曹夢(mèng)然，葉亞平，張其成，劉 蔚

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.江蘇省蘇州市張家港市水務(wù)局，江蘇 張家港 215600)

0 引 言

城市化進(jìn)程所帶來的下墊面硬化、海綿體萎縮等現(xiàn)實(shí)問題，加之日益復(fù)雜的全球氣候變化過程不斷耦合，使得城市地區(qū)暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)整體上升[1,2]。城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)作為自然風(fēng)險(xiǎn)與人為環(huán)境耦合的產(chǎn)物，已成為水文研究熱點(diǎn)[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市暴雨內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)模擬、損失評(píng)估、應(yīng)急響應(yīng)以及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等方面開展了大量研究工作[4,5]。李軍玲等[6-8]選取影響洪澇災(zāi)害的多種不同因子構(gòu)建組合權(quán)重評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用ArcGIS插值分析技術(shù)對(duì)各研究區(qū)進(jìn)行洪澇災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)分析；劉小梅等[9]基于水力模型對(duì)區(qū)域排水系統(tǒng)進(jìn)行不同情景下的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行原因分析從而制定排水系統(tǒng)改造方案；謝五三等[10]基于FloodArea模型，通過多情景多歷時(shí)模擬得到研究區(qū)淹沒積水深圖譜；黃國(guó)如等[11,12]集成SWMM模型和ArcGIS軟件，構(gòu)建研究區(qū)內(nèi)澇模型，分析不同重現(xiàn)期下的暴雨徑流情況證明模型的準(zhǔn)確性。此外，不少學(xué)者在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)用研究分析，苑希民等基于水動(dòng)力模型對(duì)研究區(qū)不同情景下不同下墊面類型內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬分析[13,14]；王茜等[15]基于城市土地利用數(shù)據(jù)構(gòu)建SWMM模型對(duì)城市內(nèi)澇交通風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；殷杰[16]結(jié)合高精度地形表面模型與GIS空間分析工具對(duì)研究區(qū)進(jìn)行雨洪情景模擬，并進(jìn)一步對(duì)應(yīng)急響應(yīng)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

上述研究表明，基于情景模擬與ArcGIS空間分析技術(shù)對(duì)城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析具有可行性，在已有研究基礎(chǔ)上，本文以南京市秦淮區(qū)為例，通過SWMM模型和ArcGIS軟件耦合，構(gòu)建暴雨內(nèi)澇模型模擬計(jì)算不同重現(xiàn)期暴雨?duì)顩r下城市內(nèi)部積水深變化過程，再綜合淹沒積水深度和淹沒時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)因素對(duì)研究區(qū)進(jìn)行暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析，并通過GIS的空間插值分析工具對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行可視化表達(dá)。

1 城市暴雨內(nèi)澇模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

南京市秦淮區(qū)，地處南京主城東南(北緯32.02°，東經(jīng)118.80°)，是南京市四大主城區(qū)之一，總面積49.35 km2。屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，全年雨水豐沛，年季間、月季間降水差異性較大，年內(nèi)降水多集中于5- 9月汛期，汛期總降水可占全年降水總量的六至七成。年內(nèi)易遭受梅雨、臺(tái)風(fēng)外圍以及熱帶風(fēng)暴影響，呈現(xiàn)出春雨、梅雨、秋雨三個(gè)多水階段。

研究區(qū)地貌以平原為主，間有若干座小山崗。高程值范圍基本處于5～30 m(吳淞高程系)。秦淮區(qū)屬長(zhǎng)江流域秦淮河水系，區(qū)內(nèi)自然河道與人工河道錯(cuò)落，流域性河道外秦淮河穿境而過，將區(qū)域水系分為南北兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的片區(qū)。外秦淮河以北區(qū)域主要包含老城區(qū)水系及紫金山南麓水系，河道非汛期重力自排，或汛期機(jī)排，由北向南、由東往西排入外秦淮河。外秦淮河以南區(qū)域包含上位規(guī)劃南部新城區(qū)域水系，現(xiàn)狀水系結(jié)構(gòu)較為破碎，整體以外秦淮河作為汛期泄?jié)惩ǖ?圖1)。

