白 天 吳雅文 金牧青 宋培豪 田國(guó)行

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 鄭州 450002

城鎮(zhèn)化使城市下墊面自然地貌被大量人工景觀取代，城市不透水地表增加，降低了城市的雨水截留和入滲能力[1]；雨洪災(zāi)害已成為中國(guó)面臨最為突出的城市災(zāi)害之一[2-3]。降雨機(jī)制的變化導(dǎo)致城市地區(qū)更易受到歷時(shí)短、強(qiáng)降雨的侵襲[4]，引起不同于地區(qū)洪水災(zāi)害的城市內(nèi)澇，其突發(fā)性和短時(shí)破壞力[5]，往往造成災(zāi)難性后果。城市內(nèi)澇年均經(jīng)濟(jì)損失約占全國(guó)總產(chǎn)值3.5%，并有大量人員傷亡[6]。城市時(shí)空格局改變導(dǎo)致城市用地類型和性質(zhì)的差異，是引起城市局部及周圍環(huán)境雨洪災(zāi)害發(fā)生的因素之一。從城市土地利用的角度研究暴雨產(chǎn)流和積水過(guò)程能反映城市雨洪的時(shí)空分布特征[7]；借助GIS和RS模擬為城市規(guī)劃提供依據(jù)[8]，為防洪預(yù)警起到積極預(yù)先準(zhǔn)備、預(yù)先評(píng)價(jià)、預(yù)先決策等作用。

1 研究區(qū)概況

漯河市年均降水量為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]。由于漯河地區(qū)夏季積狀云和積層混合云雨日增多，加之局部地區(qū)雷暴引發(fā)暴雨，降水集中在5—9月[9]。1949—1999年漯河發(fā)生澇災(zāi)41次，平均1.2年發(fā)生1次[10-11]。城區(qū)地勢(shì)東北高、東南低，暴雨常因排泄不及時(shí)而造成水患，城市東南的召陵、鄧襄地區(qū)災(zāi)害嚴(yán)重。城市中心積水點(diǎn)2014年23個(gè)，2016重新劃分為25個(gè)，2010年7月17日市區(qū)降雨2 h達(dá)187 mm，為近10年來(lái)之最[12]，2013年8月24日市區(qū)降雨1 h高達(dá)90 mm，2016年6月23日和7月19日市區(qū)降雨超過(guò)50 mm。城市暴雨造成大量積水，影響交通安全和居民活動(dòng)、漂浮污染物擴(kuò)散和水源二次污染。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

采用Trimble UX5 HP無(wú)人機(jī)航拍，進(jìn)行融合拼接、地理配準(zhǔn)、幾何糾正處理，獲得分辨率為0.09 m影像，覆蓋范圍為漯河市城區(qū)158 km2，獲取時(shí)間為2016年3月13—22日，可有效獲取城市用地等關(guān)鍵信息。

2.2 研究方法

2.2.1 用地信息和類型劃分

利用ArcGIS 10.2對(duì)航拍影像預(yù)處理以滿足土地利用分類精度要求。通過(guò)目視解譯和實(shí)地調(diào)查反饋完成分類處理，將研究區(qū)土地利用類型[13-14]分為2大類、7個(gè)類型:一是滲透地表，包括城市綠地(綠化用地，公園綠地，草坪及林地)、水域(城市水系，濕地，洼地)、農(nóng)業(yè)用地 (農(nóng)田，果園，苗圃)、未利用土地 (裸露土地，施工場(chǎng)地)；二是不滲透地表，包括道路用地(車行道路、人行道路)、建筑用地(居住區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)建筑用地)、公共管理用地(鋪裝廣場(chǎng)，停車場(chǎng))。

2.2.2 產(chǎn)流和積水計(jì)算

SCS-CN是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)的降雨-產(chǎn)流水文模型[14]，在各國(guó)研究中廣泛應(yīng)用[15]。為了精確地模擬城市水文，美國(guó)環(huán)保署提供了城市區(qū)域土地利用CN值表[15-16]反映城市的產(chǎn)流特性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助該模型從不同空間尺度開(kāi)展了系列研究[17-19]，均得到良好反饋。通過(guò)漯河區(qū)域土層樣本的滲透系數(shù)與 SCS-CN 模型[14，16，20-21]擬合徑流曲線CN值，建立城市徑流模型:

