基于InfoWorks ICM的深圳市内涝灾害居民室内财产损失研究

黄国如,李碧琦

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640； 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640；3.广东省水利工程安全与绿色水利工程技术研究中心，广东 广州 510640)

洪涝灾害是全球发生次数最多、影响范围最广、对国民经济发展影响最为严重的自然灾害之一，洪涝灾害风险评估作为防灾减灾决策的基础和技术支持，具有重要的现实意义[1-2]。以往的研究多以自然流域为研究对象，随着城市化进程加快、人口密度和经济产值提高，城市洪涝灾害逐渐成为研究热点[3-4]。居民室内财产损失是城市内涝灾害损失的重要组成部分，20世纪60年代开始有学者关注城市内涝灾害居民室内财产损失问题，根据内涝灾害室内财产损失调查数据建立内涝致灾因子与财产损失之间的关系[5-8]。城市内涝灾害评估的致灾因子如淹没水深、范围及历时等数据的准确性关系到评估结果的有效性，以往的研究常采用历史资料及径流系数法等方法获取致灾因子，难以完整模拟和分析城市地表产汇流过程、排水系统运行能力和地表积水情况，而基于水文水动力学方法进行洪水模拟分析可以得到精度良好的城市内涝淹没情况，因此，建立适应城市地区的一维-二维耦合模型是当今城市内涝风险评估要求下的必然趋势，其中，InfoWorks ICM模型为一类较为优越的城市雨洪模型，在城市内涝模拟中得到了较为广泛的应用[9-12]。

构建内涝致灾因子与财产损失之间的关系十分不易，需要在灾害发生时开展大量的室内财产损失现场调查[13-15]，因此，尽管采用该方法所得到的损失结果精度较高，但工作量很大、效率较低。针对现场调查法所存在的不足之处，近年有学者提出采用合成曲线法构建城市居民家庭财产洪水损失曲线，利用该曲线计算得到研究区域所受到的财产损失。Velasco等[13]采用合成曲线法评估了西班牙巴塞罗那Raval区的洪灾损失，廖永丰等[16]鉴于目前我国缺乏有效、可大范围推广的城市内涝居民室内财产损失评估模型，以北京市为例，根据居民室内财产的基本构成情况，利用合成曲线法构建城市内涝灾害居民室内财产损失评价模型，取得了较好效果。本文以洪涝灾害频发的深圳市民治片区为例，构建基于InfoWorks ICM 的一、二维耦合城市洪涝仿真模型，以获取具有较好精度和可靠性的致灾因子结果，利用合成曲线法得到研究区域室内财产损失曲线，基于InfoWorks模型模拟结果得到室内财产损失，其研究成果可为当地防汛部门的防灾减灾工作提供科学依据和决策辅助。

1 研究区概况

民治街道位于深圳市龙华区南部，属亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，降雨量年际、年内间分布不均，多年平均降雨量1 822 mm，年最大降雨量2 408.9 mm，年最小降雨量784.8 mm，年内降雨量主要集中在4～9月，降雨量约占全年降雨量的84%。街道辖区总面积29.26 km2，根据排水管网服务范围及地形资料概况分析，确定民治街道内一封闭流域作为研究区域，研究区域面积为25.33 km2。研究区域范围内地形南高北低，南部多为丘陵山地，中部和北部地势平缓，为密集建城区。

民治片区属于观澜河流域范围，片区内两条主要河流上芬水和民治河都属于观澜河一级支流(图1)。民治河为观澜河的上游支流，发源于民治水库、民乐水库、雅宝水库的源头大脑壳山山脉，民治河源头接民治水库溢洪道，中段有牛咀水、樟坑水二支流汇入，下游与坂田河汇合后一同汇入观澜河干流。民治河河流全长8.8 km，流域面积20.17 km2，河床平均比降6.6‰。上芬水为观澜河左岸支流，发源于深圳市羊台山森林公园，流经大浪、民治、龙华街道，在龙华街道油松社区共和村汇入观澜河，河流全长3.9 km，流域面积8.9 km2。

图1 民治片区河流水系图 图2 民治片区内涝点Fig.1 River system in Minzhi area Fig.2 Waterlogging point in Minzhi area

