我國城市內澇風險圖編制方法探索

洪水類型有河流洪水（River Floods）、沿海洪水（Coastal Floods）、山洪（Flash Floods）、城市洪水（Urban Floods）等，各類洪水的形成機理和特點不一樣。城市洪水定義為：由強降雨、颶風、河流洪水、基礎設施失效等原因造成排水系統不堪負荷，進而導致在城市地面產生積水災害的現象。我國《城市內澇防治技術規范》（GB 51222-2017）和《室外排水設計標準》（GB 50014-2021）均給出了城市內澇的定義，與城市洪水的內涵一致。

美國的國家洪水保險計劃(NFIP)是由1968年的國家洪水保險法(NFIA)創建，由聯邦應急管理局（FEMA）負責管理實施。NFIP包含洪水保險、洪泛區管理和洪水保險稅率地圖（Flood Insurance Rate Map, FIRM）三個部分。FIRM是美國洪水保險計劃組成的重要支撐。在NFIP框架下，FIRM繪制的重點是河流洪水和沿海洪水，而對城市內澇的重視程度明顯較低。

城市內澇問題已成為制約我國城市發展的瓶頸。2021年7月20日河南罕見暴雨中，僅鄭州死亡失蹤人數就達到380人，直接經濟損失409億。2021年04月發布的《國務院辦公廳關于加強城市內澇治理的實施意見》（國辦發〔2021〕11號），要求城市編制內澇風險圖，探索劃定洪澇風險控制線和災害風險區；到2035年，各城市總體消除防治標準內降雨條件下的城市內澇現象。截至目前，我國內澇風險圖的編制水平仍有待加強。

NFIP在發展中不斷完善（見圖1），形成了較為完善的體系，目前應用的洪水地圖主要有洪水保險稅率地圖和洪水風險地圖（Flood Risk Map）。

圖1 國家洪水保險計劃發展歷程

2.1 洪水保險稅率地圖（FIRM）

FEMA是繪制FIRM的主要機構，面向公眾公開FIRM，供NFIP參與者使用。FIRM為洪泛區管理、洪水保險評級和確定洪水保險費率提供依據和參考。美國自20世紀80年代開始制作使用紙質版的洪水地圖，當時被稱為洪水災害邊界地圖（Flood Hazard Boundary Map, FHBM）。自2004年以來，FEMA啟動了FIRM電子化，以應對定期更新和修訂的需求。FEMA創建了地圖服務中心，供查看、打印或購買關注區域的FIRM。大部分FIRM編制應用了美國陸軍工程兵團水文工程中心的HEC-HMS（水文模型）和HEC-RAS（水力模型），HEC-HMS用于模擬流域系統的降水-徑流過程，HEC-RAS用于計算河道的過水剖面信息。

FIRM主要顯示100年重現期洪水淹沒范圍（Special Flood Hazard Area, SFHA）和基準洪水高程(Base Flood Elevation, BFE)。公眾可通過地址查詢獲取每個定位點的洪水風險等級，并以此為根據選擇相應的洪水保險產品（見圖2）。FIRM上的SFHA稱為高風險區，該區域每年有1%或更高的概率受到洪水影響，以字母“A”或“V”開頭。中低風險區，即非特殊洪水災害區(NSFHA)，以字母“X”、“B”或“C”開頭。還有一些洪水危險未確定的區域，標記為D區。

圖2 美國某區域的洪水保險稅率地圖（來源：FEMA官網）

2.2 洪水風險地圖（FRM）

2009年FEMA開始進行風險測繪、評估和規劃(Risk MAP)，以提高社區洪水風險識別。Risk MAP由FEMA和地方聯合實施，提供高質量的數據，并可降低生命和財產風險，同時補充、完善FIRM的相關數據信息。RISK MAP項目成果包括：洪水風險圖(FRM，見圖3)、洪水風險報告(FRR)、洪水風險數據庫(FRD)。相比于FIRM，FRM增加了洪水損傷評估，其應用不受法定正當程序要求的約束，但是使用受到FEMA審查。FRM表達區域內的洪水風險，包含FIRM使用以來的風險變化、洪水深度和分析網格、洪水風險等級劃分、洪水風險評估數據等信息。FRD采用地理信息系統(GIS)格式，存儲洪水風險分析過程中的洪水風險數據，這些數據具備良好的可視化。

