暴雨内涝危险性情景模拟方法研究_以上海中心城区为例_黄清雨

1 引言
城市是自然过程与社会经济过程密切相互作 用的复杂系统。在全球变化和快速城市化背景下， 城市地区发生大暴雨及次生洪涝灾害的概率不断 提高。城市暴雨灾害风险研究的核心是危险性模 拟。SWMM、Wallingford、MIKE 等是广泛使用的暴 雨内涝模拟模型，但这些模型所需参数较多，对参 数的输入要求很高[1]，建模效率偏低[2]。近年来，不 少学者利用 GIS 建立简化的城市暴雨洪涝模型[3-5]， 有效地提高了运算效率，但仍无法模拟雨涝动态过 程，且模拟精度也有待验证。在 GIS、LiDAR 等技 术的支持下，城市暴雨内涝模型集城市高精度地形 模型（DEM/DTM）、一维排水管网/河道水动力模型 和二维水平漫流水动力模型于一体，并获得了较为 理想的模拟结果，但模型计算量大，多用于小区域 暴雨洪涝模拟[6-7]。
本文使用 2006 年的数字高程模型（DEM）和土 地利用类型数据进行模拟计算，DEM 精度为 20 m× 20 m。在对上海中心城区地形开展实地调查基础 上，以研究区的数字高程模型为基础，结合土地利 用类型数据，根据 SCS 产流模型需要，划分成工业 用地、交通用地、公共设施用地、居住用地、绿地、农 业用地、水体和未利用地 8 种类型。
暴雨内涝危险性情景模拟方法研究
——以上海中心城区为例
黄清雨，董军刚，李梦雅，王 军*
1. 华东师范大学地理科学学院，上海 200241；2. 华东师范大学 地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241
Research on the Scenario Simulation Method of Rainstorm Waterlogging Hazard: A Case Study in the Central Urban Area of Shanghai HUANG Qingyu, DONG Jungang, LI Mengya and WANG Jun*
1. School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 2. Key Laboratory of Geographic Information Science of Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai 200241, China
第 18 卷 第 4 期 2016 年 4 月
Vol.18, No.4 Apr., 2016
引用格式：黄清雨,董军刚,李梦雅,等.暴雨内涝危险性情景模拟方法研究——以上海中心城区为例[J].地球信息科学学报,2016,18(4):506513. [ Huang Q Y, Dong J G, Li M Y, et al. 2016. Research on the scenario simulation method of rainstorm waterlogging hazard: a case study in the central urban area of Shanghai. Journal of Geo-information Science, 18(4):506-513. ] DOI:10.3724/SP.J.1047.2016.00506
E-mail: jwang@geo.ecnu.edu.cn
4期
黄清雨 等：暴雨内涝危险性情景模拟方法研究——以上海中心城区为例
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拟结果与精度进行了对比分析。结果表明：（1）局部等体积法计算简单，对降雨的时程分配较为敏感，峰前历时和雨强对结果 影响显著，较适合于雨型确定的城市暴雨内涝危险性快速模拟；水动力模型计算复杂，与整个降雨历时存在明显关系，模拟精 度较高。（2）利用台风“麦莎”带来强降雨导致的积水实测数据，对模拟结果进行对比和验证，表明本文建立的水动力模型法模 拟结果与实测降雨积水更为接近，更适合上海中心城区暴雨内涝危险性情景模拟。 关键词：暴雨内涝；危险性模拟；局部等体积法；水动力模型法；上海中心城区
针对当前城市暴雨内涝模拟方法研究的迫切 需要，本文以 GIS 与水文/水动力学方法相结合的思 想，使用修正后的 SCS 产流模型，分别结合局部等 体积法和水动力汇流模型，开发了城市暴雨内涝灾 害危险性模拟工具，模拟了 2006 年上海中心城区遭 遇百年一遇强降雨的内涝情况，结合危险性模拟结 果，对比分析了 2 种汇流模拟方法的适用情况及特
点，并利用台风“麦莎”带来的暴雨内涝实测积水数 据，对 2 种方法的精度进行了验证。本文所建立的 城市暴雨内涝危险性模拟方法，对开展城市暴雨内 涝危险性研究具有科学的指导意义。
2 研究区概况与数据源
本文以上海中心城区为研究区，以外环高速公 路为界。该区域总面积 667.1 km2，属于上海老城 区，地面高程一般在 3~3.5 m，地势低洼，受地面沉 降影响严重，加之排水设施老旧，是上海暴雨内涝 灾害频发区域。