(1)式中，Q:徑流量；P:降雨量；S:飽和儲(chǔ)水量。

城市管網(wǎng)是城市排水的重要途徑，依據(jù) 《室外排水規(guī)范》 (GB2014)、漯河市總體規(guī)劃(2009-2030)及漯河市徑流總控制率，設(shè)計(jì)漯河市室外排水量為35 mm/h，研究模型設(shè)定排水管網(wǎng)空間分布一致[22]，暴雨積水量公式為:

(2)式中，W:積水量；Q:徑流量；V:管網(wǎng)排水量；S:積水面積。

2.2.3 積水模型

采用ArcGIS10.2將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字高程DEM，提取洼地信息。城市建筑對(duì)研究區(qū)地表高程影響較大[23]，因建筑高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)缺乏，本次研究參考漯河市 《城市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定》，將城市建筑高程統(tǒng)一設(shè)為24 m，其余地塊采用DEM高程[23]。城市雨洪直接原因是降雨，可視為無(wú)源淹沒(méi)，低洼處都可能積水，所以低于淹沒(méi)高程水位的區(qū)域視為淹沒(méi)區(qū)。研究采用GIS柵格法、1 m×1 m單元計(jì)算城市積水量，基于DEM匯水區(qū)模擬淹沒(méi)面積和淹沒(méi)深度[24-26]。

3 結(jié)果與分析

3.1 用地類型分析

分類圖像精度為1 m，包括滲透地表和不滲透地表2大類、7個(gè)土地利用類型 (＃11-23)(表1)。本文結(jié)合SCS-CN模型和土壤滲透隨機(jī)樣本調(diào)查，得到城市區(qū)域各類型土地所對(duì)應(yīng)的CN值表(表1)和土地利用為類型C型[27-28]。

表1 漯河土地利用/覆蓋SCS模型CN值

3.2 漯河市城市徑流及積水量分析

根據(jù)研究區(qū)的區(qū)位條件，本次研究選取了T2、 T5、 T10、 T20、T30、 T50、T100重現(xiàn)期和 2010年7月17日近10年最大降雨93.5 mm(Tmax)共8個(gè)降雨強(qiáng)度，以1 h降雨時(shí)長(zhǎng)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合修正SCS模型對(duì)漯河用地類型產(chǎn)流、淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬研究，并計(jì)算積水量[18-19]。

設(shè)漯河市暴雨積水處于相對(duì)靜止，不考慮地面徑流的流速影響[22]。由表2可知，降雨強(qiáng)度隨重現(xiàn)期的增加而加強(qiáng)，T100降雨強(qiáng)度低于2010年93.5 mm/h的最大降雨量，區(qū)域極端天氣的頻率和強(qiáng)度與日俱增。模擬結(jié)果 (表2)，徑流量和積水總量隨降雨強(qiáng)度的增加而增加，而徑流減少量比例減少反映了城市可滲透土地面積的減少，從而降低了城市表面的滲透能力，這也是引起城市局部大量積水的主要原因之一。

3.3 城市暴雨內(nèi)澇情景模擬

提取研究區(qū)數(shù)字高程DEM，將暴雨淹沒(méi)區(qū)看作無(wú)源淹沒(méi)狀態(tài)[18，22]，采用ArcGIS 10.2計(jì)算淹沒(méi)高程、淹沒(méi)面積、淹沒(méi)比例和最大深度 (表3)。

表2 不同重現(xiàn)期產(chǎn)流和積水總量

表3 不同重現(xiàn)期淹沒(méi)深度和面積

8個(gè)情景的淹沒(méi)高程接近該區(qū)域平均海拔69.65 m，平均淹沒(méi)比例接近49.31%。漯河市東北高，東南低，最大高程差達(dá)29.3 m，最大坡度差為0.2%；城市中心，沙澧河以北積水較少、以南積水多，東南部召陵、鄧襄模擬結(jié)果積水嚴(yán)重，最大積水深度 T2最低6.92 m、Tmax最高8.99 m(圖3)；T2時(shí)，已出現(xiàn)大面積淹沒(méi)區(qū)域，應(yīng)為防災(zāi)避險(xiǎn)的重要區(qū)域。結(jié)合漯河市歷史報(bào)告，城市東部和東南部的召陵，鄧襄是雨洪災(zāi)害頻發(fā)地帶與模擬情景吻合[29]。

