基于雨洪风险模拟的城市低影响开发适建性分析

罗为维 周旭 刘晓林 马桥明 任芳

摘 要：城市低影响开发（LID）是解决城市内涝问题、改善人居环境的重要创新举措。本文以雨洪风险较高的贵阳市云岩区和南明区为例，输入不同降雨条件，运用SCS-CN模型模拟降雨径流；应用GIS空间分析识别不同雨洪风险区，并将雨洪风险、土地利用、高程、坡度和坡向耦合分析LID的适建性；拟选最适建占比最高的街区作为LID示范建设区。结果表明：不同土地利用类型的地表径流量差异较大，降雨5 a一遇时建筑区为66.21 mm、林地为7.63 mm，100 a一遇时建筑区为110.41 mm、林地为28.80 mm，应当重视城市绿化建设。研究区在5 a一遇情景模拟下，最先出现大面积雨洪风险，雨洪高风险区面积6.90 km2。区域内LID适建性总面积为184.4 km2，其中最适建面积为81.49 km2，覆盖41个街区，最终选取最适建面积占比97.44%的中山西路街道和98.81%的河滨社区作为建设示范点。

关键词：低影响开发；适建性；雨洪风险模拟；SCS-CN模型

中图分类号：TU984 文献标志码：A文章编号：1673-5072（2024）02-0172-09

随着城市建设用地不断扩展，自然土地转变为不透水表面，从而导致渗透过程减弱［1］，由此引发的城市热岛和城市内涝等问题日益严重。洪水灾害已占世界自然灾害的1/3［2］，被视为社会发展和人类生活的新威胁［3］。为了应对城市内涝、改善人居环境等，我国住房和城乡建设部于2014年10月印发了《海绵城市建设技术指南：低影响开发雨水系统构建（试行）》，明确要求规划引领、统筹开发城市雨水系统［4］，实现从宏观尺度到微观尺度的统筹协调、从战略规划到实践层面的承接配合［5］。当前我国海绵城市建设仍处于试点建设阶段，对于海绵城市的理论创新、规范制定和标准化建设还有待完善［6］，尤其是低影响开发（Low Impact Development，LID）建设还处于不断的探索和实践之中。

LID是采用源头控制理念实现雨洪管理与利用的海绵城市建设方法［7］。LID适建性分析是指融入生态要素与海绵理念的适宜性评价方法，可为海绵城市建设提供辅助决策［8］。由于城市的地形、生态环境、格局的不同，LID适建性指标构建的侧重点也存在差异。任建超和谢水波［9］从自然地理要素、城市建设以及用地功能3个指标评价海绵城市建设适宜性。付韵潮等［10］进一步将水文、产业布局加入LID适建性评价，为天府新区提供LID建设指导。陈哲夫等［11］从水文的角度深入，强化水源涵养、土壤保持和水质净化3个指标，实现海绵城市建设适应性评价。现有适建性研究大多基于地形、植被、土地利用和水文等方面进行，也有部分学者［12-14］从径流管理将不同重现期下的降雨径流作为雨洪因子，融入LID措施建設评价中，但忽略了城市降雨径流形成淹没时的雨洪风险对LID建设的影响。

因此，本研究的目的是融合雨洪风险对贵阳市云岩区和南明区进行LID适建性综合分析。运用SCS-CN水文模型与ArcGIS，模拟研究区内5 a、10 a、25 a、50 a和100 a一遇重现期降雨产流以及雨洪风险分布，耦合雨洪风险、高程、坡度、坡向和土地利用构建LID适建性体系，分析研究区内最适建区域，并基于各街区的耦合效果筛选示范街区，为城市LID建设提供参考。

