城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展

发布时间：2016-10-02 14:03

  本文关键词：城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展，由笔耕文化传播整理发布。

第29卷第1期2014年1月

灾害学

JOUＲNALOFCATASTＲOPHOLOGY

Vol.29No.1Jan.2014

J］．灾害学，2014，29（1）：144－149．张冬冬，严登华，王义成，等．城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展［

［ZhangDongdong，YanDenghua，WangYicheng，etal．ＲesearchProgressonＲiskAssessmentandIntegratedStrategiesforUrbanJ］．JournalofCatastrophology，2014，29（1）：144－149．］PluvialFlooding［

城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展

张冬冬，严登华，王义成，鲁

摘

*

帆，刘少华

（中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038）

要：城市内涝灾害风险评估是城市内涝灾害管理，减少内涝灾害损失的有效途径。基于自然灾害风险评估理论，对城市内涝形成机理和风险评估方法进行了概述。从规划、建设和管理三个层面提出应对城市内涝的总体思路和技术框架，并指出相应的关键技术问题。最后，指出未来城市内涝灾害风险评估和综合应对的研究工作重点：①加强城市内涝形成机理的研究；②完善城市内涝灾害风险评估的理论与方法；③构建城市内涝灾害数据库；④城市内涝应对与城市水生态修复相结合。关键词：城市内涝；形成机理；风险评估；综合应对中图分类号：X43

文献标志码：A

文章编号：1000－811X（2014）01－0144－06

doi：10.3969/j.issn.1000－811X.2014.01.026

随着全球气候变化的不断加剧以及城市化的

快速发展，城市极端洪涝灾害发生的频次更加频繁，影响范围也逐渐扩大。印度计划委员会前委员GilliatParikh指出，极端天气导致的城市内涝是中国、印度等新兴发展中国家城市化过程中面临

［1］

的问题。近年来，中国大中城市不断发生严重的城市内涝，对经济社会造成了严重的影响，城市内涝灾害已经成为制约城市发展的重要障碍因

［2］

。《中国21世纪议程》子指出，近年来，随着我国城市化和工业化进程的加快，大量城市林地、湖泊等洪水调蓄空间被挤占，城市排水设施建设落后于城市发展速度以及不健全的城市灾害风险管理体制，使得我国城市内涝灾情呈现出复杂性、多样性和放大性的特点。

如何在城市内涝灾害形成机理基础上对城市内涝灾害进行风险评估分析，并提出一套城市内涝灾害风险应对技术框架，已经成为城市灾害研究领域亟需解决的热点问题。本文基于城市内涝的风险评估理论，对城市内涝的形成机理和风险评估研究进展进行了概括和评述，提出城市内涝灾害综合应对的思路以及未来城市内涝风险评估及综合应对的发展方向。

因素共同作用的结果，城市内涝的影响要素具有“自然－社会”双重属性。

从自然因素看，全球变暖引起全球气候发生变化，同时也改变了城市的局地气候特征，增加了城

［3］

市极端暴雨产生的概率。从社会因素看，主要体现在城市化对城市水循环的各个环节的影响。城市

“热岛效应”“雨岛效应”化引起的城市和增加了城市

降雨频率与强度，是城市暴雨内涝的直接诱导因［4－5］

；从产流过程上看，城市高密度的硬化地面素

阻碍降雨下渗和渗透过程，提高地表的产流系数，加大了地表径流量；从汇流过程上看，大部分地表径流通过社会水循环由排水管网汇集到河道，增加了汇流的水力效率，导致河道洪峰流量增大，峰现

［6－

9］

。另外，城市功能区规划不合理、雨时间提前

水回收利用等基础设施不完善、防洪调度管理水平不高以及排水管网设计标准偏低等人为因素，也是造成城市内涝的重要因素。

1城市内涝灾害形成机理

图1

城市水循环系统运行图

城市的水循环系统（图1）是由自然水循环系统和高强度的社会水循环系统组成的，城市内涝是城市水循环极端现象的表现，是自然因素和社会

*

收稿日期：2013－07－26修回日期：2013－08－28

基金项目：国家重点基础研究发展计划课题（2010CB951102，2013CB036406）；国家自然科学基金项目（51109224）

作者简介：张冬冬（1986－），男，辽宁沈阳人，博士研究生，主要从事水文及水资源研究．E－mail：www123qe@126.com

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2

2.1

城市内涝灾害风险评估方法

历史灾情数理统计法

该方法主要利用数理统计的方法，对历史灾害的数据进行统计分析，找出灾害发展的规律，建立起灾害发生概率与其影响因素的统计模型，进而对未来灾害造成的可能损失进行预估。对于内涝灾害，主要是研究暴雨重现期、洪水淹没范