随着深圳市社会经济迅速发展，民治街道城市建设逐步完善，地势平缓的中部和北部已成为密集建城区。原有的农田、沼泽等透水地面大多被城市道路、房屋等不透水地面覆盖，大部分河道也被改为盖板渠和箱涵，原有水田、湖泊、沼泽、水塘、水库的滞留效应减弱。同时，由于该区域属于城中村，发展过程中，排水系统缺乏全面完善的规划，旧村老城周边农田、水塘被城市化进程覆盖后，被围困形成低洼区；新城区的竖向高程未能充分考虑河渠水面线的关联性，而形成新的受涝区；城市道路建设造成水系隔裂、排水不畅，又扩大受涝面积；导致民治片区内涝不断。近年来深圳市民治片区遭受了多次较为严重的暴雨袭击，均发生不同程度内涝，局部区域积水严重，给人民生产生活造成较大影响。通过对研究区2008～2014 年暴雨内涝实地调研，总结出民治内涝严重片区分布情况，内涝点主要发生在南城百货、电站路、泰明菜市场、民治第一工业区、樟坑旧村、横岭旧村、白石龙村及龙塘老村等8 处，具体位置如图2。

2 InfoWorks ICM模型构建

InfoWorks ICM是英国Wallingford公司研发的城市综合流域排水模型，它具有强大的计算能力和详尽的1D-2D耦合功能，实现了管网系统与河道的交互耦合，可以完整地模拟城市地区雨水循环过程以及排水管网系统与地表洪水之间的相互作用，现已广泛地应用于城市降雨径流模拟、排水系统现状评估和洪涝灾害风险分析等。

对研究区内的排水系统进行合理概化，构建研究区管网数据库。概化排水管网时，删除雨水篦子，排水管道与沟渠统一概化为管线，除了排水口的其他附属物统一概化为节点。根据排水管网CAD资料和管网属性数据表，利用ArcGIS软件对管网图层进行拓扑检验、纠正流向、删除零散管网等初步处理，并实现管网数据与管网属性的连接。管网系统中的特征参数根据研究区域的实际情况予以确定，如管道长度、管径和管段曼宁系数等。概化后的节点数为2 980，管道连接数为2 920。根据研究区域的地形、河道和主要街道划分较大的子汇水流域，在此基础上根据地形、下垫面类型等影响因素进行细分和局部调整，划分子汇水区，将划分后的区域与某个节点对应，民治片区共划分1 520个子汇水区。根据遥感图像分析，本研究区域的地表类型可概化为五种，分别为屋面、道路、草地、荒地和水面，每个子汇水区都由上述五种类型的地表按不同比例组成(表1)，根据研究区域遥感图，确定每个子汇水区中不同产流表面的比例。至此，就完成了研究区域一维模型构建(图3(a))，为每个子汇水区引入降雨数据后就可以进行一维计算。

表1 不同地表类型属性Table 1 Properties of different surface types

InfoWorks ICM模型实现了一维、二维模型耦合，一维模型主要用于进行河道和城市地下排水管网水流模拟计算，二维模型则主要用来对地面洪水的流速、流向和深度进行模拟计算。建立二维模型首先引入地面高程模型，通过提取民治片区地形图的高程点数据建立研究区域的TIN模型，本模型采用的高程数据为高密度的高程点数据，高程点数据83 109个。

为防止高程点数据误差对模拟造成不利影响，使用ArcGIS软件建立TIN模型并进行人工修正，再将地面高程模型引入InfoWorks模型。TIN模型建立后，需确定二维模型计算区域，画出2D区间用以划分网格，每个网格从TIN模型中读取一个高程数据。根据遥感图划分出道路和建筑物轮廓，通过InfoWorks ICM的修改网格高程功能，将道路高程降低20 cm，房屋高程提高10 cm。至此，加上前述一维模型部分，就完成了二维模型构建(图3(b))，将节点的洪水类型设定为2D，就可以实现一维、二维耦合计算。

