16.哈尔滨雨洪安全格局构建及规划措施研究

P = Qn×S－P0－Pr
（2）
其中：P——溢流量，Qn——暴雨强度，S——地域面积，P0——蒸发量，Pr——入渗量 为提高分析结果的准确性，根据地貌特征和不同地貌类型区分河道的不同特征，将哈尔
滨分为三个部分并分别计算降雨总量（见表 3），分别为平原区、丘陵漫滩区和低山区。其
主要确定方法为利用 GIS 栅格，提取每个区域中的栅格个数并加以计算得到不同流域的面积，
2.哈尔滨雨洪安全格局构成要素
2.1 现状水体
哈尔滨市是黑龙江的省会城市，地处中国东北北部地区，黑龙江省南部。地理坐标为北 纬 44°04′～46°40′，东经 125°42′～130°10′，总面积约为 5.3 万平方公里。河流 以中小河流为主，183 条中小河流流域面积占 75%以上，均属松花江水系和牡丹江水系，主 要有松花江、牡丹江、呼兰河、阿什河、拉林河、蚂蚁河等，哈尔滨主要河流水文要素如表 1 所示。全市现有西泉眼和磨盘山水库两座大型水库和 18 座中型水库以及 177 座小型水库， 其中起到灌溉和泄洪的水库包括立功水库、三八水库、工农水库、和平水库、红旗友谊水库 和小黄河水库。起到水源地作用的主要为西泉眼水库和磨盘山水库，西泉眼水库位于阿城区 玉泉镇，蓄水量为 2.89 亿立方米，是哈尔滨市的备用水源地，磨盘山水库为拉林河干流最 上一级的水坝，是哈尔滨的第二水源地[11]。根据《哈尔滨市水资源公报》资料显示，两座
雨洪安全格局作为水安全格局中的重要组成，强调的是洪涝灾害问题不能单纯地用防洪 堤坝或者用单纯地调水方式来解决，而是应该建立一个综合的、整体的、多目标解决问题的 方案，通过判别控制洪水过程的关键性位置、区域和空间联系，建立雨洪管理的安全格局[4]。 具体来说，雨洪安全格局的构建方法为：基于 DEM、水文气候、历史灾害等基础数据，借用 地理信息系统识别蓄滞洪区；通过对径流过程的模拟，判别对控制雨洪过程具有关键意义的 局部，进而提出策略和相关管理措施[10]。
哈尔滨年降雨量较为集中，多分布于每年的 6～9 月，由于濒临松花江干流中上游，接 纳嫩江、第二松花江和拉林河的来水，发生连续降雨或局部大面积降雨时，易产生洪涝灾害。 流域内量级大、范围广，出现的次数占大暴雨总数的 84%～88% [13]。
根据《哈尔滨市百年大事记》记载，哈尔滨的百年历史中，有三次特大的松花江洪水威 胁过这座城市；1932 年、1957 年、1998 年[14]。历史淹没范围主要为中央大街、新城大街 (尚志大街)、石头道街、中国十三道街(西十三道街)、透笼街、地段街、买卖街、道里、道 外沿江两岸[15]。
灌溉为利
耕地集中，地势低洼， 易旱，易涝，需排涝
灌溉并举
大面积不透水地表， 径流系数增大，增大 抗洪压力，加剧洪涝
灾害
3.1.3 绝对高程计算
绝对水位高程即相对水位高程（发生洪水时，水面上升的净高度）与常水位高程的相加 结果。因此绝对高程的获取关键在于相对水位高程的计算，由于哈尔滨地势变化相对复杂， 所以本研究采用插值法对河流进行差值划分。由于松花江为哈尔滨流域主要干流，从史料可 知，其带来的雨洪风险最大，因此本文选取松花江段的绝对高程进行计算。根据地形高度变 化，将哈尔滨按照主要水系松花江的上游至下游的顺序分别插入五个高程值，将其划分为 5 个部分进行高程计算（见图 1）。再根据不同阶段的河流长度得到个流面积，从而根据等体 积法得到洪水水位的相对高程。
3.哈尔滨雨洪安全格局构建
本研究在 ArcGIS 空间分析与水文模拟技术的辅助下利用已有的 DEM 高程数据、河道数 据和水文数据（小时降雨量、小时蒸发量），对雨洪淹没区进行模拟，划定雨洪安全格局红 线范围以指导滨水廊道规划措施的提出。通过模拟径流判别潜在径流分布情况，以指导洼地 改造措施的提出。
3.1 雨洪淹没区划分
根据降雨历时内的降雨量、不同地貌类型的蒸发量与入渗系数，确定不同流域的溢流量。
地理区段 低山区 丘陵区
平原区
表 3 地域类型划分依据
降水与径流
河道特征
比降
降水量最大，雨
河床比
坡陡流急，山溪性
