基于海绵城市建设适宜性与内涝风险性的内涝防控策略研究

任建超，谢水波

(1.南华大学建筑学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学土木工程学院，湖南 衡阳 421001)

内涝是我国频发的自然气象灾害和城市问题之一[1-2]。部分发达国家关于城市内涝防控的研究比较成熟，如美国的最佳管理措施(BMPs)、低影响开发(LID)、绿色基础设施(GI)和澳大利亚的水敏感性城市(WSUD)等雨洪管理理念[3-4]。我国学者借鉴国外雨洪管理体系，结合我国古代“天人合一”治水思想和生态城市建设目标，提出了从低影响开发到海绵城市的治水理念，构建“水弹性城市”[5]。海绵城市建设作为我国新型城镇化下的雨洪管理体系，在城市内涝、黑臭水体等水问题的治理中已取得显著效果。自2015年起，我国开展海绵城市试点建设，由于起步较晚，经验不足，对城市积水、空间环境等基础条件分析不足，导致城市内涝防控中出现海绵城市建设选址不利和建设时序效益低等问题[6]。

杨文辉等人以常州海绵城市建设为例，将闲置用地纳入海绵城市建设系统，提出经济可行的近远期海绵城市建设管控策略[7]；曹万春等人基于ArcGIS空间分析功能对水文地质特征和海绵建设条件进行评价，提出海绵城市管控要求和指标[8]；王帅伟等人从环境地质角度出发，通过对海绵体环境地质参数与海绵能力关系研究，以焦作市为例，进行海绵城市建设适宜性评价[8]。

上述研究关于海绵城市建设选址与建设时序规划方法主要集中于工程地质条件方面的影响，缺乏对城镇社会经济、内涝风险等内涝防控需求性方面的考虑。因此，本文以南方沿海某工业城镇为例，运用AHP-熵权法从自然地理、社会及经济等多方面考虑，构建海绵城市适宜性评价体系，识别海绵城市建设适宜空间，并采用情景模拟的方法识别内涝风险空间，综合考虑海绵城市建设适宜程度与内涝风险程度，基于海绵城市理念，探索海绵城市内涝防控策略。

1 研究区现状

1.1 自然-社会现状

研究区位于东莞市某镇西片区，地处南方沿海珠江口东南岸，背山面海，具有水资源丰富，降雨强度大，雨季长等特点，年平均降雨量2042.6mm，受台风影响较严重，暴雨内涝灾害主要集中在5—10月份。所选研究区域东、西、南均被河道包围，地势自北向南降低，北部为丘陵山脉，南部为冲积平原及滩涂，面积约为9.65km2，高程范围在0～120m。近年来，随着工业经济迅速发展，外部输入人口数量加大，城镇土地建设密度较大，绿地空间减少。土地利用功能主要分为工业、公共服务、公寓住宅、城中村及其它用地，面积分别约为3.01、0.39、1.04、0.23、4.98km2，其占比分别为31.19%、4.04%、10.78%、2.38%、51.61%。

1.2 历史内涝点分布

采用实地调研的方法对研究区内涝点分布、水深进行走访，走访人员主要包括商铺、出租车与摩的等道路附近从业人员。其询问方式，经过多人对比验证，数据具有可靠性。较浅历史积水点走访难度较大，因此主要对积水较严重的内涝点进行记录，共记录内涝点31个，根据其内涝深度主要分为0.2～0.5m及大于0.5m二级。其中，0.2～0.5m积水点27处，大于0.5m的积水点4处，主要分布于道路交叉口、厂房门口及洼地，如图1所示。根据走访记录和查阅相关文献，研究区内涝主要原因有降雨强度较大、河道顶托、地势低洼、管道承载力较低及管网系统不完善等。

图1 研究区积水分布现况

2 海绵城市建设适宜性评价

2.1 指标选取

从水循环系统的角度出发，城市内涝主要原因是多种因素导致的水循环系统的割裂与破坏，主要包括自然条件和城市规划建设两个方面。自然条件方面包括地形地貌、植被破碎和超标降雨等因素，城市规划建设方面包括传统城镇化、管道排水能力不足和河水倒灌等因素[10-11]。因此完善水循环系统是排水防涝的关键。本文所研究水循环为广义水循环的陆地空间次级系统，是指雨水在陆地的径流循环过程，主要包括自然水循环系统和工程性水循环系统。基于海绵城市理念，自然水循环系统主要是指以水系、湿地和绿地等自然地理为代表的“绿”排水系统，工程性水循环系统主要是指以排水管道、市政设施和道路等城市建设为代表的“灰”排水系统，同时在城市建成空间水循环阶段应考虑城市“人口-经济”安全。

