基于GIS控制下的城市暴雨内涝灾害危险性分析-以福州为例 (福建农林大学东方学院,城市规划,王舟)

基于GIS控制下的城市暴雨内涝灾害危险性分析

——以福州市为例2013.10

王舟 (福建农林大学东方学院,城乡规划学本科)

摘要：本文以福州为例，在修正已有的城市高程模型基础上，结合美国水土保持局SCS水文模型、降雨及排水因素，利用GIS栅格空间分析技术模拟了重现期5年、2O年、50年、100年、200年、500年6种暴雨内涝灾害情景下的淹没深度和范围，并以街道(镇)为研究单元对福州进行了暴雨内涝危险性评价。

关键词：暴雨内涝；危险性分析；GIS；福州

暴雨内涝灾害是由于雨量过多、地势低洼、积水不能及时排除而形成的自然灾害。近年来，在全球气候变化和城市化进程加速的大背景下，我国沿海地区由于所处地理位置、地形和季风气候等因素的共同作用，暴雨发生的频率和强度呈增加趋势，加之防汛排涝设施陈旧，建筑物垃圾经常堵塞管网，暴雨内涝现象日趋严重。这严重影响着城市发展和居民生产生活。为此，城市暴雨内涝灾害风险评估已经成为沿海地区自然灾害领域研究的热点。

进行城市暴雨内涝灾害风险评估，首先要深入开展区域性暴雨内涝灾害危险性分析，准确地对其水情做出评估。目前在城市暴雨内涝灾害危险性分析方面，已有学者应用GIS空间分析技术与数学、水文模型结合的方法，模拟一定频度的暴雨内涝极端事件对城市可能造成的淹没深度和范围，但在城市地形模拟方面不够精准，选取的水文模型对于数据要求过高或模型参数设置精度较低，导致暴雨内涝灾害危险性分析结果精度不高。为此，本文以福州为研究对象，运用CIS栅格空间分析技术，修正已有城市高程模型，并结合确定的福州SCS水文模型参数CN值和降雨量，利用美国水土保持局(Natural Resources Conservation Service，简称NRCS)SCS水文模型计算了径流量，在此基础上参照福州市平均排水能力，模拟了多种重现期暴雨内涝灾害情景下的淹没深度和范围，并以街道(镇)为研究单元对福州进行了暴雨内涝灾害危险性评价。以期为福州市政府防灾减灾提供科学依据。

1.研究区域与研究方法

1．1 研究区

福州地处东海之滨，别称榕城、三山、左海、闽都，简称“榕”，位于福建东部、闽江下游沿岸，是福建省的省会、第一大城市，同时也是海峡西岸经济区文化、政治、科研中心以及现代金融服务业中心，首批14个对外开放的沿海港口城市之一，全国综合实力五十强城市，全国文明城市，全国宜居城市，福布斯中国大陆最佳商业城市百强城市。福州属典型的亚热带季风气候，气温适宜，温暖湿润，四季常青，雨量充沛，霜少无雪，夏长冬短，无霜期达326天。年平均日照数为1700～1980小时；年平均降水量为900～2100毫米；年平均气温为20～25℃，最冷月1～2月，平均气温达6～10℃；最热月7～8月，平均气温为33～37℃。极端气温最高42.3℃，最低-2.5℃。年相对湿度约77%。常出现热岛效应，又福州为盆地地形，夏季中午气温高达36℃以上。福州主导风向为东北风，夏季以偏南风为主。7～9月天气炎热，是台风活动集中期，每年平均台风直接登陆市境有2次。

受海洋气候的影响，降雨频度和强度较大，据统计，2001—2007年间，福州降雨量超过50 mm的暴雨频数为44％，加之防汛排涝设施不健全，暴雨内涝已成为其重大隐患之一（如

图1）。每年汛期(6—9月)由台风、强对流天气引起的暴雨内涝、风暴潮等灾害使福州地区遭受重大损失。2008年9月20日，马尾，台江等地遭受雷暴雨影响致使房屋倒塌，造成1死14伤；2009年8月513，福州局部由于雨量过于集中，共40多条马路积水，近千户居民家中进水，马尾，仓山等地蔬菜生产遭受重创。

