基于道路交通的石家庄市强降水内涝风险评估

魏 军，陈笑娟，胡会芳，张 静，李 婷

（河北省气象灾害防御中心，石家庄 050021）

近年来，随着城市化发展进程的不断加快，城市“看海”的现象频繁发生，城市内涝问题已引起政府及公众的广泛关注。城市内涝灾害不仅会造成交通瘫痪、设施损坏、人员伤亡等直接影响，而且产生的后续叠加效应和隐形的社会影响无以复加［1］。如何有效地开展城市内涝综合防治工作已成为中国大多数城市建设所亟需解决的问题，而利用暴雨数学模型开展城市内涝风险评估，可较为直观地反映内涝风险的空间分布特征，是指导城市管理部门科学开展城市规划、内涝防治以及减少内涝灾害损失的有效途径［2］，因此开展城市内涝灾害风险评估工作具有十分重要的现实意义。

当前，国内外学者针对城市内涝灾害风险评估的研究较多，总体来讲其评估方法主要以历史灾情数理统计法、指标体系法和情景模拟法3 类方法为主［3，4］。历史灾情数理统计法主要是利用数理统计的方法对已有历史灾情如经济损失、人口伤亡及受灾面积等数据信息进行分析和提炼，总结其发展规律，以期达到预估未来灾害风险大小的目的。Benito 等［5］根据过去 1 000 年的历史灾害数据，结合统计学、历史学等多学科方法，提出了基于长时间序列历史洪灾资料的洪涝风险评估方法。秦年秀等［6］选取历史时期10 次洪水数据，基于GIS 软件的空间分析和叠加功能，开展长江中下游地区的洪水灾害危险性评价。指标体系法侧重于灾害风险指标的选择、优化以及各指标权重的计算，最终得到区域灾害风险的过程。Kaźmierczak 等［7］选取 26 个已知受洪涝灾害直接或间接影响的评价指标，基于风险评估的三要素理论，对英国曼彻斯特市洪水淹没风险及空间分布进行了评估。王成坤等［8］将积水深度和积水时间数据和城市人口密度分布数据进行耦合计算，完成对东莞中心城区的内涝风险综合评价。情景模拟法主要是基于GIS 技术，通过构建水动力学暴雨内涝模型，模拟不同降雨情景产生汇流过程，同时结合相关承载体进行风险建模，实现风险的可视化表达。孙阿丽等［9］基于情景模拟，借助GIS 空间分析和模型构建，完成对上海黄浦区旧式房屋、主要街道的内涝危险性评估。邓金运等［10］采用数值模拟技术，完成武汉市不同降雨情景下不同土地利用类型的内涝风险及损失评估。谢五三等［11］基于二维非恒定流水动力模型模拟不同情景下淹没水深图谱，耦合精细化的承载体信息和脆弱性曲线，完成合肥市城市内涝风险评估。总结前人的研究发现，历史灾情统计法和指标体系法思路清晰，方法简单且常用，但由于长时间尺度的历史内涝灾情数据较难获取，且评价指标的选取和权重赋值具有较大的人为主观性，因此此类方法具有一定的局限性。而通过仿真建模手段和GIS 技术相结合的情景模拟法，可灵活模拟灾害发展的演化过程，具有直观性强、准确度高、适用性好的特点。

石家庄市作为河北省省会城市，近年来由于城市化进程不断加快，不透水面积增加，雨水渗透减少，再加上城市排水管网系统设计标准偏低，每年受到内涝灾害影响较为严重，可谓“逢雨必涝，遇涝则瘫”，给人民群众生产生活及生命财产造成了危害。根据城市内涝灾害发生的特点，道路交通是受其影响最为直接的承灾体，因此本研究将以道路交通的车流和车速来表征内涝灾害承灾体脆弱性，通过内涝模型构建不同降雨情景模拟和风险评估方法，开展石家庄市城市内涝对道路交通的风险评估工作，以期为城市气象防灾减灾提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

