福州中心城区内涝现状及其模拟

林芷欣，陈兴伟

（福建师范大学地理科学学院，福建福州350108）

福州中心城区内涝现状及其模拟

林芷欣，陈兴伟

（福建师范大学地理科学学院，福建福州350108）

在对内涝历史与现状调查的基础上，利用Arcgis 10.0构建下渗修正后的“雨量体积法”模型，进行“麦德姆”台风下的暴雨洪水情景模拟.结果表明：1）福州在历史上多次受到涝灾，且近期愈加频繁、严重；2）鼓楼区内涝灾害最严重，台江区较轻微，仓山区、晋安区被淹没的风险高，易内涝点多；3）内涝点分布情况与内河水系关系密切，受地形、排水系统、城市化建设影响较大.

内涝；模拟；成因分析；福州中心城区

福州作为福建省的省会城市，近年来随着城市化进程的不断加快，不透水地面面积比例呈不断增长的趋势，致使城市内涝频发且不断升级.这不仅对福州中心城区造成了巨大的经济损失和破坏性影响，而且对城市的可持续发展造成严重威胁，严重影响了省会形象.关于福州中心城区内涝灾害的成因以及相应的治理措施，许多学者对此进行探讨：陈能志等人与连伟良都分析了福州城市内涝特点以及成因，提出了内涝的治理思路［1-2］；陈兴伟等人在对福州城区内河现状进行调查的基础上，分析了福州城区的涝灾成因［3］；唐丽汾针对单次暴雨事件总结暴雨洪水特性，对内涝成因进行分析［4］.也有通过构建模型进行灾害评估的研究，从发生洪涝灾害的三种因素（致灾因子、孕灾环境、受灾体）出发，分析了洪涝灾害成因［5-6］.现有研究对于福州市中心城区内涝的研究仅局限于宏观上的成因分析，主要内涝点的具体分析不足，定量分析缺乏.

本文通过对福州中心城区内涝灾害历史与现状的调查，参考下渗修正后的“雨量体积法”模型［7］，模拟2014年“麦德姆”台风下的福州市中心城区的暴雨洪水淹没情况和洪水风险评价，总结洪涝灾害成因，其成果为进一步深入研究城市内涝灾害提供更坚实的基础数据，为内涝灾害的治理提供参考.

1　研究区概况

福州地处中国东南沿海、福建省东部、闽江下游入海口.福州中心城区（包括鼓楼区、台江区、仓山区以及晋安区部分区域，未考虑马尾区等区域）位于河口盆地内，三面环山，东临鼓山，北靠北峰山脉，西侧洪山，南临闽江北港.福州中心城区内河纵横交错，与闽江下游感潮河道相连，主要有六大水系：以白马河、晋安河、磨洋河、光明港为主的水系以及新店片、南台岛水系.年平均降水量在1200～1700 mm之间，多集中于4—9月［8］.

据《福州市志》［9］记载，历史上福州市受涝面积约有3 887 hm2，受淹时间一般为3～4d，最长7～8d.比较严重的有5次，即1961年6月3日、1968年6月19日、1973年10月10—11日、1975年8月7日、1977年7月31日，水深可达1～2 m，农田作物和菜园蔬菜皆遭受严重损失.进入20世纪90年代，在福州市高速发展的城市化进程和气候变化的影响下，福州市暴雨日数呈上升趋势，福州中心城区的不透水地面面积比例也呈不断增长的趋势.河道不断淤积，河床升高，排水不畅，排涝能力下降，城区行洪压力巨大.与此同时，城市地下排涝工程和设施建设较滞后.在全球极端天气频发的大坏境下，加上城市的高强度建设带来的雨岛效应，福州中心城区内涝灾害愈加严重（见表1）.

表1　20世纪90年代后福州中心城区内涝情况Tab.1Waterlogging Situation of Fuzhou Urban Area after 1990s

2　研究方法

2.1数据收集与整理

从地理空间数据云网站获取研究区2009年的30 m分辨率的数字高程模型（DEM）数据（http：//www. gscloud.cn/listdata/metadata.shtml？from=&id=3352& productId=310）以及2014年12月13日研究区Land⁃sat 8遥感影像（http：//www.gscloud.cn/listdata/metada⁃ta.shtml？from=&id=63364&productId=411）.利用Arc⁃gis 10.0进行图像校正等处理，并对福州市内河水系图进行屏幕跟踪矢量化.

