柴苑苑，何艷虎，劉嘉儀

(1. 廣東工業(yè)大學環(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

當前快速城市化進程在使得人口、經(jīng)濟規(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，最終導致城市內(nèi)澇災害愈演愈烈[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。城市洪澇災害風險評估是城市規(guī)劃與管理的重要內(nèi)容，合理的洪澇災害風險評估能夠為城市洪澇災害預警和防災減災工作提供科學依據(jù)，迫切而重要?，F(xiàn)有研究主要集中于與GIS空間分析技術(shù)相結(jié)合的洪澇災害風險評估的方法構(gòu)建[5-13]、災害風險區(qū)劃[14]及與洪澇災害影響因素的關(guān)聯(lián)性分析[15,16]等，取得了良好的洪澇災害風險評估與區(qū)劃結(jié)果。鏈式結(jié)構(gòu)能較好地表征風險事件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，揭示各類風險事件間存在的關(guān)聯(lián)機理，已被證實在對某幾項風險較為關(guān)注的情況下的工程風險評估中能得到更加真實全面的結(jié)果[17]，而其在城市洪澇災害風險評估中的應用尚缺乏相應研究，相關(guān)研究對合理綜合評估城市洪澇災害具有重要意義。

深圳市是我國改革開放的前沿和人口密度最高、經(jīng)濟最發(fā)達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、暴雨等極端氣候事件頻發(fā)，城市洪澇風險日益增大。其西部沿海區(qū)域受海岸山脈地貌帶影響，易遭受臺風、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)生超標準洪水，造成河道護岸坍塌、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，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)工程未達到現(xiàn)行標準及要求等，加重了洪澇災害。本文從致災因子、孕災環(huán)境和承災體三方面選取若干指標，通過構(gòu)建基于鏈式結(jié)構(gòu)的城市洪澇綜合風險評估模型，對不同級別極端降雨下的深圳市洪澇綜合風險進行評估，研究一方面將豐富我國城市洪澇綜合風險評估方法，完善城市“三防”指揮系統(tǒng)的預報預警方案，為應對氣候變化和快速城市化過程中的城市洪澇災害風險提供有力的技術(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)澇形勢嚴峻。

2 研究方法

2.1 鏈式風險結(jié)構(gòu)

對于鏈式風險，一般有以下3種基本結(jié)構(gòu)：串行結(jié)構(gòu)風險，并行結(jié)構(gòu)風險，扇形結(jié)構(gòu)風險，各種結(jié)構(gòu)示意圖如1所示。

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

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

(1)

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

y=f(x1,x2,…,xn)=max[R(xi)]

(2)

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

(3)

2.2 指標體系構(gòu)建

對于深圳市的洪澇風險評估，本文考慮的主要致災因子為極端降雨，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；孕災環(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)；承災體選擇人口密度(PD)和GDP密度(GDP)作為指標。

致災因子：三級極端降雨閾值的24 h降雨量(ER)和平均降雨集中度(PC)兩個指標作為致災因子，是導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)這七個指標作為孕災環(huán)境因子，即在致災因子驅(qū)動下，這些指標為致災因子提供了一個內(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，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，越不容易受河道洪水影響。

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

承災體：選擇人口密度(PD)和GDP密度(GDP)作為承災體因子，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致的洪澇風險，構(gòu)建鏈式風險結(jié)構(gòu)如圖3所示。鏈式風險結(jié)構(gòu)圖中，致災因子、孕災環(huán)境和承災體之間為串行結(jié)構(gòu)風險。而各指標與對應的三大因子之間為扇形結(jié)構(gòu)風險，且由于各個指標的貢獻程度不一樣，需要對各個指標進行賦權(quán)重后且乘以該指標才能把風險累加到上一級因子中。對于指標權(quán)重，由于不同級別極端降雨的預警預報的側(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 基于鏈式結(jié)構(gòu)的城市洪澇綜合風險評估流程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險。綜合風險計算公式如下：

(5)

式中：m為對應因子的指標個數(shù)；wj為各指標對應的權(quán)重；Vj為該指標的標準化數(shù)值。

對于標準化的Vj，可由以下公式計算：

(6)

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

3 深圳市洪澇綜合風險評估

3.1 洪澇風險指標空間分布

由圖3可知，深圳市洪澇綜合風險負指標中，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)。洪澇綜合風險正指標中，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)，深圳市的致災因子和承災體因子低值區(qū)集中于東南部，且這一區(qū)域也是孕災環(huán)境因子PW、RI的低值集中區(qū)。

圖3 風險指標空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of risk indicators

3.2 洪澇綜合風險評估

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權(quán)重不同，各風險圖呈現(xiàn)較大的差異。風險圖4(a)表明，高風險區(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)澇風險，這些高風險區(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)洪澇綜合風險圖綜合考慮了深圳市的內(nèi)澇和洪水風險，即既考慮內(nèi)澇風險，也考慮了水庫、堤防潰決可能性因素，因而高風險范圍較廣。不難發(fā)現(xiàn)，隨著極端降雨級別的增加，其余孕災環(huán)境和承載體因子不變的情況下，深圳市洪澇的高風險區(qū)在逐漸擴大，反映了極端降雨對城市洪澇災害的重要影響。

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

圖4(a)～(c)表明低風險區(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風險指標空間分布可知(圖2)，這兩個地區(qū)為DEM、NC、DR和SL的高值區(qū)，而這些指標為洪澇綜合風險的負指標，其值越高，則洪澇綜合風險越??；同樣地，這兩個地區(qū)也是洪澇綜合風險正指標POP、GDP、PW和RI的低值集中區(qū)，其值越低，代表的承災體和孕災環(huán)境因子的影響越弱，則洪澇綜合風險越小，形成洪澇綜合風險的低值區(qū)。綜合對比深圳市洪澇風險指標空間分布圖和洪澇綜合風險評估結(jié)果圖，印證了本文基于鏈式結(jié)構(gòu)的城市洪澇綜合風險評估的有效性與合理性。

通過不同級別極端降雨導致的洪澇綜合風險圖識別城市洪澇綜合風險的危險和較危險區(qū)域，可為極端降雨的應急預案提供參考(如為位于高風險區(qū)且設計標準較低的水庫或堤防完善應急預案)，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害威脅，給人民生命財產(chǎn)造成嚴重損失。為應對氣候變化和快速城市化過程中的城市洪澇災害風險，本研究采用基于鏈式結(jié)構(gòu)的城市洪澇綜合風險評估模型對不同級別極端降雨下的深圳市洪澇綜合風險進行評估，主要得出以下幾條結(jié)論：

(1)深圳市洪澇綜合風險高值區(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險低值區(qū)。

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

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