圖3 美國某區域洪水風險圖（來源：FEMA官網）

2.3 洪水地圖的啟示

美國的洪水地圖和我國城市內澇風險圖雖然側重點不同，但都是為評估洪澇風險而制定的工具，它們之間存在聯系。盡管美國洪水地圖存在一些不足，如洪水風險表達弱、地圖覆蓋度低、洪水類型不全、地圖更新不及時等，但這些不足已被認識并正積極修正。洪水地圖經過50多年的發展，在評估方法、模型選用、風險評估、標準建立和成果管理等方面積累了寶貴的經驗，這些經驗可以為我國城市內澇風險圖的編制提供一定的借鑒。

目前我國對內澇風險的評估主要參考《室外排水設計標準》(GB 50014)規定的地面積水設計標準，采用積水深度、積水時間、淹沒范圍等指標進行評估。例如，北京在2022年7月發布了內澇風險分布圖，根據不同積水深度將區域劃分為四級風險，分別以藍、黃、橙、紅四色表示。然而，目前我國尚未建立利用內澇風險評估系統指導風險圖編制的體系。現有編制的內澇風險圖仍存在以下問題：①內澇風險評估對象不明確，目前主要評估交通安全和建筑物底層進水風險，但內澇造成的損失主要集中在人、車輛和建筑物等方面；②內澇致災因子選取不全面：僅考慮積水深度、積水時間、淹沒范圍，而忽略流速（或流速×水深）的影響；③基礎數據不精準：使用的地形數據不夠精細，無法表征實際的地表構成；④風險等級劃分不明確：致災因子與受災對象之間的脆弱性關系缺乏本地化研究；⑤模擬過程不符合實際：現有的排水模型模擬過程與真實的水文水力過程差異較大。

3.1 內澇風險的定義

根據洪水風險定義，內澇風險指：內澇事件發生的概率和對應的受災對象（包括人和財產等）潛在不利后果的組合。風險評估是內澇風險圖編制的前提，應包括致災因子、暴露度和脆弱性等關鍵要素，并需重點關注受災對象的暴露度和脆弱性之間的關系（見圖4）。值得注意的是，若受災對象不在致災因子的影響范圍內，即使其脆弱性很高，其風險也可能很低。內澇風險（R）可按式（1）和式（2）計算：

式中 C——潛在的不利后果，與受災對象暴露度和脆弱性有關，可用財產和人表征量化損失（如水深—建筑物損失曲線等）；

P——危害過程發生的概率；

E——暴露度；

V——脆弱性。

圖4 內澇風險各要素關系

3.2 編制內澇風險圖意義

編制內澇風險圖具有多重意義和作用：①提高城市居民對內澇風險認知，有助于制定適當的預防措施，在一定程度上降低內澇風險對城市的影響；②幫助管理者在極端降雨來臨前做出有效的決策，以保護生命財產安全；③指導內澇風險管理、土地利用規劃和應急管理等部門制定針對性有效的相關政策，從而更好地應對內澇風險的挑戰。

3.3 城市內澇評估方法

內澇風險圖編制進程也是風險評估的過程。由于風險評估目的、數據可得性等方面差異，衍生了不同的評估方法，包括歷史災情數理統計法、指標體系法和情景模擬法，前兩種方法在內澇風險評估中具有明顯的局限性。而情景模擬法則基于成熟的水文水力學模型構建，模擬不同降雨情景下的地表徑流過程，得到水深、流速等致災因子，然后依據模擬結果和風險分級標準劃分內澇風險區域。隨著計算機技術的不斷發展，情景模擬法已成為研究城市內澇風險評估的主要方法。

