樊婧妍 李曉娟 王京 施穩(wěn)萍

1蘇州市相城區(qū)水利局 江蘇 蘇州 215131

2河海大學(xué) 江蘇 南京 210098

3中國(guó)人民銀行長(zhǎng)沙中心支行 湖南 長(zhǎng)沙 410005

4太倉市水利局 江蘇 太倉 215400

1. 研究意義

1.1 理論意義

城市內(nèi)澇問題嚴(yán)重影響著人民的生產(chǎn)生活、生命安全，預(yù)警與整治城市內(nèi)澇是各地各級(jí)政府高度重視的民生問題，也是學(xué)術(shù)界關(guān)注的重大課題。常州市地處長(zhǎng)江三角地區(qū)，屬于亞熱帶海洋性氣候，受地理位置與氣候因素的影響，易發(fā)生洪澇災(zāi)害。本項(xiàng)目將深入分析常州市自然環(huán)境狀況，結(jié)合人口、經(jīng)濟(jì)因素搭建數(shù)學(xué)模型，為常州市的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提出一套科學(xué)的方法，通過仿真驗(yàn)證將其拓展以實(shí)現(xiàn)對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為完善城市應(yīng)急管理理論體系邁出新的一步。

1.2 現(xiàn)實(shí)意義

城市內(nèi)澇災(zāi)害的預(yù)警與每個(gè)人的家庭、生活都息息相關(guān)，本項(xiàng)目在某種程度上有助于促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定與和諧。其次，本項(xiàng)目為城市防汛防洪職能部門提供了科學(xué)的決策依據(jù)，完善了城市應(yīng)急管理的理論體系，促進(jìn)城市內(nèi)澇預(yù)警準(zhǔn)確性與策略有效性的提高。

2. 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

對(duì)于包括城市暴雨洪水與內(nèi)澇在內(nèi)的洪水災(zāi)害的研究，國(guó)內(nèi)外目前已經(jīng)出較發(fā)展有效的理論體、技術(shù)與模型。

國(guó)外，20世紀(jì)50年代，米勒，美國(guó)麻省理工學(xué)院測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的主任，成功地將攝影遙感測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使得遙感（RS）技術(shù)在洪水面積預(yù)測(cè)問題上頗露鋒芒，20世紀(jì)90年代開始，GIS技術(shù)被運(yùn)用城市內(nèi)澇等問題中，此后數(shù)字地貌模型概念（DEM）的提出又給洪水淹沒災(zāi)害更加細(xì)化的分析和計(jì)算提供了可能。

國(guó)內(nèi)，以河海大學(xué)研究的新安江模型為首，出現(xiàn)了一系列適應(yīng)中國(guó)國(guó)情的，不斷完善的洪水預(yù)警模型。1994年對(duì)復(fù)雜地形具有較好適應(yīng)性的無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格建模技術(shù)被引人模型體系之中，經(jīng)過10多年的應(yīng)用改進(jìn)，目前該模型對(duì)城市地面雨洪過程的模擬已具有較高的精度和可靠性，張新華等建立的任意多邊形網(wǎng)格2D FVM模型在時(shí)間和空間上均具有二階精度，應(yīng)用于城市的二維非恒定流模擬，取得了較好的計(jì)算結(jié)果。

在應(yīng)用模型上，主流城市地表徑流模型有例如InfoWorks模型、FloodArea模型、ILLUDAS模型、SWMM模型等。然而，這些在國(guó)外可以獨(dú)當(dāng)一面進(jìn)行計(jì)算、預(yù)警的模型，在國(guó)內(nèi)的發(fā)展空間卻十分有限，這主要是由于中國(guó)復(fù)雜的城市管網(wǎng)、水文、氣象等情況造成。中國(guó)歷史悠久，城市基礎(chǔ)設(shè)施的普及和發(fā)展較慢，很難做到數(shù)據(jù)的大面積匯總和統(tǒng)一，導(dǎo)致這些模型必須的數(shù)據(jù)難以獲得，例如管網(wǎng)數(shù)據(jù)、斷面數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列等。首先，不同于國(guó)外，這些數(shù)據(jù)都在各個(gè)公共事業(yè)機(jī)構(gòu)的專有數(shù)據(jù)庫中，很難有開源的數(shù)據(jù)供學(xué)術(shù)研究。其次，就算拿到了數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確程度還是有待商榷。就拿管網(wǎng)數(shù)據(jù)舉例，中國(guó)很多城市的管網(wǎng)問題非常復(fù)雜，等我們有意識(shí)去統(tǒng)計(jì)、記錄管網(wǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)候，錯(cuò)綜復(fù)雜的管網(wǎng)問題已經(jīng)存在，難以記錄，難以考證，都導(dǎo)致了管網(wǎng)數(shù)據(jù)的缺失和不準(zhǔn)確性。最后，現(xiàn)在也有研究機(jī)構(gòu)提出用無人機(jī)掃描得出地下管網(wǎng)情況，但目前看來，這一舉措需要耗費(fèi)大量的成本，想要在全國(guó)普及幾乎不可能。