1 研究区概况

贵阳市处于云贵高原东部，是典型的喀斯特山地城市，地形起伏大，山高坡陡，以山地、丘陵为主，平坝区域仅占9%。贵阳市属于亚热带季风湿润气候，年降水量为1 072.8 mm，夏半年降水量占年降水量的78.5%。5—9月为贵阳市的雨期，阵雨和暴雨频发，洪涝灾害主要集中在这一时期。云岩区和南明区是贵阳市主城区，面积共302.91 km2（图1），具有人口密度高、商贸繁荣、交通便利与人文景观丰富等特点。根据历史文献记载，在1952—1998年，贵阳洪涝灾害爆发的频率为3～4年1次［15］。1996年7月2日的特大暴雨被列入百年一遇降雨灾害事件，主城区日降雨量为197.3 mm，致使河道水位上升，交通瘫痪，人员伤亡惨重，直接经济损失达32.58亿元［15］。2014年7月15日主城区日降雨量达到了201.7 mm，超过1996年成为有记录以来的日降雨量最大值。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究采用中国资源卫星应用中心（http：//www.cresda.com/CN/）2021年6月GF-6号16 m遥感影像数据和欧洲航天局（https：//www.esa.int/）2021年10 m土地利用数据；土壤类型分布数据来自第二次土壤普查；云岩区和南明区街区数据下载自91卫图；30 m DEM数据来自地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）；降雨数据参考《贵阳市暴雨强度公式推求》［16］计算获得；实际历史内涝点数据以2014年贵阳市住房和城乡建设局公布的《贵阳市中心城区主要水淹点一览表》为基础，对照微博官方账号“贵阳交通广播”发布的2019—2021年7月实时内涝信息进行整理更新所得。

2.2 研究方法

2.2.1 雨洪风险模拟方法

1）降雨量设计。本研究根据《室外排水设计标准》［17］列举的适宜降雨历时，以120 min为例，基于贵阳市暴雨强度公式，计算出5 a、10 a、25 a、50 a和100 a一遇的重现期下的设计降雨量，公式如下：

式中：i代表暴雨强度（L·（s·hm2）-1）；p代表设计降雨重现期（a）；t代表设计降雨历时（min），P为设计降雨量（mm）。各重现期降雨量设计结果如表1所示。

2）径流计算参数设定。SCS-CN模型由美国农业部水土保持局开发，综合考虑了土地利用类型、土壤类型、前期土壤湿润程度对降雨径流的影响，用于预测降水径流量的大小［18］，其基本关系为：

式中：P 为设计降雨量（mm）；Q 为实际径流量（mm），S为最大滞留量（mm）。

区域内S受地表径流参数（CN）的影响，其关系如下［19］：

美国农业部水土保持局根据土壤质地与土壤水分的最小渗透率由强到弱划分为 A、B、C、D共4类土壤水文类型［20-21］（表2），并提供适用于城市区域的CN值［22］。本研究在土壤水文湿度为AMC-Ⅱ（普通）型进行开展，区域内包含B、C、D三类土壤水文型。结合相关CN值研究［23］，获取对应CN值（表3）。

3）雨洪淹没模拟。基于上述步骤，将暴雨内涝视为无源淹没状态，不考虑汇流过程，仅受重力与地形等自然因素的影响，进行洼地填充［24］，基于二分法运用ArcGIS中的Surface Volume工具确定研究区经历暴雨后的内涝淹没高度，进行雨洪风险模拟与分级。

2.2.2 LID适建性指标耦合

LID措施大多数依靠植被的一系列生态活动进行雨水的吸纳利用，植被的生长影响LID措施的效益［25］。本研究选取与LID措施中植被生态有关地形因子（高程、坡度、坡向），土地利用类型以及雨洪风险分布进行AHP层次分析，构建LID适建性评价体系（表4）。

随着高程的增加，大气密度降低，太阳辐射增强，植被生长受抑制，生态敏感性高，越不适宜人为LID措施建设［26］；坡度影响降雨的径流冲刷速度，坡度越小的区域，坡面越缓，降雨地表径流冲刷越慢，有利于植物吸收净化雨水，越适宜LID建设［27］；研究区位于北半球，坡向越朝南，植被光照条件越好，越适合植被生长，LID建设越适宜；土地利用类型涉及不同下垫面的地表径流、生态敏感性以及保护制度，地表径流越大、生态敏感性越低的区域越适宜进行LID建设，而林地、农田和水域具有较为严格的保护制度不适宜进行LID建设；雨洪风险依据重现期进行划分，重现期越小，降雨越频繁，越容易产生城市淹没，雨洪风险越高，越适宜LID建设［28］。