［10］

围与不同财产损失率的关系。郭涛以2000多年的历史资料为基础，对四川城市水灾的规律特征

［11］

进行了分析研究。李吉顺等基于历史暴雨洪涝灾情分省的数据，构建综合危险度和相对危险度两个评价指标，对全国暴雨洪灾的危险性进行了

［12］

评估和区划。马建明对水灾史记资料揭示区域

［13］

水灾风险方面理论进行了研究。许月卿等分析东汉至今旱涝资料，探讨了河北省旱涝时空分布

［14］

规律和风险区域。周魁一提出“历史模型”的概念，论述了基于历史数据的历史模型方法和在灾

［15］

害问题中的应用。Benito等根据过去1000年的历史灾害数据和50年的规范记录，构建了评估城

［16］

市洪水风险的方法。Nott提出长时间的历史洪水资料可以作为评估区域洪水灾害风险的重要参考

［17］

依据。HansdeMoel利用荷兰1900－2000年以及未来100年规划的空间地理信息分析城市化对洪水产生的影响。基于历史灾情数理统计的方法计算简单，不需要详尽的地理背景数据，但是目前由于城市内涝灾害的观测数据较少且灾情数据很难获取，在应用上具有一定的局限性。另外，风险是未来的潜在的发生的可能性，用历史资料预测未来灾害风险发生的概率，可能存在一致性的问题。

2.2指标体系法

主要思路是根据灾害系统的特点，研究者凭借经验选取一定的指标体系，然后通过一系列数学方法对原始指标进行处理，最后得到区域灾害风险的过程。该方法侧重于指标的选取记忆权重方法的优化，涉及的空间尺度范围较广，适用于全球灾害风险评估的指标计划有Hotspots、美洲计划。北美的学者利用指标体系从国家、市级尺度

［18－21］

。Aleksan-对洪水灾害风险进行区划和评估

dra［22］基于风险的三个要素（孕灾环境危险性、受灾体的脆弱性和暴露性）理论，选择26个指标对英国曼侧斯特市洪水风险脆弱性进行了评估，通过主成分分析，找出了受城市洪水影响的高风险

［23］

区域。傅湘、纪昌明选取人员伤亡损失、经济财产损失、生态环境损失与灾害救援损失四个指

［24］

标对城市涝灾损失进行了分析评估。冯平等通过选取资产特征指标参数来确定洪涝灾害的直接

损失，并建立了一套城市洪涝灾害的评估预测模

［25］

型。杜鹃等从孕灾环境的自然属性、承灾体的社会环境以及致灾因子的特点出发，，构建了洪水灾害综合风险评估指标体系，并将理论成果运用

［26］

在湘江流域风险评估中。刘荆等选取降水量、河网、高程、人口、经济等作为指标，通过相关分析，从致灾因子危险性和承灾体脆弱性两方面出发，评估淮河流域暴雨内涝灾害。

因为大尺度风险评估精度要求不高，因此指标体系风险评估在大尺度风险评估中应用广泛，但是基于小尺度的研究由于其自身的精度局限性，应用较少。

2.3水文水力学模型与仿真模拟法

水文水力学模型与仿真的方法是通过设置不同频率暴雨情景过程，利用流域产汇流模型以及洪水演进模型的数值模拟计算，推求不同情景下暴雨可能引起的城市内涝的淹没范围、淹没水深以及淹没历时。基于水文水力学模型的内涝灾害风险评估关键是通过成熟的水文和水力学模型或根据区域特征构建的水文水动力模型模拟不同暴雨情境下的灾害情景。模型的核心是研究降水（主要是极端降雨）作用于城市下垫面后，城市雨水空间上的垂直分布分配过程以及水平运动状态。在模型开发方面，欧美发达国家科研机构和公司开发的水文水动力模型比较成熟，在城市内涝灾害情景分析中应用广泛。国内对城市暴雨内涝模型研究相对国外起步较晚，但是也出取得了一定的