考虑指标的全面性、权威性和可获取性，基于海绵城市理念，从水循环系统角度识别内涝防控要素，在自然地理、城市建设和人口经济三个方面选取了高程、坡度、植被、水系、建筑密度、管网密度、距离道路、人口密度及用地功能9个指标。

2.2 分值量化评价

根据所选指标特征属性和研究目标对各个指标进行量化分级，见表1。在自然地理方面，高程与坡度越小，地表越容易积水，越适宜海绵城市建设，采用GIS重分类的5级自然断点法划分为5级；绿地与水系本身雨洪调蓄能力较强，距离绿地与水系越远对海绵城市建设的需求越大，因此在植被与水系周边分别以200、400、600、800、1000m为半径创建缓冲区。在城市建设方面，建筑密度与管网密度越小，越适宜海绵设施选址，采用GIS重分类的5级自然断点法划分为5级；道路作为重要的雨洪行泄通道和易积水区域，距离道路越近，海绵设施需求性越高，因此根据道路密度和地块实际情况，以50、100、500、1000、2000m为半径创建缓冲区。在人口经济方面，以定性评价方式进行打分量化评价，人口密度越大易损性越高，对海绵城市建设需求越高。通过百度热力图采集2020年8月16日(周日)和8月17日(周一)两天均匀的10个节点人口分布进行叠加综合，得出人口密度空间分布，并采用GIS重分类的5级自然断点法划分为5级，1～5级定性评价分别为：分散、较分散、一般、较拥挤及拥挤，对应分数取值范围为0～1、1～2、2～3、3～4、及4～5[12]；用地功能通过影像图手动解译和实地调研的结合，经济价值和产值越高，其脆弱性越大，易损性越高，对海绵城市建设需求越高。根据一层建筑经济价值和产值情况定性划分为5个等级，1～5级经济价值定性划分为：其它、城中村、公寓、公共服务及工业，对应分数取值范围为0～1、1～2、2～3、3～4、及4～5。

表1 海绵城市建设适宜性评价指标量化分级

2.3 指标综合权重赋值

2.3.1评价体系构建

分析所选指标的属性及关联性，为降低层次分析法主观性的影响，本文采用AHP-熵权法构建海绵城市建设适宜性评价体系，如图2所示。对自然地理(H)、城市建设(S)及人口经济(V)指标进行叠加分析，从而对研究区进行海绵城市建设适宜性区划，即：

图2 海绵城市建设适宜性评价体系

A=H×WH+S×WS+V×WV

(1)

式中，A—最终海绵城市建设适宜性结果，值越大，适宜性越高；Wi—权重。

2.3.2指标综合权重确定

(1)层次分析法

层次分析法是定量与定性相结合的权重决策分析方法，通过专家打分，参考1～9标度法对各层指标两两比较，判断各层指标重要程度。其数学公式为，元素i与j相比为aij，则元素j与i相比取aji=1/aij[13]。以公式CR=CI/RI进行判断矩阵一致性检验，式中CI为一致性指标；CR为平均一致性指标；RI为随机一致性指标。当CR<0.1，判断矩阵一致性符合计算要求，相反，不符合。

(2)熵权法

采用熵权法进行加权综合评价，由于各指标量纲不同，需要对各指标值进行归一化处理，即：

(2)

(3)

式(2)、(3)中，Yij—第j个指标的第i个值；Xi—标原始数值；Xmin—第j个指标的最小值；Xmax—第j个指标的最大值。

熵权法是一种客观赋权方法，指标的熵值越小，其离散程度越大，该指标对综合评价的影响越大，即权重越大。当研究区指标像元数为n，指标数为m，则指标矩阵为R=(rij)m×n，则第i个指标的熵定义为：

(4)

式中，Hi—第i个指标的熵，n—像元的个数；其中fij为：

(5)

式中，Zij—第i个指标下第j个评价对象的标准化后的指标值，则第i个指标熵权定义为：

(6)