3. 研究區(qū)域概況分析

3.1 地形與地貌

常州市地處太湖流域西部，北臨長(zhǎng)江，東瀕太湖，西界茅山，南接天目山余脈，腹部有洮鬲兩湖。境內(nèi)地形復(fù)雜，山丘、平原、圩區(qū)兼有，丘陵山區(qū)位于西南部，面積1012平方公里，占全市總面積的23%；中部和東部大部分是平原，面積1585平方公里，占全市總面積的36%；圩區(qū)主要分布在丘陵山腳和腹部洮、鬲湖周圍，部分在沿江地區(qū)和與錫澄接界處，面積1253平方公里，占全市總面積的29%；圩外河湖面積525平方公里，占全市總面積的12%。全市地勢(shì)高低相間，山圩相依，湖圩相連，河網(wǎng)密布。由于地形復(fù)雜，河流眾多，歷年來我市治水和防洪任務(wù)艱巨。

3.2 降水特征

多年來常州市的平均氣溫在15.5℃，平均降雨天數(shù)120天，平均年降雨量1096.8mm，其中汛期雨量為573.6 mm，約占全年雨量的52.3%，年內(nèi)雨量分配極不平衡。同時(shí)，常州市降水量在年際間變幅較大，年最大降水量1888.3mm，年最小降水量515.4mm。

受地形和氣溫、降雨影響，常州市低洼處面積較多，水系縱橫，加之夏季降水相對(duì)集中，歷時(shí)短，強(qiáng)度大，暴雨天氣事件頻發(fā)，易形成城市內(nèi)澇災(zāi)害。

3.3 人口分布及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件

常州市下設(shè)天寧區(qū)、鐘樓區(qū)、新北區(qū)、武進(jìn)區(qū)、金壇區(qū)五個(gè)市轄區(qū)和溧陽市一個(gè)縣級(jí)市。全市土地面積為4372平方公里，其中以溧陽市、武進(jìn)區(qū)和金壇區(qū)占地面積比例最大，分別為35%，24%和22%。盡管溧陽市土地面積占比最大，但在城鎮(zhèn)人口分布上并非最多。2017年年末常州市常住人口470.8萬人，比上年末增長(zhǎng)0.1%，其中城鎮(zhèn)人口334.3萬人，城鎮(zhèn)化率71%，主要集中在武進(jìn)、鐘樓和天寧區(qū)。城鎮(zhèn)化帶來的城市熱島效應(yīng)、人口增加、建筑規(guī)模擴(kuò)大和財(cái)產(chǎn)價(jià)值及種類增加等使得城市洪澇災(zāi)害一旦發(fā)生，洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇。

4. 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

4.1 數(shù)據(jù)來源與采集

城市洪澇災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)主要集中在水文水情數(shù)據(jù)，如表1所示。河道水位是指河道內(nèi)水體自由水面相對(duì)于基面高程，是判斷是否形成洪澇災(zāi)害的重要水文觀測(cè)要素之一。降雨量指從天空降落到地面上的雨水，未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失而在水面上積聚的水層深度，由水文局、氣象部門觀測(cè)，是城市洪澇災(zāi)害爆發(fā)的重要致災(zāi)因子。

其中河道水位和降雨量等水文水情數(shù)據(jù)主要依據(jù)常州市水利信息化平臺(tái)采集，采集范圍為常州市金壇、武進(jìn)、天寧、新北、鐘樓和溧陽市各水位站點(diǎn)和降雨站點(diǎn)，采集頻率為每5分鐘更新一次。本文主要采集了2016年3月22日-2017年4月10日常州市64個(gè)水位站點(diǎn)和148個(gè)降雨站點(diǎn)信息，共384天近2000多萬條有效數(shù)據(jù)，鑒于常州市區(qū)域河道水位站點(diǎn)和降雨站點(diǎn)在不同區(qū)域內(nèi)存在分布不均勻的情況，所以在分析區(qū)域水文水情時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)必要的審核和預(yù)處理，避免因水位站點(diǎn)數(shù)據(jù)分布失衡弱化預(yù)警模型和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效性。