图3 InfoWorks ICM模型构建Fig.3 Construction of infoWorks ICM model

采用2014年5月11日降雨内涝资料对模型进行率定和验证，降雨资料来自民治片区自记式雨量计，由于缺乏流域出口实测流量数据，采用实地调查内涝情况进行模型参数率定。利用InfoWorks ICM模型模拟研究区域2014年5月11日实测降雨洪水情况，根据历史内涝积水调研情况，2014年5月11日场次的暴雨造成内涝积水较为严重的区域主要为布龙路与人民路交汇处、民治河边梅花新园、民治大道平南铁路下等区域。提取结果文件中的城市地表积水分布，将该场暴雨主要涝点的调研水深和模拟淹没水深比较(表2)。由表2可知，模型模拟积水情况与调查结果较为一致，说明该模型能较好地反应该片区的内涝情况，具有较好的精度和可靠性。

表2 2014年5月11日暴雨主要涝点积水统计Table 2 Statistics of main waterlogging points in 20140511 rainstorm

3 深圳市暴雨内涝灾害居民室内财产损失曲线

前文已在民治片区构建基于InfoWorks ICM的高精度城市雨洪模型，可模拟区域内单独承灾体的受灾情况。采用合成曲线法构建深圳市内涝灾害居民室内财产损失曲线[16]，通过模拟深圳市居民室内财产的组成和分布，根据室内各财产的位置和遭淹受损情况建立居民室内财产损失曲线。

根据深圳市统计年鉴，单个深圳市中等收入家庭拥有一套商品房，住房面积90 m2，其中卧室两间，书房、客厅、餐厅、厨房和卫生间各一间，室内财产根据深圳市居民基本家庭装修及家具及电器配备情况进行设计。

(1)室内财产分类及价值

室内财产主要为室内装修、家电用品、家具和家庭日用消费品四类，家庭财产组合中仅设计生活必须品，不考虑额外的奢侈品。按类别对各类室内财产的数量和价值统计如下：

1)室内装修

根据《住宅装饰装修工程施工规范(GB503217-2001)》，城市住宅装修工程按照房屋结构可以综合分为地面铺装、墙面铺装、门窗、房屋结构、卫生器具及管道、电气等7项工程。一般来说，在房屋水淹过程中，位置较高的窗、电气和抗水较强的房屋结构、洗浴设施受淹损失风险小，位置较低的木质地板、木质门和墙漆受淹损失风险较大。

设定各家庭住宅的卧室和书房均以木质地板为主，其余空间以瓷砖为主，因此木质地板损失核算仅计算卧室和书房面积。根据商品房常见户型图和《2012年中国地板行业互联网指数研究报告》，设计此90m2商品房木质地板铺装面积为33 m2，木质地板价格为254元/m2。计算可得单个深圳中等收入家庭地板铺装总成本为8 382元。

各家庭住宅的卫生间和厨房的墙面涂饰一般以瓷砖为主，其余空间以墙漆为主。水淹过后，为保证墙面颜色的一致性，所有水淹墙面均会重新刷漆。设计刷漆面积=(室内面积-厨房面积-卫生间面积)×3。室内面积以建筑面积的85%计算，厨房和卫生间面积以室内面积20%计算，故90m2家庭住宅刷漆面积为183m2。2012年深圳市包工包料的刷漆成本为12元/m2，刷漆总成本为2 196元。

设定各家庭住宅的卧室门和书房门均为木质，其余门为合金为主，因此木质门损失核算仅计算卧室门和书房门。查阅2012年深圳市装修报价，木质门一般为1 900元/樘，标准住宅按三樘木门测算，家庭木门安装总成本为5 700元。

2)家用电器

除少数较富裕家庭可能拥有奢侈品或贵重财产，普通居民家庭拥有的房屋财产种类差别并不大，只是在数量和价值上有一定差异。根据《深圳统计年鉴》的居民电器种类情况(表3)进行每户家用电器数量计算；并根据石勇[17]对上海市、姚思敏[18]对京津冀地区的相关研究对表3中缺少的常见家用电器数据进行补充。

表3 居民家庭平均每百户拥有耐用电器(2012年)Table 3 Durable electrical appliances per 100 households (2012)

由于部分电器设备较便携(如移动电话、照相机等)，在发生洪涝淹没时能轻易地移动到较高的位置避免浸水损坏，该类电气设备在本研究中不予考虑。参考中国市场调查研究中心月度零售监测数据库2012年每月数据，对家电零售价进行估算，结果见表4。

表4 家庭电器设备组合设计Table 4 Combination design of household electrical equipment for residents