3.4 情景模擬的1維（1D）-2維（2D）耦合方法

與河流洪水模擬不同，城市內澇模擬要考慮地下排水管網的排水能力。排水管網是城市排水系統中的重要組成部分，它作為雨水徑流的運輸和儲存單元，在降雨期間重新分配地表徑流，對內澇風險評估結果的影響非常大。忽略管網會導致對地表水深、流速、淹沒范圍和持續時間等因素的錯誤模擬。為準確反映城市區域的水文水力特性，城市內澇模型需考慮排水管網設施對徑流路徑和水流特性的影響，尤其是排水管網進水節點與地表間的流量耦合關系。目前，在城市排水系統建模中廣泛使用了基于不同理論的一二維耦合方法。

3.4.1 地表直接降雨法

此方法將降雨直接應用于模擬區域內的每個網格單元來模擬降雨-徑流過程（見圖5a）。在此方法中，管網流量會被轉換為有效降水或徑流的損失量，以替代1D模擬過程。有兩種方法替代1D模擬過程：一種是在輸入降雨條件時扣除管網排水流量，另一種是將管網排水流量附加至土壤入滲項中。國內目前正在嘗試使用HEC-RAS軟件進行城市區域的精細化地表二維建模，并初步取得了較好的結果。

圖5 不同耦合方法

3.4.2 1D向2D耦合法

此方法假定所有劃定的集水區產生的徑流（通過水文計算）首先進入管網，超過其排水能力的流量通過模型接口（檢查井或雨水口）溢出，在地表排放（水動力徑流計算）并可通過模型接口回流到網絡（見圖5b）。在此方法中，1D管道的溢出水量作為2D地表漫流的輸入邊界條件，來模擬地表上的徑流過程。我國目前常用此方法進行內澇研究，比較有代表性的軟件有Infoworks ICM等。此方法模擬結果一般呈現交織的“帶狀”形態（見圖6），這是因為地表積水主要來自市政道路上管網的溢流，而真實情況應該是所有排水不暢區域都可能積水。

圖6 Infoworks ICM模擬結果（“帶狀”形態）

3.4.3 2D向1D耦合法

此方法采用直接降雨的方式模擬地表徑流，通過模型接口將地表徑流導入地下排水管網，即所有排水管網的進水均來源于地表漫流模型的輸出。在水力過載的情況下，地下管網再次將溢流的水流導回地表（見圖5c）。TUFLOW是一款可以耦合1D和2D水文模型的軟件，它的流量交換方法是動態的，取決于1D/2D連接位置的流量條件和地形坡度。目前該方法在國外得到廣泛應用（見圖7），也是我國城市內澇模擬的重點研究方向。

圖7 TUFLOW模擬結果形態

3.4.4 全面耦合

此方法將排水管網和地表模型結合使用，共同計算模擬區徑流量（見圖5d）。與管網進水口直接相連的集水區（屋頂、道路等）的徑流進入管網，而其它區域的徑流則通過地表排水處理，兩種徑流可通過模型接口進行雙向交換。盡管該方法最接近實際情況，但在實際應用中仍處于初級階段，是內澇風險模擬亟待突破的方向。

綜合比較結果表明，不同的耦合方法對于內澇情景模擬的結果具有重大影響（見表1）。因此，在進行內澇風險模擬時，應綜合考慮城市的實際情況和需求，并結合現有的數據基礎，選擇適宜的耦合方法。

表1 各種耦合方法對比

3.5 數字高程模型精度選擇

地形數據分辨率被廣泛認為是影響水動力模擬結果可靠性的最重要因素。數字高程模型（DEM）是數字地形模型（DTM）和數字表面模型（DSM）統稱，是生成內澇風險圖的基礎數據，其分辨率對整個模擬結果的準確性至關重要（見圖8）。