淹沒(méi)深度和面積隨重現(xiàn)期增加而增長(zhǎng)，增長(zhǎng)量由快及緩，T10是重要拐點(diǎn)，積水深度和面積增加速率減緩，在58 mm/h降雨量條件下 (表2，表3)，淹沒(méi)面積達(dá)55.15%，危害性極大，城市應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨災(zāi)害的能力不足。漯河城市中心對(duì)于10年一遇暴雨內(nèi)澇災(zāi)害是安全的，隨著暴雨強(qiáng)度增加淹沒(méi)面積增加，但城市周圍暴雨災(zāi)害嚴(yán)重(圖 1)。

農(nóng)業(yè)用地淹沒(méi)面積最大、增長(zhǎng)最快；其次是建筑用地和道路用地，未利用土地和城市綠地受災(zāi)面積較小，而城市水域受到暴雨影響最小 (表4)。

表4 漯河各類用地淹沒(méi)面積比例

3.4 城市暴雨內(nèi)澇分級(jí)

將淹沒(méi)深度分為5個(gè)等級(jí):0～0.5 m(低風(fēng)險(xiǎn))， 0.5～1 m(較低風(fēng)險(xiǎn))， 1～1.5 m(中風(fēng)險(xiǎn))，1.5～2.5 m(較高風(fēng)險(xiǎn))，≥2.5 m(高風(fēng)險(xiǎn))，繪制淹沒(méi)深度圖[22，30](圖2)。通過(guò)不同等級(jí)劃分能明確城市防洪規(guī)劃區(qū)域，加強(qiáng)局部-鄰里、社區(qū)詳細(xì)規(guī)劃，合理安排雨水網(wǎng)絡(luò)和綠地，劃分可滲與可排，提高城市雨水資源循環(huán)利用的能力。

4 結(jié)論與討論

1)研究區(qū)產(chǎn)流量、積水深度和面積隨暴雨強(qiáng)度增強(qiáng)而增加。T10為重要拐點(diǎn)，綜合產(chǎn)流量20.78 mm/h，淹沒(méi)面積達(dá)55.15%，T2-T10淹沒(méi)面積增長(zhǎng)率大于T10-Tmax，T10降雨強(qiáng)度58 mm/h是積水面積的突增點(diǎn)、城市防災(zāi)避險(xiǎn)的關(guān)鍵；該時(shí)期淹沒(méi)范圍主要是城市東南農(nóng)田，暴雨災(zāi)害表現(xiàn)出初期沖刷現(xiàn)象 (圖1)[31]，伴隨大量污染物。由此可知，城市區(qū)域暴雨不僅影響城市內(nèi)部，也嚴(yán)重危及到城市周圍的農(nóng)田。

2)城市中心與周圍環(huán)境存在顯著差異。城市外圍農(nóng)業(yè)用地淹沒(méi)面積最大、淹沒(méi)速率最快，最大淹沒(méi)面積占農(nóng)田總面積的64.90%，是研究區(qū)域的18.77%；而中心城區(qū)的淹沒(méi)范圍，建筑用地＞道路用地＞城市綠地＞未利用土地＞公共管理與商業(yè)用地。除水域外，城市綠地對(duì)暴雨徑流衰減量最大。

圖1 漯河不同重現(xiàn)期淹沒(méi)范圍和深度

3)研究區(qū)28.24%的城市綠地難以實(shí)現(xiàn)對(duì)地表徑流滲透和存蓄，但綠地景觀潛力巨大，通過(guò)改善入滲能力和冠層截流等方式可有效削減地表徑流[32]，緩解城市排水壓力[33]。

4)平原城市的河道因防洪要求，河堤高于城市平面，難以及時(shí)疏散徑流。沙澧河堤壩高于路面3～4 m，阻礙雨水排出，而小型河流管渠化和填埋破壞了城市脈絡(luò)，加大了城市排水壓力；城區(qū)濕地面積小且破碎度大難以容納短時(shí)強(qiáng)降雨。

結(jié)合研究區(qū)域地面高程DEM分析徑流和淹沒(méi)過(guò)程，繪制漯河淹沒(méi)圖和災(zāi)害等級(jí)圖對(duì)開(kāi)展城市雨洪災(zāi)害預(yù)警和管理具有積極作用。未來(lái)將通過(guò)更精確的研究進(jìn)行深入分析，延長(zhǎng)時(shí)間序列和動(dòng)態(tài)觀測(cè)，更準(zhǔn)確、真實(shí)地反映城市雨洪災(zāi)害；同時(shí)建立數(shù)據(jù)庫(kù)為城市雨洪災(zāi)害監(jiān)控和 “海綿城市”規(guī)劃管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 漯河不同重現(xiàn)期漯河淹沒(méi)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

[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.