3)家具

大件家具是室内财产的主要部分，除沙发一般为皮质或布艺品，床垫的主体材料为布料外，其他常见家具的主要制造材料一般是木材，淹水后对结构和功能较难造成功能性巨大破坏，更换概率较低，因此在这里不加以考虑，得到深圳市城镇居民家庭家具设备结果见表5。

表5 居民家庭家具设备Table 5 Household furniture

4)日用消费品

服装、家庭日用品和文娱用品等日用消费品也是家庭财产的一部分，且这些物品易损性高，一旦遭遇水淹立刻丧失价值，根据深圳市年鉴中给出的深圳市人均消费情况，对每个家庭这些日用消费品的价值进行统计(表6)。

表6 居民家庭日用消费品价值估算(元)Table 6 Estimation value of household consumer goods(Yuan)

(2)室内财产内涝灾害损失风险

城市内涝灾害对房屋财产造成损害的方式主要是长期水淹，长时间的水淹导致财产发生吸水膨胀、浸水脱色等形状变异、功能破坏的情况，因此只要财产与内涝积水长时间接触，损失将不可避免。为具体计算财产损失，模拟不同水深对财产的损失程度，必须要对各类财产的设计高度和水淹损坏情况进行调查。

墙面装修分为踢脚线和墙漆，当积水深度超过踢脚线时墙漆将遭受水淹。目前深圳室内墙面装修以10 cm踢脚线为主，计算水淹高度时，计入地板高度4 cm，得到一层住宅墙面受损水淹高度阈值为14 cm。门遭受水淹的条件是水深超过门下边线的高度，由于门与地面铺装之间留空1 cm，计算水淹高度时，计入地板高度4 cm，得一层住宅门板受损水淹高度阈值为5 cm。若门板水淹深度小于1/2，仍有部分板材完好，可以进行后期修复，此时定为损失75%。

对于家用电器的摆放高度和水淹损坏情况，苏明道[17]等做过台湾室内财产的高度调研和统计，以量贩店及大型家电行为调查对象，配合销售情形，求得各家电尺寸的平均值；以家具行的设计为对象，调查各家具的高度，作为摆放高度时的参考依据。以各大维修部为访谈对象，对各项设备与其淹水深度与损失的关系进行调查，得出淹没水深与各类财产损失的关系，台湾地区研究中未能包含的电器或家具损坏情况，参考石勇[17]和姚思敏[18]等的研究确定取值。

室内家具受淹损失风险主要是评估沙发和床垫的损坏情况，沙发的水淹高度阈值为地板高度4 cm，床垫遭受水淹的条件是水淹深度达到床高，床高一般为45 cm，计入地板高度4 cm，床垫的水淹高度阈值为49 cm。日用消费中，服装一般放置在衣柜中，假定遭受淹没的阈值为50 cm；家庭日用品一般为床上用品或装饰品，综合考虑后假定水淹高度阈值为60 cm；文化娱乐用品一般摆放在桌面上，水淹高度阈值为80cm，各居民室内财产水淹深度阈值见表7。

表7 居民室内各财产水淹深度阈值Table 7 Threshold value of flood depth of various properties in residential room

因不同财产水淹深度阈值差异较大，以0.1 m为间隔，结合不同类财产的水淹深度阈值和水淹后财产损失值绘制深圳市家庭暴雨内涝水深-损失值曲线(图4)，以此反映不同内涝程度下的绝对损失。从图4可看出，0～0.8 m段损失随着水深上升较快，0.8～1.8 m段损失曲线爬升缓慢，损失在1.8 m水深后逐步趋于稳定并在2.4 m时接近最大值，后续趋于平缓。总体上损失随水深变大而增多，损失速率随水深变大而减缓，这主要是由于各类财产通常摆放位置较低且集中，位置越高，财产损失越少。

图4 暴雨内涝水深-损失值曲线 图5 洪涝灾害居民室内财产损失率曲线Fig.4 Depth loss curve of rainstorm flood Fig.5 Indoor property loss rate curve of flood disaster

不同水深下的损失率为不同水深下的损失值与最大损失值的比值，损失率可以忽略通货膨胀的影响，常用来表示财产损失情况，图5为计算得到的各水深下的深圳市居民室内财产损失率。

在内涝灾害灾损曲线的建立过程中，水深-损失率关系的拟合公式形式较多，主要包括多项式、幂函数和指数函数等形式，其中多项式常被用于拟合灾害灾损曲线[16]，采用多项式拟合得到损失率y与水深x的关系为(图5)：

y=0.0149x3-0.1934x2+0.7672x+0.0412x>0，0

(1)

R2=0.9954.