图1 福州1997—2006年降水量

1．2 研究数据与方法

(1)土地利用数据由2006年ETM遥感影像解译得到，解译参照美国水土保持局SCS水文模型中CN值查算中的土地利用类型，将其划分为11类：工业用地、人工绿地、水体、农田、道路广场用地、自然村落用地、新式住宅、林地、建设角地、未利用地、混合用地。

(2)土壤类型图根据1：10万比例尺福州土壤图数字化得到。通过专家咨询法，将福州福州新区的土壤类型按照SCS水文模型中土壤类型分类标准(最小下渗率)将其归为A、B、c、D四类，其中，砂夹黄、菜园灰潮土、园林灰潮土归为A类；潮砂泥、挖垫灰潮土归为类；黄泥归为C类；盐化土和人工硬质表面归为D类。

(3)DEM数据为2O05年的地形等高线数据(等高距0．5 m)，以30 m×30 m的栅格精度构建DEM。

(4)城市建筑物分布图是利用2005年分辨率为1 m的航空遥感像片对中心城区建筑物形状进行目视解译，并依据遥感影像中建筑物阴影测算建筑物实际高度和层数。城市暴雨内涝灾害危险性分析是通过不同重现期暴雨内涝过程情景的模拟，获取暴雨内涝淹没范围和深度信息。目前，关于城市暴雨内涝灾害危险性分析的方法主要有：基于GIS的水文模型方法和暴雨内涝仿真模型法（如图2）。

基于以上理论，在近10年的降水量报告中，结果表明：5年一遇，全集中在0—0．2 m；20年一遇，全集中在0—0．2 m和0．2～0．6 m；50年一遇和100年一遇，主要集中于0．2～0．6 m，在此区间内淹没面积各占83．7％和70．8％；200年一遇和500年一遇，主要集中

在大于0．6 m的范围内，在此区间内福州市区的淹没面积各占60．1％和66．5％。

图2 福州主要内河系统6月水量

2 暴雨内涝淹没深度和范围的模拟

2．1 城市地形修正

城市地形修正最终目的是对城市地表裸露高程变化进行建筑物影响修正，生成与现实相近的城市地表高程模型_2 J。城市地表高程模型是暴雨内涝积水计算和模拟的基础，主要包括2个关键步骤：洼地预处理和城市地表建筑物影响修正。

(1)洼地预处理

以往的研究中，有的学者采用平滑DEM数据(滤波法)来消除洼地，此种方法只能消除浅而小的洼地，对于大而深的复杂洼地地形无能为力。本文采用Jenson和Domingue算法消除伪地形，较好地克服了上述方法的缺点，对嵌套型洼地、平地型洼地、DEM边界切断洼地和平地达到了很好地处理效果。

(2)城市地表建筑物影响修正以往的研究中，都是将DEM上出现建筑物的高程值加上一个大常数，即将建筑物当成是不可淹没的柱体以此修正城市地形，忽视了水体对建筑物内部的淹没。通过实地调查获知积水深度超过建筑物离地高度，即可对建筑物和室内财产造成一定程度的破坏，此外，还发现建筑物层数与其离地高度具有相关性，大致存在如下规律：1～4层平均离地高度约10 cm，5—9层约20 cm，9层以上约60 cm。在此调查基础上，采取经洼地预处理且上方出现建筑物的城市地形栅格单元值叠加建筑物离地高度值的方法修正原始地形以获得城市DEM。

基于GIS计算机技术，我们得出了福州市区主要道路网图（如图3）和福州市区主要内河图（如图4）。福州市区的路网主要以方格路网加环形放射路网。其中，以五一路和古田路组成的组成的十字路和二环快速路，三环快速路构成福州市路网的总体格局。

福州的内河主要以闽江和乌龙江为主。外加白马河和其他大大小小的几十条城市内河。