水丰富，径流量
降大，流
河道，切切割深
最大
速快
平原区相对降 赶潮河段。同时，
水较少，但由于 比降小，流速 慢，因此大的降 水排泄不畅，往
6.95 （数据来源：《哈尔滨——水利志》）
2.2 雨洪淹没区
雨洪淹没区主要由雨洪淹没风险淹没范围与洪涝灾害历史淹没范围组成，本文将雨洪淹 没风险范围划分为 10 年一遇淹没范围、50 年一遇淹没范围与 100 年一遇淹没范围。历史淹 没范围依据史料划定。
雨洪淹没风险范围主要受哈尔滨所处地理地貌和天气影响，哈尔滨气候特点为阴凉多雨, 冬季寒冷干燥,夏季雨水集中，容易发生洪涝、冰雹等自然灾害，其年平均降水量为 537.8mm。 哈尔滨市区及双城区、呼兰区地域平坦、低洼,东部多山及丘陵地，东南临张广才岭支脉丘 陵，北部为小兴安岭山区，中部有松花江通过，山势不高，河流纵横，平原辽阔[12]。
将运用暴雨数据模拟得到的淹没范围与历史洪水淹没范围叠加得到的结果为洪水淹没 范围。由于暴雨洪水淹没过程为动态的变化过程，为了方便计算，本研究采用了假设的方法， 将动态转化为静态，使淹没过程更加直观。同时，为了将复杂的河道、地形等因素简单化， 该研究应用了抽象模型的方法，提炼其特征进行抽象，以方便计算和模拟。
哈尔滨雨洪安全格局构建及规划措施研究
郭嵘，武彤，黄梦石
摘要：受气候变化影响，我国洪涝灾害频发，雨洪安全格局作为水安全格局的组成部分，对防灾控灾起到 重要作用，必须得到合理的规划。本研究以哈尔滨为研究对象，以生态安全格局为理论基础，以防灾控灾 为目标，通过对研究区域雨洪安全现状的分析评价，运用 ArcGIS 空间分析模块与水文模块，对雨洪过程进 行模拟和分析，得到哈尔滨雨洪安全格局，在雨洪安全格局三种安全标准的规划原则指导下，对河流廊道 和径流洼地分别提出规划改造措施，达到维护雨洪安全的目的。为哈尔滨乃至全国其他城市的防灾控灾系 统构建提供实践依据。 关键词：生态安全格局 雨洪安全格局 防灾控灾 哈尔滨
由水库、干渠、支 渠、水闸构成了灌 溉网络，自然径流 已经被改造为人
河床比 降小，流
速慢
往形成涝区
工化的渠网
降水相对较少， 河网密度降低，湿 由于不透水地
地减少，河道逐步 面面积的增大，
固化和渠化 地表径流增大
河床比 降小
流速 急
逐渐 平缓
逐渐 平缓
洪涝灾害特征及水利 大雨易洪，山溪性洪 水，久晴干旱，蓄水
3.1.1 暴雨强度计算
暴雨强度（intensity of rainstorm）是指降雨的集中程度。一般以一次暴雨的降雨量、 最大瞬间降雨强度、小时降雨量等表示。计算公式为：
q = 167 A1(1+ C ㏒ P)/(t+b)n
（1）
式中 P——设计重现期（a），t——降雨历时（min），q——设计暴雨强度(mm/min)
暴雨重现期（recurrence interval/return period）指某特定暴雨强度的重现期指大
于或等于该值的暴雨强度可能出现一次的平均间隔时间，单位是年（a）。重现期与频率成
反比：P=1/Pn.（P=50a，即 Pn=2%）。本文应用的暴雨重现期分别为 10a、50a、100a。设计
降雨历史为 1 小时。将数据代入暴雨强度公式后，经计算得到的不同暴雨重现期中的暴雨强
大型水库的蓄水量约占全市大中型水库蓄水量的一半以上。
河流名称
松花江 牡丹江 呼兰河 拉林河 蚂蚁河 阿什河
表 1 哈尔滨主要河流水文要素[11]
流域面积
平均年径流量
（km2）
（亿 m3）
389769
456.7
37055
60.8
31420
36.7
19200
31.5
10547.3
29.13
3532.4
图 1 松花江哈尔滨段水位高程差值模拟示意图
3.1.4 淹没范围提取
通过 GIS 的空间模拟技术，将不同暴雨重现期下哈尔滨市的暴雨模拟淹没范围与根据史 料描述得到的历史洪水淹没范围叠加，得到雨洪淹没区范围图（见图 2）。
图 2 哈尔滨雨洪淹没范围示意图
3.2 模拟径流