从图5可看出，水深与损失率的关系曲线拟合精度较高。至此，已通过合成法得到深圳市洪涝灾害居民室内财产灾损曲线，如获得不同家庭房屋室内财产总价值数据，即可通过计算总价值与灾损曲线损失率之积，得到不同水深房屋室内财产损失的估计值。

(3)基于InfoWorks模型的室内财产损失估算

根据《城镇内涝防治技术规范 GB 51222-2017》要求，深圳市为超大城市，防御内涝标准为100年一遇。根据深圳市暴雨强度公式和芝加哥雨型生成设计暴雨，深圳市暴雨强度公式为：

(2)

式中：q为设计暴雨强度，L/s·ha；t为降雨历时，min；P为设计重现期，a。

设定降雨历时为2 h，并以5min为记录间隔，得到降雨历时2 h的深圳市100年一遇设计暴雨过程。将设计暴雨数据输入模型，设置模拟时间为4 h，模拟步长为1 min，利用已构建的InfoWorks ICM模型模拟计算100年一遇设计暴雨情况下研究区域淹没水深。本文所研究的居民室内财产损失主要是针对居民区而言，根据研究区域遥感影像图提取民治片区建筑分布，结合深圳市土地利用规划图确定研究区域居民住宅分布情况，得到研究区域内住宅淹没情况见图6。

居民住宅内淹没水深值大于0即表示居民室内财产受淹，利用淹没深度和前文所构建的深圳市内涝灾害居民室内财产损失曲线(图5)对栅格进行逐个计算并求和，得到研究区域内居民住宅内涝破坏和损失情况。参照前文构建居民室内财产灾损曲线时的统计数据，结合深圳市人均可支配收入率增长得到深圳市2018年居民室内财产总价值和单位面积财产价值，求得单位面积财产价值为1 051元。根据居民室内财产灾损曲线对淹没深度图进行栅格幂函数运算，得到研究区域100年一遇暴雨重现期下住宅的淹没损失分布(图6)。使用ArcGIS统计工具，计算出研究区域100年一遇暴雨重现期下居民室内财产的总内涝损失为1 160万元。

图6 100年一遇暴雨重现期下民治片区淹没水深和损失情况Fig.6 Submergence depth and loss of Minzhi area with 100-year return period of rainstorm

对民治片区土地利用分类图和历史内涝灾情进行分析可知，民治片区内遭受暴雨内涝的主要是一楼居民住房和沿街的商铺等，由于未能收集到沿街商铺的历史内涝损失数据，对商铺内商品的价值和摆放也无法通过合成曲线构建，暂未考虑商铺的内涝损失情况。若后续能收集到民治片区商业用地的内涝灾损情况，可进一步构建商铺财产损失曲线，利用构建的民治片区雨洪模型，计算不同降雨情景下的财产损失，求得片区年平均内涝损失，可作为该区域暴雨内涝风险管理依据。

4 结论

(1)通过排水系统概化、下垫面数据处理、一维模型、二维模型构建及一、二维模型耦合等步骤，构建基于一、二维耦合的民治片区InfoWorks ICM模型，利用实测暴雨内涝资料对模型进行验证，模拟的积水范围和水深与实地调研情况较为一致，表明该模型具有良好的精度和可靠性。

(2)突破城市中心区灾害样本数据不足的局限，模拟深圳市居民室内财产的组成和分布，结合财产的水淹损坏情况，分析各居民室内财产水淹深度阈值，根据室内各财产的位置和遭淹受损情况，采用合成曲线法拟合深圳市居民室内财产淹没深度-损失率曲线。

(3)利用已构建的InfoWorks ICM模型模拟计算100年一遇设计暴雨情况下研究区域淹没水深，根据研究区域遥感影像图提取民治片区建筑分布，结合深圳市土地利用规划图确定研究区域居民住宅分布情况，分析研究区域内涝灾害破坏和损失情况，得到研究区域100年一遇暴雨重现期下居民室内财产的总内涝损失为1 160万元。