(3)指标综合权重

表2 海绵城市建设适宜性评价指标综合权重

2.4 海绵城市建设适宜性评价

基于GIS空间分析功能，依据各指标权重，进行各指标叠加分析，通过重分类的5级自然断点法进行等级划分，实现海绵城市建设适宜性评价。根据得分，将海绵城市建设适宜程度划分为5个等级，1～5级分别为极不适宜建设区、较不适宜建设区、一般适宜建设区、较适宜建设区和极适宜建设区。分别根据层次分析法和AHP-熵权法两种方法所得权重进行海绵城市建设适宜性区划，对两种方法的适宜程度结果进行统计，见表3。发现层次分析法与AHP-熵权法海绵城市建设适宜性评价所得结果显示不同海绵城市建设适宜区所占比例虽然不同，但是空间分布具有一致性，如图4所示。AHP-熵权法与层次分析法相比，极不适宜、较不适宜与一般适宜区面积均减少，较适宜区与极适宜区均增加，其中较适宜区比例增加较多。

表3 AHP与AHP-熵权法评价结果统计表

如图3(b)所示，根据AHP-熵权法的海绵城市建设适宜性评价结果，结合各指标量化结果可以看出，极适宜与比较适宜海绵城市建设区为56.8%，主要位于管网密度较小、建筑密度较小的道路、水系、植被周边及中西部工业区域，在建筑、管网密度较高区域和人口分布较密集的区域较少且分散。从高程与坡度方面来看，除北部丘陵区域外，研究区整体地势平坦，于高程来讲，主要分布于0～8.83m，于坡度来讲，主要分布于0～2.85度；一般适宜建设区为23.67%，分布较为分散，主要分布于道路两侧，丘陵边缘以及南部滩涂地区；较不适宜建设区与极不适宜建设区为19.54%，主要分布于北部高程、坡度较大的丘陵区和人口、管网及建筑密度较大的公寓、工厂住宅区。

图3 海绵城市建设适宜性评价结果

3 内涝风险性评价

3.1 模型构建

通过MIKE水文水动力模型构建MIKE URBAN一维排水管网和MIKE 21二维地表漫流模型，并以MIKE FLOOD模型进行一、二维耦合，模拟研究区50年重现期120min降雨情景下的内涝情况[16-17]。

3.2 模型率定

由于缺乏历史气象数据，根据研究区2018年8月30日最大120min降雨量接近东莞市2年重现期120min降雨量，因此通过东莞市暴雨强度公式计算2年重现期120min降雨雨型进行情景模拟，如图4所示，通过情景模拟的积水情况与历史内涝点进行对比的方法进行模型验证。去除深度小于0.2m的积水区，最终结果与历史内涝点进行宏观对比，发现符合率达到87.1%，见表4，因此模型能大体反映研究区积水情况。

图4 2年重现期120min降雨雨型

表4 模拟结果积水点与历史内涝点对比表

3.3 50年重现期内涝风险性评价

根据GB 51222—2017《城镇内涝防治技术规范》规定，地面积水设计标准包括一般道路积水深度不超过0.15m和居民住宅、工商业建筑物的底层不进水[18]。因此，参考相关内涝防控案例，依据淹没深度与淹没历时划分内涝风险等级(B)，分别为无风险、低风险、中风险及高风险4个等级，其划分标准参照表5。

表5 淹没风险等级划分标准

根据东莞市重现期区间参数暴雨强度公式，计算50年重现期120min短历时降雨雨型，如图5所示。通过MIKE FLOOD软件获取50年重现期降雨的内涝风险区划图，如图6所示。其中积水主要集中在道路、地势低洼及平坦区域，在山地周边的地势较高、坡度较大区域，沿道路形成洪流，其水深及过水时间以低风险和中风险为主；高风险区域主要分布于主干道、管网下游道路及洼地。

图5 50年重现期120min降雨雨型

图6 50年重现期内涝风险性评价结果

4 结果分析

通过ArcGIS空间叠加分析功能，将上述所得海绵城市建设适宜性评价与内涝风险性评价分别进行重分类赋值。海绵城市建设适宜性评价中将极不适宜建设区(A1)赋值10，较不适宜建设区(A2)赋值20，一般适宜建设区(A3)赋值30，较适宜建设区(A4)赋值40，极适宜建设区(A5)赋值50。内涝风险性评价中将无风险区(B0)赋值0，低风险区(B1)赋值1，中风险区(B2)赋值2，高风险区(B3)赋值3。将海绵城市建设适宜性评价Am与内涝风险性评价Bn叠加分析得到值为mn的ABmn，如图7所示。