Abstract: For the purpose of simulating rainstorm waterlogging scenarios in the urban areas that have specific terrain surface characteristics, a comprehensive methodology derived from the hydrology/hydrodynamic theory and the geographic information system (GIS) is proposed in this paper. Moreover, a modified SCS model is utilized for the runoff producing simulation, while a locality volume equation and a hydrodynamic model are used for runoff converging simulation. Taking the central urban area of Shanghai as an example, rainstorm scenarios with 100-year return period are designed for the simulation. Meanwhile, based on the same runoff producing process, the locality volume equation and hydrodynamic model are used to simulate the waterlogging course respectively. Thereafter, a comparison is made to reveal the distinction of accuracy among the results acquired from these diverse models. The results indicate that: (1) it is easier for the runoff converging calculation to use the locality volume equation, but the results are obviously influenced by the temporal distribution of the rainfall course, especially at the period before the peak, as well as by the intensity, thus this model is more feasible for fast waterlogging simulation if the rainfall pattern is determined in advance. As for the hydrodynamic model, the runoff converging calculation is more complicated, but shows a better performance and higher precision when being used for simulating a longer rainfall process. Furthermore, the results have a closer relationship with the rainfall duration. (2) Specifically, these two models are verified based on the inundation data measured during the typhoon“Matsa”. A comparison between the simulation results and the historical data predicts that, although more or less a deviation is inevitable, the hydrodynamic model performs better in fitting the characteristics of urban rainstorm waterlogging, thus basically it's found more suitable for simulating the waterlogging hazard in the central urban area of Shanghai. Key words: rainstorm waterlogging; hazard simulation; locality volume equation; hydrodynamic model; central urban area of Shanghai *Corresponding author: WANG Jun, E-mail: jwang@geo.ecnu.edu.cn
2005 年，台风“麦莎”引起的强降雨在上海普 陀、徐汇、长宁和虹口等区降雨量均超过 200 mm， 致使上海市区 238 条道路积水，深度达 20~30 cm[8]； 2006 年 7 月 8 日，上海遭遇强对流天气，浦东、崇明、 杨浦和虹口等区பைடு நூலகம்县）降雨量达 70~150 mm/h，大大 超过排水能力，导致 60 多条马路积水，1500 多户民 居进水[9]；2013 年 9 月 13 日，上海遭遇百年一遇特大 暴雨，导致浦东、黄浦、杨浦、长宁等中心城区 80 多 条道路短时积水 20~50 cm；2013 年 10 月 8 日，上海 受台风“菲特”影响，市内 11 个标准测站降水量平均 值达到 156 mm，为 1961 年以来全市平均单日降雨 量历史第 1 位。目前，虽然已有大量关于上海城市 暴雨内涝的研究[10-11]，但对危险性模拟采取方法的 精度与可靠性关注不够。
摘要：本文采用地理信息系统技术（GIS）与水文/水动力学相结合的方法，使用修正的 SCS 模型进行产流模拟，利用局部等体 积法和水动力模型进行汇流模拟，建立了基于情景的城市暴雨内涝危险性模拟工具，并对相同雨强情景下不同汇流模型的模
收稿日期：2015-07-28；修回日期：2015-08-18. 基金项目：国家自然科学基金项目(71373084)；上海市科委基础研究重点项目(15DZ1207805)。 作者简介：黄清雨(1991-)，男，山东人，硕士生，主要从事灾害应急疏散方法研究。E-mail: luckkevin@126.com *通讯作者：王 军(1975-)，男，陕西人，博士，教授，博士生导师，主要从事城市自然地理与灾害风险研究。