石家庄市地处中纬欧亚大陆东岸，属暖温带半湿润季风性气候，西部依靠太行山区，东部是滹沱河冲积平原，区域地势呈西高东低分布，受地理位置和地理环境的影响，全年降水分布不均，年平均降水量为401.1～752.0 mm，其中，短时强降水主要集中在7、8 月。由于市域西部山区地势较高，东部平原区域地势平坦，当降水随河流由山区进入平原，流势由急变缓，往往导致河水宣泄不畅，增加市中心城区防洪排涝压力，容易造成城市内涝灾害。

内涝建模区域范围的西部、南部和东部以石家庄市主城区三环路为界，北部以古城路为界，总面积约为320 km2。境内主要道路包括京广铁路、石德铁路、石太铁路、107 国道、307 国道、石太高速、石黄高速等，主要明渠河道有民心河、环城水系、石津干渠、南水北调工程水系等（图1）。

图1 研究区主要道路和水系分布现状

1.2 资料来源

研究资料包括石家庄中心城区基础地理信息、排水工程设施信息、河道地形信息和城区主要干道交通的车流、车速数据等。其中，用于内涝数学模型构建所需的基础地理信息数据来源于石家庄市地理信息局，主要包括2017 年石家庄市1∶1 000 的土地利用分类、行政区划和地形高程点等信息；排水工程设施信息和河道地形信息主要由石家庄市城乡规划设计研究院及市政部门提供，包括现状排水管网管径、泵站排水能力等信息。城市道路交通车流、车速数据则是由石家庄市公安局交通管理局提供的2017 年交通观测数据。

1.3 研究方法

1.3.1 内涝模型计算方法 采用的城市内涝数学模型主要以城区地表与明渠河道的水流运动为模拟对象，根据城市下垫面的地形地貌特征，采用无结构不规则网格进行计算域模型概化。同时运用有限体积法的思想，将气象降水数据作为模型的降水初值和边界条件，以平面二维非恒定流的基本控制方程为骨架，地下排水管网内的水流采用一维非恒定流方程来计算，地下排水管网与地面的水量交换用连续方程的源汇项控制，而针对小于离散网格尺度的二级河道或排水渠涌，在二维模型中结合了一维明渠非恒定流方程的算法，对漫堤等采用宽顶溢流公式计算水流［12］。其基本控制方程如下：

①二维非恒定流基本方程公式为：

动量方程公式为：

式（1）至式（3）中，H为水深；Z为水位，Z=Z0+H，Z0为底高程；M、N分别为x、y方向上的单宽流量，且M=Hu，N=Hv；q为源汇项，包括有效降雨量和排水强度 2 项；u和v分别为流速在x、y方向上的分量；g为重力加速度；n为糙率。

②一维非恒定流基本控制方程为：

式（4）中，A为计算断面的过水面积；Q为截面流量；Sf为摩阻坡降，由曼宁公式可得：

③宽顶堰溢流公式：

式（5）至式（6）中，Qj为堰顶单宽流量；Hj为堰顶上游水位；m为宽顶堰溢流系数；σs为淹没系数。

1.3.2 情景模拟雨量计算与选取 根据《石家庄市城区暴雨强度公式技术报告（2013 年修订）》，道路内涝模拟雨量将通过石家庄市暴雨强度公式及转换公式计算得出，具体公式如下：

式（7）至式（9）中，q为设计暴雨强度［L∕（s·hm2）］；P为重现期（年）；t为降雨历时（min）；i为暴雨强度（mm∕min）；H为单位时间平均降雨深度（mm）。

根据《室外排水设计规范（2014 版）》（GB50014—2006）规定［13］，石家庄市作为省会城市，中心城区雨水管渠设计重现期应为2～5 年，内涝防治设计重现期为30～50 年。同时考虑夏季强降水发生特点和石家庄市气象部门开展城市内涝服务需求，在城市内涝淹没模拟时，降水历时选取1 h，重现期选取2、5、10、30、50、100 年一遇降水量，开展石家庄市道路积涝风险评估。

1.3.3 道路风险评估 石家庄市城市道路交通风险评估采用风险度的计算方法，其表达式如下：

式中，R（t）为t年一遇的风险；H（t）为t年一遇的内涝致灾因子强度，主要包括积水深度和积水面积；V为承灾体的脆弱性，主要包括道路的平均车流和平均车速。

在计算时，首先利用归一化法对各指标进行归一化处理，消除各指标之间的量纲和量级差异；运用层次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）来确定各项指标体系权重系数，其主要步骤包括构建判断矩阵、重要性计算排序和一致性检验；根据统计学自然断点分级法（Natural breaks）评价道路交通的内涝风险状况，根据得分将城区主要道路交通内涝风险划分为高、中、低3 个级别。

