柴苑苑，何艷虎，劉嘉儀

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境生態(tài)工程研究院，廣州 510006；2. 河海工程咨詢有限公司深圳市分公司，廣東 深圳 518022)

0 引 言

當(dāng)前快速城市化進(jìn)程在使得人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模和財富迅速聚集的同時，也帶來了大量硬化地面，直接削弱了城市的排澇能力[1]，加之全球氣候變化和劇烈人類活動影響下極端降水事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度呈增加趨勢[2]，而原有排水管網(wǎng)的排澇能力不足，最終導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害愈演愈烈[3,4]，在特大城市通常造成巨大的財產(chǎn)損失和重大的人員傷亡。城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估是城市規(guī)劃與管理的重要內(nèi)容，合理的洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估能夠為城市洪澇災(zāi)害預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)，迫切而重要。現(xiàn)有研究主要集中于與GIS空間分析技術(shù)相結(jié)合的洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估的方法構(gòu)建[5-13]、災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃[14]及與洪澇災(zāi)害影響因素的關(guān)聯(lián)性分析[15,16]等，取得了良好的洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃結(jié)果。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)能較好地表征風(fēng)險事件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，揭示各類風(fēng)險事件間存在的關(guān)聯(lián)機(jī)理，已被證實在對某幾項風(fēng)險較為關(guān)注的情況下的工程風(fēng)險評估中能得到更加真實全面的結(jié)果[17]，而其在城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估中的應(yīng)用尚缺乏相應(yīng)研究，相關(guān)研究對合理綜合評估城市洪澇災(zāi)害具有重要意義。

深圳市是我國改革開放的前沿和人口密度最高、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的四大核心城市之一，由于地處水循環(huán)極其活躍的低緯度濱海臺風(fēng)頻繁登陸地區(qū)，伴隨著氣候變化和快速城市化的影響，本地區(qū)臺風(fēng)、暴雨等極端氣候事件頻發(fā)，城市洪澇風(fēng)險日益增大。其西部沿海區(qū)域受海岸山脈地貌帶影響，易遭受臺風(fēng)、暴雨等影響，汛期常形成局部暴雨、特大暴雨；局部地區(qū)低于海平線，地勢低洼，遇到極端氣候易產(chǎn)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，造成河道護(hù)岸坍塌、城市內(nèi)澇[18,19]。隨著寶安、前海、大空港等區(qū)域的開發(fā)建設(shè)，城市不透水面積的迅速增加、下墊面條件的改變、河流水系萎縮、洪潮的影響以及早期的防洪排澇基礎(chǔ)工程未達(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及要求等，加重了洪澇災(zāi)害。本文從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體三方面選取若干指標(biāo)，通過構(gòu)建基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的城市洪澇綜合風(fēng)險評估模型，對不同級別極端降雨下的深圳市洪澇綜合風(fēng)險進(jìn)行評估，研究一方面將豐富我國城市洪澇綜合風(fēng)險評估方法，完善城市“三防”指揮系統(tǒng)的預(yù)報預(yù)警方案，為應(yīng)對氣候變化和快速城市化過程中的城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險提供有力的技術(shù)支撐，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 深圳市概況

