济南市主城区内涝积水特征及成因分析

姜芊孜，李金煜，王广兴

(山东建筑大学建筑城规学院，山东 济南 250101)

快速城镇化背景下城市用地的扩张导致不透水地表增加，自然水循环过程被破坏，城市内涝频发[1]。据住房和城乡建设部调查显示，2008年至2010年，中国351个被调查城市中有62%发生了城市洪灾，每年有137个城市发生三次以上严重洪灾，引发了交通瘫痪、财产损失、水污染等一系列城市问题。城市内涝成因的研究方法大致分为四类：①结合气象资料、市政基础设施数据、城市自然特征与内涝信息对内涝成因进行总结归纳。如王伟武等[2]从城市气候、规划、建设与管理等视角揭示了内涝成因并提出防治对策。宋晓猛等[3]利用水文气象资料与社会经济数据从水循环角度揭示了北京城市内涝形成的原因。②应用相关分析方法构建实际变量与城市内涝之间的函数关系以推断致涝因素。如吴健生[4]、孙喆[5]等利用相关分析法探讨了景观格局、土地利用类型对城市内涝的影响。③运用水力学模型模拟不同降雨情景下的城市内涝情况识别内涝成因。如刘小梅[6]等利用城市排水管网模拟系统在流域尺度下对昆明市内涝成因展开研究，通过设置不同降雨重现期分析研究区内的径流量并检验排水管网、行洪通道的运行状况。聂俊昆[7]以城市河网密集区域为例，通过构建Mike系列耦合模型模拟了雨水管网与河道对城市内涝的影响。④从内涝点属性与分布特征入手研究城市内涝成因。如赵晶[8]等借助GIS空间统计工具通过分析北京市内涝点空间分布规律研究了北京市城区扩张对内涝的影响。其中，城市水力学模型在内涝成因研究、内涝预测等方面应用较为广泛，但往往受基础数据资料、研究尺度、模型精度等问题的影响导致模拟结果有所偏差。相比之下，相关分析可较为客观准确地反映变量之间的关系，排除干扰因素的影响，但相关研究较少。已有城市内涝研究多集中在北京、上海、深圳等地，以济南为例的研究文献较少。本文以济南市实际内涝积水点数据为基础，研究积水点在主城区内的空间分布规律并分析内涝影响因素，利用相关分析方法进一步确定致涝因素，并提出相应的内涝缓解对策。

1 研究区域概况

济南市南依泰山余脉，多丘陵山地，中部平坦，北临黄河，地势自南向北逐渐降低。受温带季风气候的影响，济南市降雨呈现时空差异。时间上，夏季7、8月份降雨量较大，占全年降雨量的53%；空间上，南部山区多分布暴雨及特大暴雨，北部平原地区多分布短历时、高强度暴雨。独特的地理位置与气候条件为济南带来一定程度的城市内涝威胁[9]。2007年7月18日，济南经历特大暴雨，造成房屋倒塌，市区交通瘫痪，造成34人死亡，4人失踪，171人受伤[10]。根据济南市城市总体规划(2011—2020)所划定的中心城范围，以黄河、玉符河、济南绕城高速为边界确定了主城区研究范围。区域总面积约为594.66km2，平均坡度约为5.67°，海拔范围为5～525m，土地类型有耕地、林地、草地、灌木林地、湿地、水域及水利设施用地、建设用地、未利用土地等，类型比率见表1。

表1 研究区域内土地利用类型比率

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

济南市内涝空间分布特征利用地理信息系统(ARCGIS)中缓冲区分析，结合主城区DEM栅格数据与水系、铁路、城市绿地等矢量数据计算相应的缓冲范围，统计落在缓冲区范围内的城市内涝点个数。内涝成因分析以汇水区为基本单位展开。利用ARCSWAT将研究区域划分为254个汇水区，选取含有内涝点的40个汇水区作为基本研究单元。由于城市内涝受地形、土地利用现状、雨水管网系统、水系统多等种因素的复合影响[11- 14]，本文将流域河网密度、雨水管网密度、各用地类型(耕地、林地、草地、荒地)比率，不透水表面比率、平均坡度作为自变量；将流域内涝程度(内涝点密度=流域内涝点个数/流域面积，单位：个/km2)作为因变量探求导致城市内涝的关键因素。利用SPSS 25.0对上述变量进行皮尔逊相关系数分析。

2.2 数据来源

内涝点数据参考2018年济南市交警公布的99个济南城市内涝点，利用ARCGIS软件将其数字化得到内涝点矢量数据，选取位于研究区域内内涝点数量共71个。2018年6—7月对主城区内的71个内涝点进行实地调查，获得积水时长和积水深度数据。不透水表面数据来源于清华大学地球系统科学系发布的FROM-GLC(Finer Resolution Observation and Monitoring of Global Land Cover)数据库，分辨率为30m；研究区域雨水管网分布图来源于济南市雨水管道规划总图；济南市DEM数据来源于地理空间数据云，分辨率为30m；济南市水系分布数据通过OPEN STREET MAP获取。济南市土地利用现状数据来自于地理国情监测云平台，分辨率为30m。