［27－31］

（图2）。其发展过程大致也可划分为3成果

个阶段：①为初期发展阶段（1970年以前），此阶段主要运用基于物理机制的经验方程满足城市径流计算的需要；②为兴起阶段（1970年至1990年），此阶段相继将一些新的理论和方法引入城市雨洪模型之中，如水量平衡方程、圣维南方程等，使得雨洪模型应用于城市管网汇流以及水质模拟中；③为现代阶段（2000年以后），此阶段各种模型日趋成熟，与GIS、ＲS结合广泛，并且开始研究城市防洪调度以及内涝积水的模拟与仿真。

从国内外模型特点对比来看，国内用于模拟城市内涝模型还存在一下的不足：①从模型的通用性的方面来说，国内城市雨洪模型的研发仅针对特定某些特定的城市区域，移植到别的城市的时候需要进行改进，通用程度不高。相比国内针对某些城市开发的雨洪模型，国外一些比较成熟的模型已开出的商用软件，如Wallingford的In-foworks、DHI的Mouse及Mike-SWMM等具有较强

的通用性，数据分析和管理能力强，可视化程度高，用户方便使用。②国内模型普遍缺少对系统可靠性和风险性的分析功能，同时随着ＲS、GIS

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等空间信息技术的发展，建立一套将ＲS、GIS等空间信息技术与城市暴雨内涝模型有机结合，形成有较好的人机对话、结果显示、决策支持、预警预报等功能的城市内涝灾害预警系统，必将成为城市雨洪模拟技术发展的趋势。

水文水力学模型与仿真的方法基于明确的物理机理，能过模拟内涝成灾过程，并能很好的反映城市河道闸门、桥梁、涵洞、蓄滞洪区等人为干预的影响，具有较好的适用性，但数据量要求较大，计算较为复杂，如何在数据可获得性、计算复杂性和评估精度之间取得平衡是今后研究急需解决的问题

。

图2城市雨洪模型研究进展图

水，城市很容易产生内涝的灾害。

解决城市内涝问题，应转变传统的思路，构“合理规划、源头控制、强化下渗、蓄排结建一套

的内涝综合应对体系，本文从规合、科学管理”

综合应划、建设和管理三个层面提出“三位一体”

对的思路，主要从以下几个方面体现：

（1）在规划层面，要合理规划城市各个功能区的布局。城市内涝的地区从地形特征上可分为两种（图3），分别是碟形涝区和开放涝区。碟形涝区是指由于自然地形或人为建筑的影响形成四周高中间低的低洼地带，暴雨期间雨水沿着周边地势较高的地区汇集到碟形地区中心，雨水在碟形中心汇集形成内涝。开放涝区是指位于排水管网交汇点或是城市河道附近地区，暴雨期间降雨水强度超过排水设施或是河道排水能力产生溢流，雨水从河道溢出流向四周形成内涝。合理协调城市各功能区布局是城市功能区规划的关键，未来城市建设项目应避开易涝地区，城市规模功能区规划应与城市内涝灾害风险区相结合，在规划过程中尽量避免在碟形涝区规划民居、建筑设施等建筑，在碟形涝区宜布置生态湿地、公园绿地、广场等城市开敞空间，对于开放涝区要提高其排涝能力，从而最大程度上减小承灾体的暴露性。规划道路、立交桥建设时要考虑路面排水的出路，如泵站建设、管网的联通、河道的联通和排水能力等等，避免出现道路规划和区域发展超出排水管网和河道排水能力的问题。对于重点易涝的立交桥，要通过提高立交桥管网排水标准、增设抽水泵站、修建雨水调蓄池等措施减轻内涝灾害的影响

。

3城市内涝综合应对总体思路

目前，我国城市的治涝思路是用最短时间将雨水排走，这种依靠快速排水的理念在一般降水强度较小情况下可以起到较好的排涝效果，但当出现极端降水的情况，会出现严重的问题，首先，雨水随着排水管网迅速向低洼地区汇聚，超出这些地区管道排水能力，出现雨水回涌地面现象，加上地表面的汇流，使得这些低洼地区出现严重的内涝。同时，雨水管网将雨水迅速排入城市河道，导致峰现时间提前，对下游河道防洪构成严重威胁。另外，雨水作为水资源的一种形式对于缺水的城市来说十分重要，在降雨过程中将雨水迅速排走是一种资源的浪费。传统的治涝思想没有从影响城市径流的要素入手，快速排水的方法没有考虑合理分配城市汇流面积和减小径流系数，忽略了雨水的资源效益，因此对于强度较大的降