深圳瀕臨南海，地處廣東省南部，珠江口東岸，東臨大亞灣和大鵬灣，西至珠江口伶仃洋與中山市、珠海市相望，南邊深圳河與香港相聯(lián)，北部與東莞、惠州兩城市接壤，為粵港澳大灣區(qū)核心城市之一。深圳市所轄范圍呈狹長形：東西長，南北窄，行政轄區(qū)內(nèi)的土地總面積1 952.84 km2，其中，經(jīng)濟(jì)特區(qū)土地面積327.5 km2。深圳處于華南濕潤氣候區(qū)，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為1 966.5 mm，自東向西減少，東南部年平均降雨量達(dá)2 200～2 300 mm，西北部地區(qū)只有1 300～1 500 mm。雨量年際和年內(nèi)變化較大，全年雨量有84%出現(xiàn)在4-9月(汛期)，其中4-6月屬于前汛期，平均雨量為709 mm，主要由冷空氣和熱帶暖濕氣流共同作用造成；7-9月屬于后汛期，平均雨量為946 mm，主要由熱帶氣旋、熱帶輻合帶、熱帶低壓等熱帶天氣系統(tǒng)造成。截至2017年，全市國內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)2.249 萬億元，常住人口1 253 萬人。根據(jù)2014 年《深圳市內(nèi)澇調(diào)查及整治對策調(diào)研報告》，深圳市全市范圍內(nèi)共有易澇區(qū)、積水點共446 處，其中257 處道路積水點、189 個低洼易澇區(qū)最大積水深度超過15 mm 的共有422 處，積水深度超過50 mm 的共有110 處；在積水時間統(tǒng)計上，積水時間超過半小時的共有257 處，積水時間超過6 h的共有84 處，城市內(nèi)澇形勢嚴(yán)峻。

2 研究方法

2.1 鏈?zhǔn)斤L(fēng)險結(jié)構(gòu)

對于鏈?zhǔn)斤L(fēng)險，一般有以下3種基本結(jié)構(gòu)：串行結(jié)構(gòu)風(fēng)險，并行結(jié)構(gòu)風(fēng)險，扇形結(jié)構(gòu)風(fēng)險，各種結(jié)構(gòu)示意圖如1所示。

圖1 三種基本風(fēng)險結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Three kinds of basic risk structure model

一些復(fù)雜的風(fēng)險模式也主要由以上3種基本的機(jī)構(gòu)組成。串行結(jié)構(gòu)風(fēng)險是指風(fēng)險源按依次順序進(jìn)行傳遞并影響，假設(shè)每個風(fēng)險源表達(dá)方式為R(xi)，則串行風(fēng)險的傳遞表達(dá)式為：

(1)

并行結(jié)構(gòu)風(fēng)險是指兩個或兩個以上的風(fēng)險源并行進(jìn)行，這些風(fēng)險源彼此相互不影響，假設(shè)每個風(fēng)險源表達(dá)方式為R(xi)，則串行風(fēng)險的傳遞表達(dá)式為：

y=f(x1,x2,…,xn)=max[R(xi)]

(2)

扇形風(fēng)險結(jié)構(gòu)是下層風(fēng)險源中只要有一個風(fēng)險發(fā)生時，下層的風(fēng)險就可以傳遞到上層的風(fēng)險源上，假設(shè)每個風(fēng)險源表達(dá)方式為R(xi)，則串行風(fēng)險的傳遞表達(dá)式為：

(3)

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

對于深圳市的洪澇風(fēng)險評估，本文考慮的主要致災(zāi)因子為極端降雨，主要選取24 h最大降雨極端降雨三級閾值(ER)和平均降雨集中度(PC)作為指標(biāo)；孕災(zāi)環(huán)境主要考慮下墊面環(huán)境，主要選擇數(shù)字高程模型(DEM)、坡度(SL)、管網(wǎng)覆蓋率(NC)、泵站排水能力(PW)、水庫綜合指數(shù)(RI)、徑流系數(shù)(RC)和到河道距離(DR)；承災(zāi)體選擇人口密度(PD)和GDP密度(GDP)作為指標(biāo)。

致災(zāi)因子：三級極端降雨閾值的24 h降雨量(ER)和平均降雨集中度(PC)兩個指標(biāo)作為致災(zāi)因子，是導(dǎo)致洪澇事件的主要驅(qū)動因子。平均降雨集中度是選取343場百分位為99%的降雨，通過下面式子計算：

(4)