圖1 秦淮區(qū)水系圖Fig.1 River system of Qinhuai District

1.2 研究區(qū)SWMM模型構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀水系、地形地貌以及土地利用情況，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀河網(wǎng)水系及水利工程布局，構(gòu)建研究區(qū)現(xiàn)狀條件的SWMM模型。其中地形數(shù)據(jù)采用30 m DEM數(shù)據(jù)圖，排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)來自秦淮區(qū)排澇工程圖以及排水普查資料，排水片區(qū)以及用地類型數(shù)據(jù)來自《秦淮區(qū)總體規(guī)劃(2013-2030)》。

(1)排水管網(wǎng)概化。經(jīng)過概化共得到207個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，30個(gè)排放口節(jié)點(diǎn)，292段渠道管和8段水泵管(如圖2所示)。根據(jù)研究區(qū)排水普查資料，確定各管道的長(zhǎng)度、坡度、糙率等參數(shù)，各節(jié)點(diǎn)和排水口的坐標(biāo)、最大深度、底標(biāo)高等參數(shù)，并對(duì)管道流向、偏移量以及整體布局形態(tài)進(jìn)行校驗(yàn)。

圖2 研究區(qū)排水管網(wǎng)概化圖Fig.2 Sketch map of study area drainage network

(2)匯水區(qū)劃分?！肚鼗磪^(qū)總體規(guī)劃(2013-2030)》中將秦淮區(qū)劃分為11片大排水分區(qū)(如圖3所示)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)土地利用類型、社區(qū)街道布局以及就近排放原則，逐步細(xì)化匯水區(qū)。

圖3 秦淮區(qū)現(xiàn)狀排水分區(qū)示意圖Fig.3 Drainage zoning diagram of Qinhuai District

研究區(qū)內(nèi)排水管網(wǎng)多沿道路鋪設(shè)，并以街道為單位進(jìn)行支管銜接，因此在11片大排水分區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合街道布局進(jìn)一步細(xì)化匯水區(qū)。但細(xì)化后的匯水區(qū)面積仍然較大，模型精度較低。因此依據(jù)土地利用現(xiàn)狀，結(jié)合用地類型進(jìn)一步將匯水區(qū)細(xì)化。其中：研究區(qū)西部為老城區(qū)，用地多以住宅用地、商住、商辦混合用地以及行政辦公用地為主，開發(fā)程度高、各類用地邊界清晰，可根據(jù)用地類型適當(dāng)進(jìn)行細(xì)分；研究區(qū)南部現(xiàn)狀為郊區(qū)，大部分地區(qū)處于待建設(shè)或正在建設(shè)狀況，排水管網(wǎng)尚未接入，以保證下墊面均一為原則進(jìn)行細(xì)化；研究區(qū)東部多為科研院所、住宅以及工業(yè)用地，同類型用地面積較大，密度較低，可根據(jù)用地類型進(jìn)一步細(xì)化匯水區(qū)。

按照以上劃分原則，將研究區(qū)劃分為167個(gè)匯水區(qū)(如圖4所示)，劃分完成后，根據(jù)就近排放的原則對(duì)各回水區(qū)進(jìn)行雨水出口設(shè)置，即將子匯水區(qū)的徑流就近接入節(jié)點(diǎn)或相鄰匯水區(qū)。