表1 城市洪澇災(zāi)害預(yù)警主要數(shù)據(jù)

表2 常州市主要水位和降雨站點(diǎn)分布

圖1 河道水位岸頭站點(diǎn)圖

5. 水位預(yù)測(cè)模型

城市洪水災(zāi)害研究中，降雨是城市洪水災(zāi)害爆發(fā)的主要致災(zāi)因子，水位是判斷是否形成災(zāi)害的主要水文觀測(cè)元素，常用的水文水情模型大多基于降雨—徑流—水位等構(gòu)建，模型參數(shù)設(shè)定復(fù)雜，隨著回歸、時(shí)間序列和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等統(tǒng)計(jì)模型的發(fā)展和水利信息化的發(fā)展，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的城市洪澇災(zāi)害預(yù)警模型簡(jiǎn)化成為可能。本文基于回歸和時(shí)間序列思想，在考慮時(shí)間滯后基礎(chǔ)上，通過選擇水位和降雨信息，構(gòu)建了城市洪澇災(zāi)害水位預(yù)測(cè)模型，如式（1）所示：（公式跟梁要pdf格式） 式（1）其中代表t時(shí)河道水位， Zt-1代表t-1時(shí)河道水位，Jt代表t時(shí)累積降雨量，C為常數(shù)項(xiàng)，為誤差項(xiàng)，t-1為時(shí)間間隔一天，即城市洪澇災(zāi)害預(yù)警過程中，當(dāng)日河道水位為歷史前一天的河道水位和當(dāng)日累積降雨量決定。

預(yù)警模型擬合優(yōu)度的測(cè)量主要依據(jù)多元判定系數(shù)R2，顯著性檢驗(yàn)則依賴于F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)。

個(gè)體固定效應(yīng)模型解決了不隨時(shí)間而變，但隨個(gè)體而異的遺漏變量問題。引入時(shí)間固定效應(yīng)，隨機(jī)效應(yīng)模型可以解決不隨個(gè)體而變但隨時(shí)間而變的遺漏變量問題。為了進(jìn)一步確定是采用固定效應(yīng)還是隨機(jī)效應(yīng)，可以進(jìn)行Hausman檢驗(yàn)。

6. 模型結(jié)果分析

城市洪澇災(zāi)害水位預(yù)測(cè)模型結(jié)果顯示區(qū)域間城市洪澇災(zāi)害存在差異性。為了進(jìn)一步考察市域洪澇災(zāi)害整體情況，本文基于常州市城市洪澇災(zāi)害進(jìn)一步構(gòu)建了面板回歸模型，可知：

（1）常州市城市洪澇災(zāi)害水位預(yù)測(cè)模型整體擬合度高，R2維持在0.9以上，因此基于歷史水位和降雨量構(gòu)建水位預(yù)測(cè)模型在整個(gè)城市尺度上是可行的；

（2）歷史水位和累積降雨量與水位呈顯著正相關(guān)，即前一天歷史水位和降雨量的增加將引起當(dāng)日河道水位上漲，其中固定效應(yīng)下，水位增加1%，降雨增加1%將分別帶來0.9558%和0.0010%的水位上升，而隨機(jī)效應(yīng)下這種效果更為明顯，水位和降雨分別增加1%，將帶來0.9834%和0.0005%水位上升；

（3）根據(jù)Hausman檢驗(yàn)，隨機(jī)效應(yīng)通過檢驗(yàn)，因此根據(jù)常州市2016年3月22日-2017年4月10日水文水情數(shù)據(jù)，可獲得城市洪澇災(zāi)害水位預(yù)測(cè)模型為：Z=0.9834Zt-1+0.0005J t+0.0588，基于此，可依據(jù)水位降雨數(shù)據(jù)定量化的完成水位預(yù)測(cè)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表3 常州市洪澇預(yù)警模型估計(jì)

7. 小結(jié)

本文基于回歸模型，時(shí)間序列思想思想，在選擇水位和降雨指標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了城市洪澇災(zāi)害水位預(yù)測(cè)模型，研究了常州市內(nèi)分區(qū)域洪澇災(zāi)害水位預(yù)測(cè)：

常州市整體通過城市洪澇災(zāi)害水位預(yù)測(cè)模型，城市河道水位在區(qū)域內(nèi)存在聯(lián)系。