图7 海绵城市建设适宜性与内涝风险性评价叠加方法

基于ArcGIS软件的栅格计算器分析功能，对海绵城市建设适宜性与内涝风险性评价进行叠加统计，见表6，剔除与海绵城市建设极不适宜区相叠加的内涝无风险区AB10，绘制海绵城市建设适宜性与内涝风险性评价叠加结果图，如图8所示。结果发现无风险区中的AB10、AB20、AB30、AB40、AB50所占比例较高，其中AB40比例最高，为32.04%，主要分布于西部、西南部工厂区及道路周边。分布于海绵城市建设极不适宜建设区和较不适宜区中的低风险、中风险、高风险区(AB11、AB12、AB13、AB21、AB22、AB23)所占比例总和为0.38%，其中AB23比例最高，为0.15%，主要分布于中部与中南部工厂区。分布于海绵城市建设一般适宜建设区、较适宜建设区和极适宜区中的低风险、中风险、高风险区(AB31、AB32、AB33、AB41、AB42、AB43、AB51、AB52、AB53)所占比例总和为4.79%，其中AB53比例最高，为1.11%，主要分布于北部东西向主要道路区和中南部工厂区。

图8 海绵城市建设适宜性与内涝风险性评价叠加结果

表6 海绵城市建设适宜性与内涝风险性评价叠加统计结果

5 内涝防控策略

分析海绵城市建设适宜性和内涝风险性评价叠加结果，参考《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[19]，基于海绵城市理念，从雨洪生态安全格局、三级海绵排水防涝体系和内涝灾害应急管理体系3个方面构建内涝防控体系[20-21]。

5.1 雨洪生态安全格局构建

分析现状雨洪生态格局，对自然水循环系统中的水绿生态格局和工程性水循环系统中的排水管道系统进行梳理[22]。根据海绵城市建设适宜程度和内涝风险程度，指导城市水系、植被生态空间修复，完善自然水循环系统，同时结合管道排水能力的分析完善工程性水循环系统，并对自然水循环系统和工程性水循环系统进行衔接和统一。

5.2 三级海绵排水防涝体系构建

基于雨洪生态安全格局系统，依据城市道路与排水系统，划分海绵单元体。根据海绵城市建设适宜性和内涝风险性评价叠加结果，合理布局海绵设施，构建源头减排、中途控制和末端调蓄的三级海绵排水防涝体系[23-25]。

源头方面，主要应用于海绵城市建设适宜程度较高和内涝风险程度较低的场地，通过LID设施进行源头减排，主要采用海绵城市的“渗、滞、蓄、净”四个功能；针对部分海绵城市建设不适宜程度和内涝风险程度较高区域，主要结合现状雨水管渠，采取地面竖向设计和地上竖向绿化方式进行源头控制，不适宜采用“蓄”的功能，在高程及坡度较大的山地区域以保持原始地表水文为主。

中途方面，中途控制设施主要包括管道排水、地表排水、水系排水及中途水量调节，优先选取海绵城市建设适宜程度和内涝风险程度较高的区域，结合地下已有的大排水系统、绿地系统和传统管网，构建“灰绿”设施相结合的大小排水系统，以海绵城市“排、蓄”功能运用为主；针对海绵城市建设不适宜程度和内涝风险程度较高区域，通过现状排水管道系统和地面竖向设计排水相结合，可构建地下、地上相结合的雨洪行泄通道，以运用“排”功能为主。

末端方面，结合中途控制应对超标降雨导致的内涝高风险区，优先选取水系、植被较多的海绵城市建设适宜程度较高区域，通过湿地、公园及河道系统进行末端调蓄，以海绵城市的“蓄、用、排、净”功能为主；针对海绵城市建设适宜程度较低的区域，充分利用现况水系、植被和洼地进行雨洪调蓄。

5.3 内涝灾害应急管理体系构建

成立城市发展水务管理中心，运用大数据和地理空间数据技术，构建内涝灾害应急管理平台，实现内涝灾害风险的快速预警[26-27]。依据内涝风险程度，完善相应的灾害防控基础设施、防灾减灾方案及物资储备。对中高风险地区实施重点监控与快速救援，低风险地区以内涝灾害自我防控为主，提高城市应对内涝灾害的弹性。另外，结合文化宣传部门，组织内涝风险防控宣传教育活动，加强城市居民内涝风险防控宣传教育[28]。

6 结论

本文采用GIS与MIKE辅助进行海绵城市建设适宜性与内涝风险性评价，识别不同区域的海绵城市建设适宜程度与内涝风险程度。并通过海绵城市建设适宜性与内涝风险性评价叠加分析，从城市雨洪生态安全格局、三级海绵排水防涝体系和内涝灾害应急管理体系3个方面指导城市内涝防控，实现精细化的海绵设施布局与建设时序规划，提高城市内涝防控中的海绵城市建设的科学性与高效性。