图3城市开放涝区（左）与碟形涝区（右）示意图

（2）从建设层面，要强化城市雨水蓄排工程建设。我国城市排水管网标准偏低，防涝设施相对落后，当有极端暴雨时，极易形成内涝灾害。在现阶段，从影响地表径流的要素着手，分别采取相应的措施。①加强雨水源头控制，推进绿色建筑、生态小区，推广雨水回收利于技术，从源头

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减少雨水排放量，对于适合修建大型调蓄场所的区域，可修建人工水体或利用河湖等天然水体对

；雨水进行集中调蓄，实现雨水蓄存的“化零为整”

对于不适合修建大型调蓄场的区域，建立一些分散式的调蓄设施如公园绿地、道路绿化带及庭院绿地等，接纳城市小区和道路上的雨水，实现雨

“化整为零”；②强化雨水下渗，建立“入水蓄存的

渗池、井、草地、透水地面”组成的地表回灌系统，强化城市下垫面渗透雨水的能力；③合理规划城市管网建设，适当提高管网排水标准，扩宽疏通河道，提高泄洪能力；通过以上源头控制、强化下渗及蓄排结合的措施，实现削减洪峰、减小地表径流系数的效果。

（3）在管理层面，从过去的“被动应对”转向“主动应对”。过去城市治涝往往是在灾害产生之后被动的启动应急减灾措施，而新形势下应对城市内涝灾害应该重视灾前减灾措施。一方面，在工程措施上提高防洪排涝设施标准，加强管网设施的维护和修理。另一方面，构建城市内涝灾害风险评估指标体系，对城市内涝灾害进行风险评估，根据风险等级对城市内涝灾害区进行区划，完善当前城市灾害预警体系，提高暴雨洪水预测预报水平，加强人们的防灾意识，同时加快出台相关法律法规。

综上所述，城市内涝综合应对的总体思路是在规划层面上实现城市功能区的合理布局；在建设层面上，加强雨水源头控制，强化雨水下渗同时适当提高城市管网排水标准；在管理层面上加强对城市内涝风险评估，完善内涝预警系统。从三个层面构建一套“合理规划、源头控制、强化下渗、蓄排结合、科学管理”的内涝综合应对体系。

孕灾环境和致灾因子的情景，构建城市内涝灾害

的风险评估模型，评估城市内涝灾害的风险等级以及城市综合应对内涝风险能力，在评估结果的基础上对城市内涝灾害风险进行区划，并构建城市内涝的预警预报系统

。

图4城市内涝综合应对技术框架图

（4）推荐方案及综合应对措施。根据前面几个步骤，得出最终的推荐方案，评估城市综合应对内涝的能力与应对内涝的潜力，从规划、建设和管理三个层面对蓄水排水工程建设、城市功能区的规划布局、排涝设计标准制定和城市防洪调度等给出建议，并提出综合应对措施。

4城市内涝综合应对技术框架

5

5.1

城市内涝综合应对的关键技术问题

城市内涝综合应对的技术框架包括4个基本层次（图4）：基础信息整备层、内涝风险识别与评估预测层、模型构建及和方案优选及综合应对层。

（1）基础信息整备层。以城市水文气象、社会经济、地形地貌、排水管网、应急能力、历史灾情等数据为基础，利用GIS和ＲS平台构建城市内涝灾害数据库。

（2）内涝风险识别与评估预测层。在基础数据库的支撑下，识别影响城市内涝灾害的因素，定量评价一定的孕灾环境下城市内涝灾害的致灾因子危险性和承灾体脆弱性和暴露性。

（3）风险评估及模型构建。构建一套评估城市内涝灾害风险以及应对管理的评价指标体系，并提出评估方法与相应的评估标准，通过设置不同

城市内涝灾害指标体系构建和风险评估

以GIS为平台，综合考虑城市的地形地貌、河流水系、经济社会、历史灾情、排水标准等情况，研究暴雨诱发城市内涝的风险评估方法。基于自

［22］

然灾害风险系统三要素理论及其相互作用机制，对内涝灾害风险的危险性、承载体脆弱性和暴露性进行评估，建立一套评价城市内涝灾害风险各要素的指标评价体系并应用AHP方法确定各个指标的权重，构建城市内涝灾害风险评估模型，通过不确定分析方法对城市内涝风险进行评估，并定量表示这种不确定性的大小，最后得到城市内涝灾害综合风险区划图。

5.2城市内涝灾害综合实时监测预警系统开发

目前我国内涝灾害预警系统多为各个部门独立开发，如气象局的气象灾害系统，水利局的洪

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