3 结果与分析

3.1 雨洪风险特征

SCS-CN模型模拟的不同重现期下的地表降雨径流如表5 所示，随着重现期的增加，地表径流量也增加，其中地表径流量产生最多的区域集中在人类活动最多的建筑区，5 a一遇下为66.21 mm，100 a一遇下为110.41 mm。而林地有较深的根系，对雨水吸纳有较好的效果，其径流量也最少，5 a一遇重现期下仅产生7.63 mm的径流量，100 a一遇下的径流量也仅有28.80 mm。这表明在城市LID建设中，植被对地表径流的吸收和截留能力不容忽视，在建筑区中，应考虑采用植被对其进行LID建设。

结合地表径流量运用Surface Volume工具模拟得出云岩区、南明区的淹没雨洪风险分布如图2、图3所示：研究区内大面积的城市内涝出现在5 a一遇重现期下，高风险区域总面积6.90 km2，是LID重点建设区域。10～100 a一遇的情景下，各街区内的积水未形成较大的溢流情况，仅在5 a一遇重现期基础上小范围延伸。因此，可依据区域内不同风险进行分批优化，形成循序渐进的城市LID建设。

结合遥感影像可知，雨洪集中在城市干道、居民区内部以及河道附近，对居民生活以及交通出行造成较大的影响。由云岩区雨洪风险等级分布（图2）可知：云岩区雨洪分布较分散，淹没地点基本在居住区、商圈广场以及交通道路。中部的中山西路街道、延中社区、中华北路街道以及贵乌社区是云岩区中心地段，此处建筑密度大，老旧建筑多，地势坡度大，市井街巷排水设施较为老旧，面对强降雨时，地表径流削减效果欠佳且排水效果不理想，是雨洪多发地段。头桥社区出现内涝的区域主要在西部前期规划有待完善的花果园居住区，此处交通拥挤，人流密集，绿地率较低，存在城市雨洪风险。三桥社区内多以待提质改造的老旧平房为主，城市绿化较少且排水设施较为老旧，亦会导致城市内涝。

由南明区雨洪风险等级分布（图3）可知：南明区雨洪风险分布的范围广泛，市西河两侧、建筑区、交通干道以及部分地势较低农田淹没情况比较明显。在南明区西部，从中曹司社区至水口寺社区，以及沿途河道内各街区均有带状雨洪高风险分布。其中，遵义社区淹没状况较为严重，呈现四周环绕式淹没，同时连接沙冲社区东北部、兴关社区西部呈块状淹没。南明区中部在城市河流两侧形成淹没，横跨小碧布依族苗族乡、龙洞社区以及云关乡3个街区。由于南明区东部地势整体较低，雨洪风险多出现在建筑区以及农田等地区。

3.2 LID适建性单因子分析

高程的适建性分布如图4a所示：高程适建性呈现出以云岩区、南明区的中心向外减弱的趋势，整体上适宜进行LID建设，区域内适建区为78.90%。最适建区多以地形变化较小的建筑区为主，LID最适建区占总区域的28.81%，较适建区域占总区域的50.09%。

坡度的适建性分布如图4b所示：坡度適建性分布与高程具有一致性，多集中于建筑区、农田等人为干预较多的区域。总体适建区域占比70.17%，其中最适建区占研究区的19.05%，较适建区占研究区51.12%。

坡向的适建性分布如图4c所示：研究区处于喀斯特山区，地形变化较大，坡向分布较为破碎。坡向总体适建区域占比为62%，最适建区占研究区的12.75%，较适建区占比为25.16%，中等适建区为24.09%。

土地利用类型的适建性分布如图4d所示：总体适建占比为57.17%，主要以建筑区和裸露地面分布为主。LID最适建区占研究区的56.53%，较适建区域占比较少，仅占全区的0.64%。

通过分析各因子的适建性分布发现，高程、坡度、土地利用因子的最适建区多集中在云岩区、南明区的中部，该区域主要由建筑区的组成，为LID建设提供了良好的建设条件，在LID建设中应着重考虑各项措施在城市建筑区的应用。

3.3 LID适建性综合分析

将各适建性因子与雨洪风险加权叠加，利用自然断点法进行分级，得出研究区内LID综合适建性分布（图5）：总体可供建设面积为184.4 km2 ，主要以城市中心向四周林地扩散，其中最适建区域为81.49 km2，占总区域的27.41%，较适建区域为102.8 km2，占总面积的34.57%。因贵阳市“城山镶嵌”的特殊山地城市地形因素［29］，存在大量生态敏感性较高，地形变化较大的自然山体分布在研究区边缘以及中心地带，不适宜建进行LID建设。