河流、水库、坑塘、湖泊、洼地等都具有调洪蓄洪的功能，可以作为雨洪汇集的源。人 类活动在一定程度上改变了自然的调蓄机制，如过度开采地下水导致地面下沉，人工开凿水 道破坏自然水系结构等。运用 GIS 水文分析，对高程数据进行分析，模拟得到自然径流，比 起现状水系更符合自然地理环境。本文通过对现状水系和模拟径流的比较分析，发现现存问 题，在下文中提出规划措施。径流模拟步骤如下：1）以 GIS 为技术手段对 DEM 数据修正；2） 运用 GIS 的水流方向（Flow Direction）模块获取水流方向；3）得到径流以后，可以运用 GIS 水文分析中的径流分级（Stream Order）和流域划分（Watershed）操作，对径流进行 基础的分析。如图 3 为借用 ArcGIS 的水文分析模块得到的潜在径流模拟结果。
引言
在我国急剧城市化过程中，不合理的人类活动导致了生态安全格局很大程度上的改变， 例如土地功能退化、生物生存环境破坏、水文循环过程失衡以及游憩地与历史文化遗产受损 等。如何在较为脆弱的生态条件和巨大的发展压力下，在土地利用条件有限、生态保护与城 市发展均尤为重要的状态下，对生态系统服务进行有效的维护与修复，解决城市化进程与生 态保护之间的矛盾，从而实现优先保护与可持续发展，已成为当代学者和政府决策部门所必 需面对的难题[1]。近 10 年相关学者已经对生态安全格局的定义及其理论基础开展了初步研 究[2]，并将生态安全格局的构建方法广泛应用于不同尺度、不同区域的关键地段保护与恢复 中。生态安全格局是由水安全格局、林地安全格局、生物保护安全格局以及游憩与文化遗产 保护安全格局等组成的综合格局[3]。雨洪安全格局作为水安全格局的重要组成部分，主要受 气候变化影响，我国每年发生洪灾、泥石流等自然灾害不计其数，仅 2012 年受洪涝灾害影 响的区域达 112204 平方公里[4]。如何在有限的资源范围内通过空间规划对其进行保护是一 个刻不容缓的问题。
本文以生态安全格局为理论基础，以防灾控灾为目标，在总体规划原则指导下，对滨水 廊道和径流洼地提出雨洪安全格局规划改造措施，以达到维护水安全的目的。为哈尔滨的雨 洪安全提供保障的基础上，也为其他城市的防灾控灾系统构建提供实践依据。
1.基础研究
生态安全格局是 1998 年俞孔坚基于景观生态学理论提出的[3]。国外对生态安全格局的 相关研究较少，欧洲学派以 Naveh 和 Liberman 为代表，更多考虑人文社会等因素[5]；美国 学派以 Forman 和 Godron《Landscape Ecology》一书中的理论为代表，强调基于生态学及 数学模型进行的空间格局分析[6]。2005 年，俞孔坚等学者在《“反规划”途径》一书中首 次将水安全格局作为生态安全格局的一项研究[7]。之后于 2009 年，在《区域生态安全格局： 北京案例》一书中运用 ArcGIS 的空间分析模块与水文模块对洪水、地表径流等过程进行分 析和模拟，从而构建雨洪安全格局[8]。俞孔坚在台州案例中探讨了应该有怎样的流域景观格 局，特别是滞洪湿地格局来保障安全[9]。
2.3 潜在径流
河流、水库、坑塘、湖泊、洼地等都具有调洪蓄洪的功能，可以作为雨洪汇集的源。人 类活动在一定程度上改变了自然的调蓄机制，如过度开采地下水导致地面下沉，人工开凿水 道破坏自然水系结构等。而运用 ArcGIS 的空间分析模块对高程数据进行分析,运用水文模
块模拟得到的自然径流,比起现状水系更符合自然地理环境。通过径流模拟得到潜在的低洼 汇水区,极有可能在暴雨和洪水发生危险。潜在径流作为雨洪安全格局的构成要素,可以有 效的指导未来规划中低洼地区改造措施的提出。
度如表 2 所示。
重现期 P（a） 10 50 100
表 2 不同暴雨重现期的暴雨强度计算结果
频率 降雨历时 t（min）
暴雨强度 q(mm/min)
10%
60
135.62
2%
60
181.545
1%
60
201.717
（数据来源：笔者用《哈尔滨——水利志》数据计算获取）
3.1.2 溢流量量wk.baidu.com算
溢流量即为净降雨总量，是排除水蒸发量和入渗后的净含量。降雨总量是指在降雨历时 内整个哈尔滨流域的总降水量，降雨总量计算公式为：