圖4 研究區(qū)子匯水區(qū)劃分示意圖Fig.4 Division of catchment area in study area

(3)SWMM模型相關(guān)參數(shù)校準(zhǔn)驗(yàn)證與確定。選擇徑流系數(shù)法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)率定，依據(jù)不同地表類型徑流系數(shù)及某單一地表類型所占的面積，計(jì)算出研究區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.60～0.75[17,18]。用芝加哥雨型法計(jì)算降雨情景，“校準(zhǔn)降雨情景”P2采用降雨歷時(shí)2 h，雨峰系數(shù)0.45，重現(xiàn)期2年的單峰合成降雨；“驗(yàn)證降雨情景”P1和P3分別采用降雨歷時(shí)2 h，雨峰系數(shù)0.45，重現(xiàn)期分別為1年和3年的2場(chǎng)單峰合成降雨[19,20]。校準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)不透水糙率與不透水區(qū)洼蓄量2個(gè)參數(shù)靈敏度最高，因此對(duì)其進(jìn)行多次迭代最終得到滿意度較高的參數(shù)校準(zhǔn)集(表1)。

表1 運(yùn)用徑流系數(shù)法的參數(shù)校準(zhǔn)過程Tab.1 Calibration process of parameters using runoff coefficient method

然后采用“驗(yàn)證降雨情景”對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)，P1和P3兩場(chǎng)降雨獲得的徑流系數(shù)模擬值分別為0.62和0.69，滿足徑流系數(shù)隨降雨強(qiáng)度增大而增大的規(guī)律，表明校準(zhǔn)參數(shù)具有穩(wěn)定性。最終確定的模型參數(shù)如表2所示。

表2 SWMM模型水文水力參數(shù)取值Tab.2 hydrologic parameters of SWMM model

1.3 不同重現(xiàn)期降雨過程計(jì)算

根據(jù)芝加哥雨型法推求出研究區(qū)T=3、10、30 a 三種不同重現(xiàn)期下2 h降雨量(表3)，再以5 mm為步長(zhǎng)累計(jì)降雨強(qiáng)度，分配2 h暴雨過程。分配結(jié)果如圖5所示。

表3 研究區(qū)不同重現(xiàn)期下的2 h降雨量Tab.3 2 h rainfall at different return periods in the study area

圖5 研究區(qū)3種重現(xiàn)期下2 h降雨過程圖Fig.5 Rainfall process for 2 h under three recurrence periods in the study area

2 研究區(qū)雨洪情景模擬

2.1 淹沒風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

結(jié)合《南京市中心城區(qū)排水防澇綜合規(guī)劃(2013-2030)》中的相關(guān)規(guī)定，即“至2020年，當(dāng)中心城區(qū)出現(xiàn)30年一遇的降雨時(shí)，允許局部低洼地塊和道路存在不超過2 h短時(shí)積水，保證居民區(qū)底層住戶不進(jìn)水”，采用綜合考慮積水深度、積水歷時(shí)兩項(xiàng)指標(biāo)的方法進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析。

綜合考慮臺(tái)階高度、住宅構(gòu)造等因素，分別設(shè)定150、300、500以及500 mm以上為閾值，將暴雨積水深度根據(jù)其影響程度劃分為低、中、高和極高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)積水歷時(shí)進(jìn)一步進(jìn)行劃分。由于不同重現(xiàn)期暴雨情景模擬下各節(jié)點(diǎn)積水歷時(shí)均低于2 h，滿足《南京市中心城區(qū)排水防澇綜合規(guī)劃(2013-2030)》中的規(guī)劃，因此參考相關(guān)研究選擇1、2 h兩個(gè)閾值，進(jìn)一步對(duì)4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Waterlogging risk classification standard

2.2 不同重現(xiàn)期暴雨積水空間模擬

在SWMM模型中分別模擬研究區(qū)P=3、10和30 a時(shí)暴雨過程，可得到子匯流區(qū)徑流量、節(jié)點(diǎn)溢流和管道流量負(fù)荷等模擬計(jì)算結(jié)果。選用不同重現(xiàn)期下研究區(qū)節(jié)點(diǎn)洪流模擬結(jié)果，通過庫(kù)容曲線法確定研究區(qū)各節(jié)點(diǎn)的“水位-流量”曲線，將模擬結(jié)果中各節(jié)點(diǎn)溢流量在相應(yīng)曲線中進(jìn)行插值運(yùn)算，得到不同重現(xiàn)期降雨情境下各節(jié)點(diǎn)的積水情況。