圖8 1 m網格（左）和10 m（右）網格的模擬結果對比

然而，美國地質調查局(USGS)國家海拔數據集作為FEMA制作洪水圖的主要數據來源，其數據精度僅有20~30m空間分辨率，這已無法滿足FEMA的現代化洪水地圖需求（需要2~3m精度）。城市區域的下墊面比自然流域更加復雜。為了更好的模擬地表徑流過程，城市區域內澇風險模擬所使用的高程數據精度比流域洪水風險模擬的更高。在獲取地形數據后，需要對城市區域的涵洞、地下通道、道路路緣石、溝渠等水力構筑物高程進行處理和校正（見圖9），這是整個城市內澇風險建模的重要內容。不同分辨率的地形數據刻畫的建筑物輪廓與實際建筑物輪廓對比的結果（見圖10）表明：分辨率值大于1m的地形數據無法準確刻畫出建筑物的實際輪廓。

圖9 DEM地形校正

圖10 不同分辨率的地形數據與建筑物輪廓的契合度

一般認為精度高于1m地形數據才能較好刻畫出排水路徑和水力設施的確切位置和形狀。建議在城市內澇風險圖制作時，使用精度高于1m的DEM。隨著計算機科學的發展，高精度的城市地形數據已經更加容易獲取，精細的水力動力模擬也越來越經濟。

3.6 降雨重現期的選取

在FEMA洪水地圖和一些學者的研究中，主要考慮100年一遇的洪水頻率。目前國內城市內澇風險研究也開始關注100年降雨重現期，但是單一重現期的選擇減弱了風險地圖的應用性。降雨重現期與內澇發生的概率有關，但重現期選擇的標準仍然是隨意的。重現期的選擇應考慮水文水力過程和社會對該過程的響應。我國《室外排水設計標準》根據城市類型和人口規模劃定了不同的內澇防治設計重現期（20~100年一遇），因此國內的許多內澇風險圖僅考慮內澇防治設計重現期的風險情景。建議在設計降雨情景時，結合各城市發展現狀，綜合考慮內澇防治設計重現期（20~100年）、小概率降雨（100年和200年）和極端降雨（500年及以上）多個情景，以更全面地評估城市內澇風險。

3.7 致災因子的選取

在國內，內澇風險評估大多以水深和積水時間作為劃分內澇風險區的標準，這是由于缺乏致災因子與受災對象之間的脆弱性機理研究，導致無法合理評估內澇風險。內澇風險程度的影響因素主要包括流速、深度、流速和水深的組合。在發生內澇時，不僅水深會對受災對象造成破壞，水流的沖擊力也會導致人、車輛、建筑物等對象發生不穩定現象。研究表明，考慮水深和流速的致災因子的內澇風險評估是十分必要的。建議結合城市發展現狀，因地制宜開展致災因子與受災對象之間的脆弱性研究，并在內澇風險圖編制過程中進行綜合考慮。

3.8 受災對象脆弱性分析

脆弱性分析目的是得到致災因子與受災對象的損傷程度的關系曲線。通常，這種曲線（函數）通過試驗研究和歷史經驗數據獲得，進而可在此基礎上建立損失估計模型，如美國的HAZUS模型，德國的FLEMO模型，瑞士的CLIMADA模型等。

受內澇風險影響的對象包含行人、汽車、學校、地鐵站、地下通道、地下商場、地下停車場等。然而，在進行內澇風險研究時我們不可能評估所有受災對象的脆弱性關系，現階段應選取主要的受災對象進行研究，其他對象可予以考慮。許多學者對受災對象的脆弱性進行了研究，包括使用積水深度×速度組合對行人和汽車穩定性關系進行研究，以及水深與建筑物的受損關系進行研究。

3.8.1 內澇對行人和汽車不穩定研究

行人失穩的兩種公認的水動力機制是傾覆失穩（由力矩作用引起）和滑動失穩（由摩擦作用引起）。滑動失穩多發生在高速淺水區，而傾覆失穩多發生在深水區。傾覆失穩發生在迎面流產生的力矩超過人體重量的力矩時，并與人體受到的浮力、位置和重量分布有關系。當水平力大于人的腳與地面之間的摩擦阻力時，發生滑動失穩，這個穩定性參數與重量、浮力、地面條件有關系。