3 研究结果

3.1 内涝积水时长与深度

经过2018年6—7月内涝点实地调查，发现39%的内涝积水点积水情况有所缓解，这与近年来济南市政府推进的积水点改造施工密切相关。56%的内涝积水点积水时间在0.5d以下，积水时长1d以上的内涝点约占3%。有47%的积水点积水深度在500mm以下。极端情况如积水在1500mm以上的地点，大都位于桥区，约占3%。

3.2 内涝积水点空间分布特征及分析

从内涝点的海拔分布特征来看，海拔50m以下的内涝点数量最多，约占总体数量的70.4%；其次是位于50～75m、75～100m海拔范围内的内涝点数量各占比分别为16.9%、9.9%；海拔100m以上的内涝点数量最少，仅占总体的2.8%。从内涝点与铁路的空间关系来看，有31个内涝点位于铁路缓冲区200m范围内，约占总体内涝点数量的43.7%。其中距铁路50m范围内内涝点数量较多，占铁路周边积水点数量的74.2%；距铁路50～100m、100～200m范围内内涝点数量较少，各占铁路周边积水点数量的9.7%、16.1%。从内涝点与水系的空间关系来看，有18个内涝点位于距离水系200m范围内，约占总体内涝点数量的25.3%。其中位于0～50m与100～200m范围内内涝点数量最多，各占水系周边积水点数量的44.4%；位于50～100m范围内内涝点数量最少，占水系周边积水点数量的11.2%。从内涝点与绿地的空间关系来看，有48个内涝点位于距离绿地200m范围内，约占总体内涝点数量的67.6%。位于0～50m距离范围内内涝点数量最多，约占58.3%；位于100～200m距离范围内内涝点数量约占29.2%；位于50～100m距离范围内内涝点数量约占12.5%。

综合以上内涝点空间分布特征规律，地形、铁路交通对济南市内涝点的分布具有重要影响。济南位于山前平原带，地势南高北低，北部黄河为“地上悬河”，防洪堤坝高出市区约20m[15]，使济南呈浅盆状地形，暴雨来临时北部市区低洼处极易汇聚洪水。济南主城区内分布有大量过境铁路线与立交桥，铁路桥、高架桥的布设在垂直方向上增加了不透水面积，来自上层道路的地表径流通过垂直管道直接流向下层道路，地表径流汇集速度增加的同时输送距离被极大缩短[16]。其次，立交桥地区往往位于主城区低洼位置，地面高程比周围低2～3m[17]。桥下道路可在短时间内汇集来自地表周围与高架桥上方的大量径流，瞬时水量的增加超出现有立交桥的排水能力范围，增加了内涝灾害的发生概率。就河流水系而言，随着城区范围扩大，原城区外部排水系统被纳入城内，增加了城市内涝隐患。生活污水的排放与河道裁弯取直、河道渠化等减弱了河流的雨洪调蓄能力，降低了河槽蓄水量。因此当遭遇特大暴雨时，南部山区流速较高的洪水进入市区，河道过水能力不足极易造成洪水漫流。小清河作为唯一外排河道未到达百年一遇的防洪标准，无法及时疏导洪水容易发生倒灌，增加了主城区排泄洪涝的困难。城区绿地周围分布有较多内涝点，说明目前城市绿地未起到相应蓄滞雨水的作用。城市绿地建设初期只强调景观效果未结合排涝规划要求，雨水径流无法通过合理路径排入城市绿地。主城区绿地率及海绵化改造比列不高，亦会影响雨水径流的削减效果。

表2 各汇水区自变量、因变量统计

3.3 内涝影响因素分析

各汇水区自变量、因变量统计见表2。子汇水区内涝频次最大为5.33，最小为0.08，平均值为0.55。平均坡度为5.06°，不透水表面平均比率约为88.46%，雨水管网平均密度约为0.96，平均绿地率为16.89%。

通过检验各致涝因子的显著性水平发现，无法构建自变量与因变量之间的线性回归方程，因此利用自然间断点分级法将40个流域按照内涝程度分为两类，剔除高内涝程度流域后，对39个低内涝程度汇水区进行空间自相关分析。如图1所示。根据空间自相关报表，Moran’s I 指数为0.36，z得分为5.06，P值为0.00，表明内涝流域空间聚类分布模式较为显著。并且进一步借助局部自相关分析结果发现大明湖周围有5个流域呈现HH 聚集模式分布，有1个流域呈现LH离散特性。由此推断某些致涝因素的存在使内涝流域呈现特殊的地理分布，可借助线性相关分析方法进一步明确相关致涝因素对城市内涝的影响。