(1)P=3 a情景。3 a一遇的降雨總深度66.85 mm，最大雨強(qiáng)124.68 mm/h，地表徑流47.46 mm。該情境下，研究區(qū)積水點(diǎn)共29處，6處積水深大于0.30 m，其中積水深度最大的節(jié)點(diǎn)積水深0.56 m，位于紅花街道響水河與機(jī)場(chǎng)河圩區(qū)內(nèi)，其余5處分別位于撇洪溝左側(cè)區(qū)域(積水深0.49 m)、夾崗東西巷(積水深0.42 m)、雙塘街道豆腐坊29號(hào)(積水深0.39 m)、大光路街道象房西村(積水深0.35 m)和光華路街道四方新村(積水深0.35 m)。

(2)P=10 a情景。10 a一遇的降雨總深度87.76 mm，最大雨強(qiáng)163.68 mm/h，地表徑流67.80 mm。該情境下，研究區(qū)積水點(diǎn)共53處，15處積水深大于0.30 m，分別為：光華路街道4處、紅花街道4處、月牙湖街道1處、大光路街道3處、雙塘街道1處、秦虹街道1處、中華門街道1處，積水深度最大節(jié)點(diǎn)與3年一遇一致，積水深0.80 m。積水點(diǎn)整體呈現(xiàn)南片、東片積水深度大，西片老城區(qū)分布密集的情勢(shì)。

(3)P=30 a情景。30 a一遇的降雨總深度106.84 mm，最大雨強(qiáng)199.20 mm/h，地表徑流86.57 mm。該情境下，積水深度最深節(jié)點(diǎn)仍與上述情景一致，積水深1.25 m。研究區(qū)積水點(diǎn)共68處，34處積水深大于0.30 m，分別為：光華路街道4處、紅花街道6處、月牙湖街道3處、大光路街道5處、雙塘街道3處、秦虹街道3處、中華門街道3處、瑞金路街道2處、五老村街道1處、夫子廟街道2處、洪武路街道2處。與P=10 a情景相比，整體情勢(shì)一致，西部老城區(qū)積水點(diǎn)個(gè)數(shù)出現(xiàn)大幅增加。

繪制3個(gè)情景下出流口流量過程線(圖6)，可看出模擬結(jié)果較穩(wěn)定，隨降雨強(qiáng)度增加，流量峰值增加，峰現(xiàn)時(shí)間提前，且模型模擬結(jié)果中易澇地區(qū)分布多處于圩區(qū)和排澇設(shè)施建設(shè)薄弱地區(qū)，與理論規(guī)律相符合，證明該模型模擬結(jié)果具有較高的可靠性。

圖6 研究區(qū)系統(tǒng)出流口3種重現(xiàn)期下的流量過程線Fig.6 Flow process lines under three recurrence periods of system outlet in study area

2.3 不同重現(xiàn)期暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析

按照內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過ArcGIS空間差值運(yùn)算對(duì)研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分布進(jìn)行分析，得到3種不同重現(xiàn)期暴雨情景下研究區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分布圖。

根據(jù)ArcGIS空間插值計(jì)算得出的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分布圖(圖7)顯示，當(dāng)遭遇3年一遇暴雨情況時(shí)，秦淮區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)情況整體為東南部風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)偏高，風(fēng)險(xiǎn)范圍廣，西北部大部分地區(qū)無風(fēng)險(xiǎn)或者低風(fēng)險(xiǎn)。極高風(fēng)險(xiǎn)1級(jí)、2級(jí)各1處，均位于響水河流域內(nèi)，其原因有二，一是該地區(qū)屬于圩區(qū)，地勢(shì)低洼，易產(chǎn)生積水，屬于易澇地區(qū)，且響水河水系結(jié)構(gòu)破碎，排水不暢，孕災(zāi)環(huán)境敏感；二是該區(qū)域?yàn)槲撮_發(fā)地區(qū)，排水管網(wǎng)覆蓋度低，導(dǎo)致區(qū)域雨水收集排放不及時(shí)。此外，研究區(qū)大體形成三大風(fēng)險(xiǎn)片區(qū)，分別是南部片區(qū)響水河-機(jī)場(chǎng)河圩區(qū)、青年河和東片安江河圩區(qū)以及西部老城區(qū)雙塘、大光路和瑞金路街道。