2.2内涝频次的划分

根据相关新闻报道，调查研究区近年来的内涝现状，统计研究区内2012—2015年5次内涝灾害的90个内涝点.结合Google地图，确定内涝点的经度（X）、纬度（Y）等属性数据.统计内涝点淹没频次，根据内涝点出现的频次划分为3个等级：1次为偶发内涝点；2～3次为易内涝点；4～5次为极易内涝点.

2.3基于网格“雨量体积法”的暴雨洪水情景模拟

内涝灾害的发生受多种因素共同影响，其中地形因素和流水的重力作用是重要影响因素.利用DEM数据对洪水淹没模拟分为两种情况：一是“降水淹没”，即将所有高程值低于或等于洪水面高程的网格皆视为淹没区，二是“洪水淹没”，即认为洪水具有流动性，洪水只能淹没到它能流到的地方［10］.第一种情形假设研究区内降水均匀，所有低于某一高程值的低洼地都将被淹没；第二种情形则假设洪水突然决堤向邻域泛滥，淹没到其流经的地区［10］.本文采用的是第一种情形，即为“降水淹没”情景模拟.基于网格的洪水模拟情景和灾害评估已有不少研究，经过实践取得较好的模拟效果［7，11-12］.因此，采用基于GIS空间格网的降水淹没模拟模型是解决内涝淹没深度以及分布情况的最好选择.

基于DEM利用“雨量体积法”对研究区的某个时间段强降水所造成的淹没情况进行模拟，首先确定研究区的空间尺度，明确网格的划分大小，将其进行网格规则方格化处理［7］.其次，假设在某一段时间内研究区范围内均匀降水，考虑下渗因素所导致的径流损失，利用研究区多年平均径流深度除以其多年平均降水量，求得多年平均径流系数.通过研究区多年平均径流系数将该时段内的暴雨降水量转化为相应的径流深度，并乘以研究区面积得到某种强度暴雨下形成的径流总量.

式中，α为多年平均径流系数，R为多年平均径流深度，P为多年平均降水量，W为某种强度暴雨下形成的径流总量，P′为某种暴雨强度下的降水量，f为研究区面积.

只考虑地面径流总是由高向低流动的重力特性以及地面高度起伏的情况，不考虑短时间内地面积水的排出，根据暴雨产生的径流总量与地面汇流产生的积水总量相等的原理来模拟区内每个网格单元的淹没深度.具体的计算思路如下：假设洪水最终淹没水面是一个水平面，先假定一个洪水位值，用该高程值减去研究区的DEM，将单位网格内的积水量累加，得到一个积水总量［7］.将积水总量与径流总量相比较，若积水总量大于径流总量，那么减小假定的洪水位值；反之，则增加洪水位值.利用二分法原理，使得积水总量不断逼近径流总量，当积水总量等于径流总量时，得到的洪水位值就是最终淹没水面高程值.假设每个网格内部的底高程值相同，洪水面高程值也是一致的.用洪水位值减去底面高程值，就得到每个网格的洪水淹没深度.洪水淹没深度为正，表示该网格被淹没；反之，则表示该网格未被淹没.

3　结果与分析

3.1内涝现状

频次统计结果表明：极易内涝点占总内涝点的22%，易内涝点占51%，偶发内涝点占27%.总体上，容易发生内涝的地区所占比例高达70%以上，频繁受灾，易造成经济损失，市民日常生活受到影响.由图1可得，内涝点比较集中在鼓楼区、晋安区以及仓山区，鼓楼区内涝灾害最为严重，台江区则较为轻微.极易内涝点集中在仓山区，易内涝点在晋安区与鼓楼区均较多，偶发内涝点则多位于鼓楼区.由福州中心城区内涝点分布现状图（见图2）可知，内涝点的分布情况与内河水系关系密切：晋安河水系和白马河水系周边有较多内涝点分布，其余内涝点则较为分散.