叠加各街区边界范围，对各街区的综合适建性进行分区统计，结果如表6、表7所示。研究考虑贵阳市中心城区地形破碎、用地紧张的特征，从最适建性面积占比出发，分析各街区的LID综合适建性。

云岩区（表6）总体最适建面积为15.64 km2，涵盖18个街区。其中，金惠社区不包含最适建区域。在云岩区内，街道最适建占比为2.56%～97.44%。其中，占比最低的街区是金鸭社区，该区域未受到雨洪淹没影响，且以大面积林地和农田为主，具有良好的雨洪调节能力，需要人为LID建设的区域较少。占比最高的街区是中山西路街道，该地区雨洪风险最高，覆盖地形平缓、高程较低的建筑不透水面，具有LID建设最适条件。

南明区（表7）总体最适建面积为65.85 km2，有23个街区包含最适建区域。其中，见龙社区内最适建占比最少，为7.73%，因其大部分处于贵阳森林公园内，高程变化较大、林地含量较高，建设难度较大，最适建性较低，一定程度上限制LID建设。河滨社区内部多为地形平坦的建筑区，易形成雨洪风险，最适建占比最大，为98.81%。

4 结 论

本研究耦合雨洪风险与多项因子进行LID适建性分析，明确了贵阳市云岩区和南明区内LID建设的适建性空间分布。雨洪风险模拟受到不同重现期下的降雨径流影响，在城市老旧小区、农田、河道等地总体以高风险为主。从整体上看，LID最适建区域分布在云岩区以及南明区的中部，主要由建筑区构成。在各街区分布上，仅有云岩区的金惠社区不存在最适建区域。云岩区内中山西路街道、以及南明区的河滨社区在各自行政区内最适建占比最大，具有良好LID建设条件，可作为建设试点街区进行相应建设布局，为城市LID建设提供指导依据。

由于本文采用设计降雨以及雨洪淹没模拟进行风险分级，模拟结果与实际降雨情况可能出现偏差。结合更新后的城市洪涝点数据可知，实际淹没点共47处（南明区26处，云岩区21处），实验模拟结果吻合37处，重合率为78%，覆盖大部分实际淹没点，理论上符合事实。LID措施建设应是科学的、因地制宜的，由于LID措施具有多样性，其适用场所也有不同，可根据不同场地的应用类型进行LID措施的比选。如，在建筑区可建设绿色屋顶排出和利用雨水；在城市道路两侧建设下凹式绿地，对路面排水和雨水进行吸收净化；面对河道两侧的积水，可采用退台式生态驳岸对雨水逐层吸收利用，同时完成雨水的净化，提高城市生态效益。由于遥感影像与目视解译成果的精度不够，本研究对土地利用类型的分类较为粗泛，并未能具体到用地的不同功能，对于LID措施在各街区内的具体比选研究还有所欠缺，这将作为今后内容进一步研究。

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Suitability Analysis of Urban Low Impact DevelopmentBased on Rainfall Flood Risk Simulation

Abstract：Urban low-impact development is an important innovative measure to solve the urban flooding problem and improve the living environment.Taking Yunyan district and Nanming district of Guiyang city with high risk of rainfall flood as examples，this paper employs the SCS-CN model to simulate rainfall runoff by inputting different rainfall conditions.GIS spatial analysis is applied to identify different rainfall flood risk areas and the suitability of LID is analyzed by coupling rainstorm risk，land use，elevation，slope and aspect.It is proposed to select the most suitable block with the highest proportion as the LID demonstration construction area.The results show that there is quite a difference in the runoff of different land use；for the 5-year return period，the runoffis 66.21 mm in the building area and 7.63 mm in the forest land while the runoff is 110.41 mm in the building area and 28.80 mm in the forest land for the 100-year return period;attention should be paid to urban greening construction.Under the scenario simulation of the 5-year return period，the study areais the first to have a large area of 6.90 km2 rainfall flood risk，which is a high-risk area of rainfall flood.Among the 184.4 km2 total area of LID suitability in the region，the most suitable area for construction is 81.49 km2，covering 41 blocks.Finally，97.44% of West Zhongshan Road and 98.81% of Riverside Community are selected for demonstration construction.

Keywords：low-impact development；suitability；rainfall flood risk simulation；SCS-CN model