車輛失穩的主要水動力機制包括浮動和滑動。當向上的浮力超過位于水中車輛的重量時，發生漂浮，這種車輛失穩現象常發生在低流速、高水深的情景。當汽車受到的水平力大于水平摩擦力時，就會發生滑動（平移或側翻），摩擦力與汽車質量、浮力以及輪胎與路面之間的摩擦系數有關。

3.8.2 內澇對建筑物損傷曲線的研究

SMITH繪制了建筑物基于水深×流速組合的關系曲線，然而在城市內澇中，建筑物結構損壞和內部損失主要與水深相關。因此，在城市內澇風險研究時，可忽略流速影響，使用水深-損傷曲線來評估建筑物損的損失。目前，有兩種主要的損傷關系表達方式可供選擇：一種是相對函數，表示損失的規模占建筑物總價值的百分比；另一種是絕對函數，表示損失的絕對價值。

建議在進行內澇風險研究時，應結合國內外相關研究，深入研究致災因子與各受災對象之間的脆弱性關系，建立符合實際的建筑物損失評估模型，并加快對行人和車輛（包括電動汽車）在內澇風險中的力學穩定性研究。

3.9 內澇風險等級劃分

通常，內澇風險會根據風險等級進行劃分，并用不同顏色編碼的區域來表示。基于SMITH等的研究成果，可利用D×V組合來確定內澇對行人和車輛的影響程度，進而確定內澇風險的等級，可將其劃分為低、中、較高、高四個等級（見表2）。借助ArcMap工具來可視化每個風險等級（見圖11）在給定降雨情景下的風險區域，為決策者提供可視化結果。

圖11 D×V與受災對象脆弱性關系（根據 Smith 研究成果重繪）

表2 基于D×V的風險等級劃分

3.10 城市內澇風險圖編制流程

FEMA進行的洪水風險評估過程主要包含數據收集、水文水力模擬、損失估計、風險圖繪制、風險數據庫建立等關鍵環節。借助開發的HAZUS模型軟件，FEMA能夠對典型建筑進行損失評估，利用HAZUS內置的“水深-損傷關系”模塊，計算在洪水深度下建筑物結構和內部財產損失。評估結果保存在風險數據集中，可利用GIS工具進行查看和應用。

為制定有效的城市內澇風險圖，各城市可參考FEMA的做法，制定完善的編制流程（見圖12）。在編制過程中，應當充分考慮排水管網的作用，并選擇符合要求的一二維耦合的城市排水模型。此外，選用高精度的地形數據，分析致災因子與受災對象之前的脆弱性關系。最后，使用科學的方法進行風險等級劃分，以形成有效的城市內澇風險圖編制成果。

圖12 城市內澇風險圖編制流程

城市內澇治理是我國長期面臨的一項重要任務。在編制內澇風險圖時，需要解決以下關鍵問題：

 ①應提升高精度數字高程數據的有效應用，以滿足城市地表徑流模擬的要求。高精度地形數據已經可以方便地獲取，但在使用前需要做好數據校正，充分融合地表水力設施和建筑物等數據； 

②加大內澇模擬軟件開發和審核力度。城市管理機構應審查、測試和接受可使用的模型軟件，并公開發布其適用場景和條件； 

③需要加強排水管網和地表之間的流量耦合機理研究，并強化耦合方法的本地適用性；

④應加強致災因子與受災對象的脆弱性機理研究。結合城市發展，根據受災對象的脆弱性研究結果，選取合適的致災因子與受災對象脆弱性關系曲線（函數），并借鑒或開發風險評估模型，對受災對象進行快速準確的評估；

⑤應規范內澇風險圖的編制，形成齊全的編制成果，包括內澇風險報告、內澇風險圖和內澇風險數據庫； 

⑥有條件的地方應研究氣候變化對風險的影響，采用智慧化手段提高城市內澇風險預測的水平。

微信對原文有修改。原文標題：我國城市內澇風險圖編制方法探索；作者：趙豐昌、王晨、李俊奇、王耀堂；作者單位：中規院（北京）規劃設計有限公司、北京建筑大學水環境國家級實驗教學示范中心。刊登在《給水排水》2023年第5期。