2 结果与分析

2.1 不同情景下城市道路淹没情况

基于城市内涝模型构建原理和计算方法，利用石家庄市高精度城市地理信息、高程信息、排水工程设施、河道地形等基础数据，建立了石家庄市强降水内涝数学模型，其中，道路型网格3 169 个。模型的构建步骤及效果检验情况参考文献［14］。

将计算得到的石家庄市降水历时1 h 的2、5、10、30、50、100 年一遇降水量（表1）作为降水边界条件代入石家庄市强降水内涝数学模型进行模拟计算，基于ArcGIS 软件平台，得到不同情景下石家庄市道路积涝的淹没情况分布，如图2 所示。

由图2 可以看出，蓝色部分的深浅表示不同的积水深度。不同重现期小时降水强度下的城市道路积涝状况存在显著差异。针对石家庄市城区防汛指挥部发布的城区防汛应急预案，将道路积水超过30 cm 作为影响交通通行的阈值指标，因此，通过统计不同重现期降水强度下道路积水网格数量和水深超过30 cm 的积水网格数量（图3）可以发现，随着小时降雨量的增加，城市道路积水面积和积水深度呈现出明显增加的趋势，积水面积增幅逐渐放缓，但积水深度增幅逐渐变大。在2 年一遇的降水强度下，城区虽然25.8%的道路有积水，但积水深度超30 cm的仅为1.2%，积水区域主要为城市道路中少数低洼地段，全区平均积水深度为8.6 cm，对城市交通影响较小；而在100 年一遇的降水强度下，主要道路、地道桥及周边均积水严重，积水网格数量超过70%，单元网格内部积水明显增加，其中，城区1∕2 以上的道路积水超30 cm，城市交通基本瘫痪，全区平均积水深度为56.3 cm。

表1 石家庄市不同重现期小时降水量 （单位：mm）

图2 不同降雨强度下石家庄市城市道路积涝模拟

2.2 道路交通情况

石家庄市道路按照功能体系划分为快速路、主干道、次干道和支路，城区道路系统为方格网加环形放射的布局形式。通过2017 年7 月7—12 日分别在石家庄市城区友谊北大街、建设北大街、体育南大街和裕华东路4 条主干道采集的不同时段车流量与车速数据，统计了不同时段城区主干道的平均车流量和平均车速信息，结果如图4 所示。通过统计结果发现，在不同的时间段内，采集道路的平均交通流特性具有较大差异。在一天当中，4 条主干道平均车速变化呈低谷-高峰-低谷的变化规律，而平均车流量的变化则与之基本相反，呈现高峰-低谷-高峰的特征，在 8：00—10：00 和 16：00—19：00 各有 1 个高峰时段。这2 个高峰时段内分别对应上下班时间，若强降水内涝发生在该时段内，势必造成严重的影响。同时考虑到夏季强降水多出现在午后时段［15］，选取18：00—19：00 作为研究对象，评估强降水内涝对道路交通的影响。

此外，需要说明的是，由于目前项目组只获取了2017 年城区12 条主干道和2 条次干道的道路车流、车速数据，具体信息如表2 所示，因此本研究只对该14 条道路进行积涝风险评估。

图 4 2017 年 7 月 7—12 日采集道路的逐时平均车流和平均车速变化

表 2 2017 年石家庄市主、次干道 18：00—19：00平均车流、车速统计

2.3 道路交通内涝风险评估

采用风险度的计算方法确定道路交通的城市内涝风险，运用层次分析法（AHP）来确定各指标权重系数，通过建立层次结构模型、构造判断矩阵和一致性检验，最终由AHP 软件计算得出致灾因子中积水深度、积水面积的权重分别为0.6 和0.4，承灾体中车流、车速的权重分别为0.68 和0.32。