式中：Pi為單位時段的降雨量；PC越大表明降雨越不均勻，降雨在某短歷時內(nèi)雨量越大。

孕災(zāi)環(huán)境：數(shù)字高程模型(DEM)、坡度(SL)、管網(wǎng)覆蓋率(NC)、泵站排水能力(PW)、水庫綜合指數(shù)(RI)、徑流系數(shù)(RC)和到河道距離(DR)這七個指標(biāo)作為孕災(zāi)環(huán)境因子，即在致災(zāi)因子驅(qū)動下，這些指標(biāo)為致災(zāi)因子提供了一個內(nèi)澇形成的環(huán)境。DEM采取30 m×30 m柵格大小。SL指標(biāo)利用DEM數(shù)據(jù)通過GIS技術(shù)提取。NC和PW均以行政區(qū)為單位賦值，其中NC為管網(wǎng)覆蓋率，用來衡量排水能力，覆蓋率越高排水能力越強(qiáng)，數(shù)據(jù)源于深圳市的《城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》；PW采取各行政區(qū)實際提升水量，數(shù)據(jù)來源于水利普查。水庫綜合指數(shù)用來衡量某行政區(qū)的水庫概況，大中型、小(Ⅰ)型和小(Ⅱ)型水庫分別賦予0.5、0.3、0.2的權(quán)重，然后用權(quán)重乘以各區(qū)不同類型水庫的數(shù)量并累加可得綜合指數(shù)，該指數(shù)可間接反映某行政區(qū)水庫的數(shù)量和類別。RC基于土地利用類型得出，不同土地利用類型的下滲能力不同，根據(jù)表1賦予各種土地利用類型不同的徑流系數(shù)。DR表示到河道距離，其值越大表明離河道水系越遠(yuǎn)，越不容易受河道洪水影響。

表1 不同土地利用類型對應(yīng)的徑流系數(shù)Tab.1 Runoff coefficients under different land use types

承災(zāi)體：選擇人口密度(PD)和GDP密度(GDP)作為承災(zāi)體因子，其值越大表明人口和財產(chǎn)分布越集中，二者均采取2010年數(shù)據(jù)，源于《深圳市統(tǒng)計年鑒》。

為了分析深圳市因極端降雨導(dǎo)致的洪澇風(fēng)險，構(gòu)建鏈?zhǔn)斤L(fēng)險結(jié)構(gòu)如圖3所示。鏈?zhǔn)斤L(fēng)險結(jié)構(gòu)圖中，致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體之間為串行結(jié)構(gòu)風(fēng)險。而各指標(biāo)與對應(yīng)的三大因子之間為扇形結(jié)構(gòu)風(fēng)險，且由于各個指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度不一樣，需要對各個指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)重后且乘以該指標(biāo)才能把風(fēng)險累加到上一級因子中。對于指標(biāo)權(quán)重，由于不同級別極端降雨的預(yù)警預(yù)報的側(cè)重點不同，Ⅲ(P=2%)級極端降雨側(cè)重內(nèi)澇的發(fā)生，而Ⅰ(P=1%)、Ⅱ(P=0.5%)級則主要著眼于水庫和堤防的防洪工程，因此需要根據(jù)極端降雨的級別不同制定三套權(quán)重。權(quán)重根據(jù)專家打分法計算，得到的三套權(quán)重值如表2所示。

表2 不同級別極端降雨條件下的指標(biāo)權(quán)重
Tab.2 Weights of indicators under different grades of extreme precipitation

極端降雨級別極端降雨(ER)平均降雨集中度(PC)數(shù)字高程模型(DEM)坡度(SL)管網(wǎng)覆蓋率(NC)泵站排水能力(PW)徑流系數(shù)(RC)到河道距離(DR)人口密度(PD)GDP密度(GDP)Ⅲ級0.080.050.110.090.090.090.080.080.160.14Ⅱ級0.130.010.120.070.030.050.050.120.160.14Ⅰ級0.140.010.150.060.010.020.020.140.160.14