圖7 P=3 a情景下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of waterlogging risk under P=3 a scenario

根據(jù)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖(圖8)顯示，當(dāng)遭遇10 a一遇的降雨時(shí)，秦淮區(qū)無風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域范圍大幅減小，三大風(fēng)險(xiǎn)片區(qū)仍為主要風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，且風(fēng)險(xiǎn)范圍擴(kuò)大、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上升。與P=3 a相比，西北部老城區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值增加，出現(xiàn)多處零散分布的中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，主要集中在雙塘、大光路和瑞金路街道，此外，西北部也開始出現(xiàn)小范圍極高風(fēng)險(xiǎn)2級(jí)區(qū)域，分別位于雙塘街道豆腐坊29號(hào)居住區(qū)和瑞金路街道御河新村，該區(qū)域?yàn)槿丝诿芏容^高的住宅區(qū)域，該風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)會(huì)造成居民房屋進(jìn)水，危及居民人身財(cái)產(chǎn)安全。

圖8 P=10 a情景下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of waterlogging risk under P=10 a scenario

內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖(圖9)顯示，30 a一遇暴雨時(shí)，研究區(qū)無風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)一步縮小。老城區(qū)中高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)明顯增多且呈現(xiàn)數(shù)量多、范圍小、分布散的特點(diǎn)。此外極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域數(shù)量增加，且多分布在老城區(qū)的雙塘、中華門、大光路等人口稠密的住宅聚集區(qū)，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)導(dǎo)致大量居民住戶進(jìn)水，對(duì)居民生活造成很大影響，對(duì)地面及地下交通、地下商場(chǎng)造成很大災(zāi)害，亟需引起重視。

圖9 P=30 a情景下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖Fig.9 Spatial distribution of waterlogging risk under P=30 a scenario

綜上所述，伴隨降雨強(qiáng)度的增加，研究區(qū)呈現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)增高、影響范圍擴(kuò)大、影響程度加深的趨勢(shì)。在空間分布上，研究區(qū)主要有三大風(fēng)險(xiǎn)片區(qū)，分別是南部片區(qū)響水河-機(jī)場(chǎng)河圩區(qū)、東片青年河和安江河圩區(qū)以及西部老城區(qū)雙塘、大光路和瑞金路街道。其中東部、南部片區(qū)主要原因?yàn)檑讌^(qū)地勢(shì)低洼，易于產(chǎn)生積水，區(qū)內(nèi)水系較為破碎且存在不同程度淤積現(xiàn)象，且區(qū)域開發(fā)程度較低，排水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和覆蓋程度較低，雨水收集排放不及時(shí)；西部老城區(qū)因其主要為分布較為密集的老式住宅小區(qū)，排水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)較低。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)耦合ArcGIS和SWMM模型，綜合考慮淹沒積水深度和淹沒時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)因素劃分8個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行P=3、10和30 a情景下的暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析，并用內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖來直觀表達(dá)研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的空間分布。

(2)研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)主要存在三大內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)片區(qū)，且隨著暴雨強(qiáng)度的增加，西部老城區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)域數(shù)量增加，分布零散；而東南部風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)域則呈現(xiàn)數(shù)量變化不大，影響范圍擴(kuò)大的趨勢(shì)。

(3)本次研究在進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)將研究區(qū)作為一個(gè)整體承災(zāi)體進(jìn)行宏觀分析，后續(xù)研究中可進(jìn)一步細(xì)化到以不同用地(如道路、住宅等)作為承災(zāi)體的微觀分析，加強(qiáng)分析結(jié)果的直觀性與實(shí)際指導(dǎo)意義。