利用归一化法对各指标进行归一化处理，将归一化的各项指标代入式（10）进行计算，根据GIS 中的自然断点法分级处理，将内涝灾害风险等级划分成3 个等级，即低风险区（0～0.48）、中风险区（0.48～0.58）和高风险区（＞0.58），最终得到石家庄道路交通在不同情景下内涝灾害风险区划（图5）。

通过统计不同重现期降水强度下积涝风险网格数（图6），同时结合图5 可以看出研究区在不同重现期小时降水强度下道路交通的内涝灾害风险规律。从空间分布来看，谈固大街、中华大街、和平路和裕华路的部分路段风险相对较高，风险较低路段主要有翟营大街、友谊大街、城角街、中山路、自强路等；从降水强度来看，随着重现期增大，无风险区面积逐渐缩小，低风险区网格数在小时雨强小于30 年一遇时随降水强度变大而逐渐增多，超过30 年一遇雨强后低风险区网格数逐渐减少，而中高风险区域的网格数随雨强变大而不断增多。

在2 年一遇情景中，整个研究区的风险绝大多数为低风险，除个别路段为中风险外，大部分路段都处于无风险状态；在5 年一遇情景中，中山路、槐安路和城角街等路段低中风险区域开始增多，谈固大街与和平路周边开始出现高风险区；在10 年一遇情景中，和平路、谈固大街的大部分路段已经达到了中风险；在30 年一遇情景中，内涝风险区域继续扩大，谈固大街、和平路、裕华路的高风险区出现不同程度的增多；在50 年一遇情景中，内涝风险区持续增多，中华大街与裕华路交口、槐安路与东二环交口开始出现高风险；在100 年一遇情景中，中高风险区显著增多，除建设大街、翟营大街、城角街、中山路、自强路风险值较低外，其他路段的大部分区域都处于中高风险。

3 小结与讨论

1）通过选取 2、5、10、30、50、100 年一遇小时降水进行石家庄市道路积涝水深模拟，结果表明，随着小时降水量的增加，城市道路积水面积和积水深度呈现出显著增加的趋势，积水面积增幅逐渐放缓，但积水深度增幅逐渐变大。

2）石家庄市在2 年一遇的降水强度下，城区虽然25.8%的道路有积水，但积水深度超30 cm 的仅为1.2%，积水区域主要为城市道路中少数低洼地段，全区平均积水深度为8.6 cm，对城市交通影响较小；而在100 年一遇的降水强度下，主要道路、地道桥及周边均积水严重，积水网格数量超过70%，单元网格内部积水明显增加，其中，城区1∕2 以上的道路积水超30 cm，城市交通基本瘫痪，全区平均积水深度为56.3 cm。

图5 2017 年18：00—19：00 不同降雨强度下石家庄市道路交通内涝灾害风险

图6 不同重现期降雨强度下积涝风险网格数统计

3）选取 18：00—19：00 时段的14 条主、次干道平均车流和平均车速信息来表征内涝灾害的承载体脆弱性，开展强降水内涝灾害对道路交通的风险评估。结果显示，从空间分布来看，风险相对较高路段主要有谈固大街、中华大街、和平路和裕华路的部分路段，风险较低路段主要有翟营大街、友谊大街、城角街、中山路、自强路等；从降水强度来看，随着重现期增大，无风险区面积逐渐缩小，低风险区网格数在小时雨强小于30 年一遇时随雨强变大而逐渐增多，大于30 年一遇雨强后低风险区网格数逐渐减少，而中高风险区域的网格数随雨强变大而不断增多。

4）根据城市强降水积涝发生机制，构建城市道路强降水积涝模型，同时结合风险评估理论，剖析城市内涝对城市道路交通造成的影响，探索性开展城市内涝风险评估，为城市内涝风险评估业务提供参考依据。但由于城市内涝灾害的形成机理较为复杂，影响因素众多，如不同情景下内涝模拟时计算步长内的雨量采用平均分配，而未对雨强进行分型处理；内涝模型对城市排水系统的概化是基于其理想工作状态，而在实际运作中受人为因素影响很大，多数情况下工作状态无法满足模型设定条件，如泵站、闸门等排水设施是否及时开启关闭、下水道口被垃圾堵塞、管网老化及管道内淤泥沉积等都会造成排水不畅，这些都会影响内涝风险评估的成效。