圖2 基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的城市洪澇綜合風(fēng)險評估流程Fig.2 Flowchart of comprehensive assessment on flood and waterlogging risk based on chain structure

根據(jù)圖2計算評估深圳市洪澇綜合風(fēng)險。綜合風(fēng)險計算公式如下：

(5)

式中：m為對應(yīng)因子的指標(biāo)個數(shù)；wj為各指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重；Vj為該指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

對于標(biāo)準(zhǔn)化的Vj，可由以下公式計算：

(6)

式中：xi、xmin和xmax分別為指標(biāo)值、指標(biāo)最小值和指標(biāo)最大值，前式子適用于正指標(biāo)，及指標(biāo)值越大風(fēng)險越大的指標(biāo)；后式子適用于負(fù)指標(biāo)，即指標(biāo)值越大，風(fēng)險值越小。在本研究中，除了DEM、SL、NC、PW和DR為負(fù)指標(biāo)外，其余均為正指標(biāo)。

3 深圳市洪澇綜合風(fēng)險評估

3.1 洪澇風(fēng)險指標(biāo)空間分布

由圖3可知，深圳市洪澇綜合風(fēng)險負(fù)指標(biāo)中，DEM和SL高值區(qū)主要集中于東南部的大鵬新區(qū)和鹽田區(qū)，此區(qū)域為PW低值區(qū)；NC高值區(qū)集中于南部的羅湖區(qū)、福田區(qū)、鹽田區(qū)和東南部的大鵬新區(qū)；DR高值區(qū)集中于南部鹽田區(qū)、東南部的大鵬新區(qū)和寶安區(qū)中南部地區(qū)。洪澇綜合風(fēng)險正指標(biāo)中，PC低值區(qū)同樣集中于東南部的大鵬新區(qū)，而高值區(qū)集中于西部的寶安區(qū)和光明新區(qū)；東南部的大鵬新區(qū)為RI低值區(qū)，而南部的南山區(qū)為高值區(qū)；RC的高值區(qū)主要位于東南部的大鵬新區(qū)和南部鹽田區(qū)；POP和GDP空間分布格局相似，在東南部形成低值區(qū)。不難發(fā)現(xiàn)，深圳市的致災(zāi)因子和承災(zāi)體因子低值區(qū)集中于東南部，且這一區(qū)域也是孕災(zāi)環(huán)境因子PW、RI的低值集中區(qū)。

圖3 風(fēng)險指標(biāo)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of risk indicators

3.2 洪澇綜合風(fēng)險評估

基于上述公式(5)和(6)，并結(jié)合ArcGIS空間分析技術(shù)，可得基于三級(P=2%、1%和0.5%)極端降雨的深圳市洪澇綜合風(fēng)險評估結(jié)果圖。

由圖4可知，由于不同極端降雨閾值的空間分布以及各指標(biāo)權(quán)重不同，各風(fēng)險圖呈現(xiàn)較大的差異。風(fēng)險圖4(a)表明，高風(fēng)險區(qū)主要集中在龍崗區(qū)東北部以及南部局部區(qū)域、坪山新區(qū)中部、寶安區(qū)北部以及南山區(qū)前后海區(qū)域；圖4(b)表明，高風(fēng)險區(qū)在圖4(a)基礎(chǔ)上增加龍華新區(qū)、龍崗區(qū)南部和南山西南部；圖4(c)表明，高風(fēng)險區(qū)較圖4(b)大大增加，深圳市中西部大部分地區(qū)、龍崗區(qū)以及坪山新區(qū)大部分地區(qū)、鹽田區(qū)中部以及大鵬新區(qū)中部均為高風(fēng)險區(qū)。由于水庫綜合指數(shù)的權(quán)重相對較低，圖4(a)主要偏重反映了深圳市內(nèi)澇風(fēng)險，這些高風(fēng)險區(qū)主要特點是地勢比較低洼、平緩，容易形成積水，透水率低的建成區(qū)面積比例大，且人口密度和GDP密度比較大(圖3)，因而風(fēng)險較高；隨著水庫綜合指數(shù)的權(quán)重逐漸加大，圖4(b)和圖4(c)洪澇綜合風(fēng)險圖綜合考慮了深圳市的內(nèi)澇和洪水風(fēng)險，即既考慮內(nèi)澇風(fēng)險，也考慮了水庫、堤防潰決可能性因素，因而高風(fēng)險范圍較廣。不難發(fā)現(xiàn)，隨著極端降雨級別的增加，其余孕災(zāi)環(huán)境和承載體因子不變的情況下，深圳市洪澇的高風(fēng)險區(qū)在逐漸擴(kuò)大，反映了極端降雨對城市洪澇災(zāi)害的重要影響。