图1 空间自相关报表

根据相关分析结果(表3)与回归模拟结果(图2)，在置信度α=0.01的前提下，雨水管网的密度、不透水表面比率与汇水区内涝程度呈正线性相关关系(R2分别为0.253、0.180)，相关系数分别为0.274、1.006。这一结果反映了不透水地表与雨水管网对城市水循环过程均造成了负面影响。随着城市化进程的加快，不透水地表覆盖面积显著上升，阻碍了土壤对雨水的自然吸收过程。光滑的不透水地表成为雨水径流的低阻力通道，导致雨水汇流速度加快，洪峰出现时间提前，增加了所在流域内的径流量，是城市内涝产生的重要原因。雨水管网密度与内涝频次的正相关性说明目前主城区现状雨水管网设施没有充分发挥排涝功能。造成这一问题的原因可能有：雨水管网的布设缺乏系统合理性，市内雨污管网混接较为严重、雨水管网乱接错接、大管接小管等不合理措施消减了雨水管网的排放能力；过于重视局部排水的建设影响整体雨水管网的排水效率；现有雨量、雨水管径的计算方法待更新；部分管网存在损坏、老旧、淤积情况，市政部门缺乏对管网管理维护工作等[18]。

图2 低内涝程度流域回归模拟结果

表3 低程度汇水区内涝程度与影响因子的相关分析结果

在α=0.05前提下，耕地面积比率、城市绿地率与流域内涝程度呈负相关关系(R2分别为0.150、0.146)，相关系数分别为-0.838、-1.053。草地、灌木林地、林地面积比率与流域内涝程度呈负指数相关趋势。表明耕地、草地、灌木林地、林地与城市绿地率的提升对城市内涝具有缓解作用。地上作物与植被可通过三个方面削减雨水径流量。首先，叶片及林冠枝干具有截留作用，可将雨水吸附于表面并通过植物蒸腾作用返回大气；其次，植物根系通过疏松土壤增加雨水的下渗量；植物枯枝落叶能够增加地表粗糙度起到延缓汇流时间与分散径流的作用。

4 对策与建议

济南城市内涝治理可从城市规划、市政工程建设以及城市管理等多方面展开[19]。在规划层面，城市内涝的治理亟需系统性思维和多尺度规划设计策略。宏观尺度下，应进行水生态安全格局分析，构建水生态基础设施，避免低洼处城市建设，加大力度保护泉水涵养区和地下水回补区。中观尺度下，应保留和保护河流、湖泊等水体，增大缓冲区范围。保护耕地、林地、城市绿地等，维护水生态基础设施的完整性。微观尺度下，应充分利用低影响开发措施如下凹式绿地、植草沟、雨水花园等对社区、公园、广场、道路等进行局部改造，提升已建成绿地的雨洪调蓄能力，解决局部内涝积水问题[20- 21]。在老城区进行局部海绵化改造，在新城区可直接结合绿地系统规划，对雨水的收集、蓄存、净化等设施进行统一规划设计。

在市政工程建设方面，及时疏浚城市河道，针对老城区内雨水管网进行提升改造。结合城市规划提高排水系统的设计标准，继续完善雨污分流建设工作。处理好城市排水系统与低影响开发源头控制技术之间的合理衔接，强调“蓄”“排”结合[22]。结合抵御山洪与地下水回补的要求，在南部山区建设相关拦排工程减缓山洪影响，促进地下水回补[23]。在立交桥低洼处提升雨水泵站的抽排能力，多应用盖板沟以提高排洪能力。

在城市管理方面，应建立城市内涝灾害数据库并结合济南市基础数据建立内涝预警系统，精确预测不同降雨强度下洪涝的发生地点、规模强度以及影响范围。完善内涝与山洪的应急管理机制与相关标准规范。明确城建、规划、水利等各部门职责，协调多部门分工，确保内涝治理工作高效推进[24]。统筹山洪与内涝的治理工作，确保两项工作有序衔接避免重复建设造成资源浪费。加强公众参与，强化公众监督作用。借助网络平台、社交媒体等多方途径汇总群众对城市内涝治理的意见，加强对海绵城市、内涝防治等工作的宣传[25]。

5 结语

济南主城区约70.4%的内涝点位于海拔50m以下，主城区北部铁路桥沿线内涝点分布较为集中。水系、城市绿地周边200m范围内内涝点数量占比为25.3%、67.6%。反映出水系、城市绿地的雨洪水调蓄能力有待提升。土地利用和基础设施对城市内涝具有不同的影响。雨水管网密度、不透水表面比率与流域内涝程度呈线性正相关关系。耕地率、城市绿地率与流域内涝程度呈线性负相关关系。城市地形、河网密度与内涝程度的相关性不显著。主要原因可能有：①大多数内涝点集中在海拔50m范围以下，海拔差异不明显。②将内涝街道、内涝区域等线状、面状数据统一转化为点状数据时会造成内涝点分布不均的情况。③建筑物、道路、雨水管网等因素会对汇水区的划分产生一定影响[26]。今后可尝试利用社交媒体大数据获取更为详细的内涝点地理空间数据，对汇水区进行更为精准的划分，就城市地形、河网密度等因素做进一步分析。