场，停车场)。

2.2.2 产流和积水计算

SCS-CN是由美国农业部开发的降雨-产流水文模型[14]，在各国研究中广泛应用[15]。为了精确地模拟城市水文，美国环保署提供了城市区域土地利用CN值表[15-16]反映城市的产流特性。国内外学者借助该模型从不同空间尺度开展了系列研究[17-19]，均得到良好反馈。通过漯河区域土层样本的渗透系数与 SCS-CN 模型[14，16，20-21]拟合径流曲线CN值，建立城市径流模型:

(1)式中，Q:径流量；P:降雨量；S:饱和储水量。

城市管网是城市排水的重要途径，依据 《室外排水规范》 (GB2014)、漯河市总体规划(2009-2030)及漯河市径流总控制率，设计漯河市室外排水量为35 mm/h，研究模型设定排水管网空间分布一致[22]，暴雨积水量公式为:

(2)式中，W:积水量；Q:径流量；V:管网排水量；S:积水面积。

2.2.3 积水模型

采用ArcGIS10.2将点云数据转换为数字高程DEM，提取洼地信息。城市建筑对研究区地表高程影响较大[23]，因建筑高程栅格数据缺乏，本次研究参考漯河市 《城市规划管理技术规定》，将城市建筑高程统一设为24 m，其余地块采用DEM高程[23]。城市雨洪直接原因是降雨，可视为无源淹没，低洼处都可能积水，所以低于淹没高程水位的区域视为淹没区。研究采用GIS栅格法、1 m×1 m单元计算城市积水量，基于DEM汇水区模拟淹没面积和淹没深度[24-26]。

3 结果与分析

3.1 用地类型分析

分类图像精度为1 m，包括渗透地表和不渗透地表2大类、7个土地利用类型 (＃11-23)(表1)。本文结合SCS-CN模型和土壤渗透随机样本调查，得到城市区域各类型土地所对应的CN值表(表1)和土地利用为类型C型[27-28]。

表1 漯河土地利用/覆盖SCS模型CN值

3.2 漯河市城市径流及积水量分析

根据研究区的区位条件，本次研究选取了T2、 T5、 T10、 T20、T30、 T50、T100重现期和 2010年7月17日近10年最大降雨93.5 mm(Tmax)共8个降雨强度，以1 h降雨时长作为基础数据，结合修正SCS模型对漯河用地类型产流、淹没风险进行模拟研究，并计算积水量[18-19]。

设漯河市暴雨积水处于相对静止，不考虑地面径流的流速影响[22]。由表2可知，降雨强度随重现期的增加而加强，T100降雨强度低于2010年93.5 mm/h的最大降雨量，区域极端天气的频率和强度与日俱增。模拟结果 (表2)，径流量和积水总量随降雨强度的增加而增加，而径流减少量比例减少反映了城市可渗透土地面积的减少，从而降低了城市表面的渗透能力，这也是引起城市局部大量积水的主要原因之一。

3.3 城市暴雨内涝情景模拟

提取研究区数字高程DEM，将暴雨淹没区看作无源淹没状态[18，22]，采用ArcGIS 10.2计算淹没高程、淹没面积、淹没比例和最大深度 (表3)。

表2 不同重现期产流和积水总量

表3 不同重现期淹没深度和面积

8个情景的淹没高程接近该区域平均海拔69.65 m，平均淹没比例接近49.31%。漯河市东北高，东南低，最大高程差达29.3 m，最大坡度差为0.2%；城市中心，沙澧河以北积水较少、以南积水多，东南部召陵、邓襄模拟结果积水严重，最大积水深度 T2最低6.92 m、Tmax最高8.99 m(图3)；T2时，已出现大面积淹没区域，应为防灾避险的重要区域。结合漯河市历史报告，城市东部和东南部的召陵，邓襄是雨洪灾害频发地带与模拟情景吻合[29]。

淹没深度和面积随重现期增加而增长，增长量由快及缓，T10是重要拐点，积水深度和面积增加速率减缓，在58 mm/h降雨量条件下 (表2，表3)，淹没面积达55.15%，危害性极大，城市应对强降雨灾害的能力不足。漯河城市中心对于10年一遇暴雨内涝灾害是安全的，随着暴雨强度增加淹没面积增加，但城市周围暴雨灾害严重(图 1)。

农业用地淹没面积最大、增长最快；其次是建筑用地和道路用地，未利用土地和城市绿地受灾面积较小，而城市水域受到暴雨影响最小 (表4)。

表4 漯河各类用地淹没面积比例

3.4 城市暴雨内涝分级

将淹没深度分为5个等级:0～0.5 m(低风险)， 0.5～1 m(较低风险)， 1～1.5 m(中风险)，1.5～2.5 m(较高风险)，≥2.5 m(高风险)，绘制淹没深度图[22，30](图2)。通过不同等级划分能明确城市防洪规划区域，加强局部-邻里、社区详细规划，合理安排雨水网络和绿地，划分可渗与可排，提高城市雨水资源循环利用的能力。

4 结论与讨论

1)研究区产流量、积水深度和面积随暴雨强度增强而增加。T10为重要拐点，综合产流量20.78 mm/h，淹没面积达55.15%，T2-T10淹没面积增长率大于T10-Tmax，T10降雨强度58 mm/h是积水面积的突增点、城市防灾避险的关键；该时期淹没范围主要是城市东南农田，暴雨灾害表现出初期冲刷现象 (图1)[31]，伴随大量污染物。由此可知，城市区域暴雨不仅影响城市内部，也严重危及到城市周围的农田。

2)城市中心与周围环境存在显著差异。城市外围农业用地淹没面积最大、淹没速率最快，最大淹没面积占农田总面积的64.90%，是研究区域的18.77%；而中心城区的淹没范围，建筑用地＞道路用地＞城市绿地＞未利用土地＞公共管理与商业用地。除水域外，城市绿地对暴雨径流衰减量最大。

图1 漯河不同重现期淹没范围和深度

3)研究区28.24%的城市绿地难以实现对地表径流渗透和存蓄，但绿地景观潜力巨大，通过改善入渗能力和冠层截流等方式可有效削减地表径流[32]，缓解城市排水压力[33]。

4)平原城市的河道因防洪要求，河堤高于城市平面，难以及时疏散径流。沙澧河堤坝高于路面3～4 m，阻碍雨水排出，而小型河流管渠化和填埋破坏了城市脉络，加大了城市排水压力；城区湿地面积小且破碎度大难以容纳短时强降雨。

结合研究区域地面高程DEM分析径流和淹没过程，绘制漯河淹没图和灾害等级图对开展城市雨洪灾害预警和管理具有积极作用。未来将通过更精确的研究进行深入分析，延长时间序列和动态观测，更准确、真实地反映城市雨洪灾害；同时建立数据库为城市雨洪灾害监控和 “海绵城市”规划管理提供基础数据。

图2 漯河不同重现期漯河淹没区风险等级

[33]ZHANG B，XIE G D，LI N，et al.Effect of urban green space changes on the role of rainwater runoff reduction in Beijing，China[J].Landscape ＆ Urban Planning，2015，140(140):8-16.