圖4 不同級別極端降雨導(dǎo)致的洪澇綜合風(fēng)險圖Fig.4 Comprehensive flood risk maps of Shenzhen under different grades of extreme precipitation

圖4(a)～(c)表明低風(fēng)險區(qū)主要集中在東南部的大鵬新區(qū)和南部的鹽田區(qū)。由3.1風(fēng)險指標(biāo)空間分布可知(圖2)，這兩個地區(qū)為DEM、NC、DR和SL的高值區(qū)，而這些指標(biāo)為洪澇綜合風(fēng)險的負(fù)指標(biāo)，其值越高，則洪澇綜合風(fēng)險越?。煌瑯拥?，這兩個地區(qū)也是洪澇綜合風(fēng)險正指標(biāo)POP、GDP、PW和RI的低值集中區(qū)，其值越低，代表的承災(zāi)體和孕災(zāi)環(huán)境因子的影響越弱，則洪澇綜合風(fēng)險越小，形成洪澇綜合風(fēng)險的低值區(qū)。綜合對比深圳市洪澇風(fēng)險指標(biāo)空間分布圖和洪澇綜合風(fēng)險評估結(jié)果圖，印證了本文基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的城市洪澇綜合風(fēng)險評估的有效性與合理性。

通過不同級別極端降雨導(dǎo)致的洪澇綜合風(fēng)險圖識別城市洪澇綜合風(fēng)險的危險和較危險區(qū)域，可為極端降雨的應(yīng)急預(yù)案提供參考(如為位于高風(fēng)險區(qū)且設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低的水庫或堤防完善應(yīng)急預(yù)案)，可以為建成區(qū)完善、提高管網(wǎng)和排澇泵站系統(tǒng)和工作效率提供依據(jù)，也可對非建成區(qū)的城市規(guī)劃提供必要參考。

4 結(jié) 語

極端氣象事件頻發(fā)和劇烈人類活動影響下城市下墊面的改變，加劇了特大城市的洪澇災(zāi)害威脅，給人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。為應(yīng)對氣候變化和快速城市化過程中的城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險，本研究采用基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的城市洪澇綜合風(fēng)險評估模型對不同級別極端降雨下的深圳市洪澇綜合風(fēng)險進(jìn)行評估，主要得出以下幾條結(jié)論：

(1)深圳市洪澇綜合風(fēng)險高值區(qū)主要集中于龍崗區(qū)東北部以及南部局部區(qū)域、坪山新區(qū)中部、寶安區(qū)北部以及南山區(qū)前后海區(qū)域，并隨著極端降雨等級的升高而逐步擴(kuò)展至中西部大部分地區(qū)、龍崗區(qū)以及坪山新區(qū)大部分地區(qū)、鹽田區(qū)中部以及大鵬新區(qū)中部。

(2)大鵬新區(qū)南部和北部地區(qū)為深圳市洪澇綜合風(fēng)險低值區(qū)。

(3)深圳市洪澇風(fēng)險指標(biāo)空間分布圖和洪澇綜合風(fēng)險評估結(jié)果圖的對比印證了本文基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的城市洪澇綜合風(fēng)險評估的有效性與合理性。

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