图1　福州中心城区各区内涝点组成Fig.1The Composition of Waterlogging Points in Fuzhou Urban Area Districts

图2　福州中心城区内涝点分布现状图Fig.2The Present Distribution of Waterlogging Points in Fuzhou Urban Area

3.2暴雨洪水淹没情景模拟结果

本文所研究的区域总面积为274.73 km2，在2014年“麦德姆”台风期间，最大暴雨量为6 h内55 mm，假设在研究区内均匀降水.根据福州市水资源公报（2013）［13］提供的多年平均降水量与多年平均径流量，换算得出多年平均径流系数α为0.58.根据上述方法，计算出每个网格的洪水淹没深度.

根据洪水淹没深度将福州市中心城区暴雨洪水灾害风险程度划分为5个等级：0 m以下的未淹没区为第一级，表示无风险区；0～0.5 m为第二级，表示低风险区；0.5～1.0 m为第三级，表示中风险区；1.0～1.5 m为第四级，表示较高风险区；1.5 m以上为第五级，表示高风险区.通过计算，得出各风险区所占面积比重：无风险区占总区域的80.98%，低风险区占6.73%，中风险区占5.55%，较高风险区占3.69%，高风险区占3.04%.结合图3所示：在此期间，研究区内19.02%的区域有积水风险，其中可能积水多集中在仓山区和晋安区，多集中在山麓四周；其中仓山区所在的南台岛地势较低，有大面积的积水，淹没程度不一；光明港一带、南台岛周边的岸滩、义序机场以及晋安区鼓山镇被淹没的风险较高.

根据福州市建委、福州市福州水务管网公司灾后实地调查得到的“麦德姆”台风的内涝点淹没范围和淹没深度数据，与模拟结果进行对比：与实际的受淹面积存在一定的误差以及部分地区淹没深度过高，主要是受DEM精度、年限等因素的限制.内涝灾害受多种因素共同作用产生，除鼓楼区、晋安区内涝点未能完全显现，其他区域内涝点分布状况相对一致，该方法能满足防洪工作的一定需求.在进一步的研究中，应建立福州中心城区的洪水淹没动力模型，考虑排水系统，采用精度更高的数据，进行暴雨洪水淹没情景模拟，得到更精确的模拟效果.

图3　“麦德姆”台风下的福州市中心城区的暴雨洪水淹没风险程度图Fig.3Degrees of Floodwater Risk in Fuzhou Urban Area throughout Typhoon"Matmo"

3.3内涝成因分析

3.3.1自然因素

1）短时强降水.高强度降水是造成城市内涝的主要自然因素.福州雨水丰沛，夏季台风频发，是暴雨多发区.连续性、大范围的暴雨易导致洪涝灾害，也有部分洪涝是由上游地区暴雨所致.

2）盆地地形.福州中心城区三面环山，南面临江，总体地势北高南低，西高东低.北部山区坡陡汇水快，通过内河河网汇入中心城区，中心城区地势较低，涝水多积聚在中心城区，不易排出.

3）内河倒灌.福州中心城区河网密布，暴雨或山洪发生时，外围洪水迅速进入中心城区河道，内河水位暴涨，高于河道两岸，内河河水倒灌，加剧内涝.

4）闽江洪潮顶托.福州中心城区位于闽江感潮河段，若适逢天文大潮和台风引起的风暴潮，闽江水位暴涨，给闽江下游带来洪水，使得中心城区积水受到外江洪水的顶托，排水不畅，内涝严重.

3.3.2人为因素

1）不透水地面面积增大.随着城市化进程不断加快，一方面，中心城区面积不断扩大，不透水地面面积不断增大，渗透系数不断减小［14］，汇流时间缩短，洪水流量增大.另一方面，原先天然形成的河、池、湖被占用，导致其调蓄能力降低，易形成内涝.

2）内河河道淤积和阻塞.随着城市不断发展和人口不断膨胀，大量工业废水以及生活用水排入内河，致使内河污染严重，河床淤积，并且原有的部分内河被填埋，河道变窄，排涝能力下降.遇短时强降水，河道的排水速度远小于汇流速度，多个内涝点因内河淤堵而频繁受灾.

3）排水系统不完善.城市规模的急剧扩张极大程度上改变了天然的排水模式，人工排水成为了主要或唯一的途径.但福州中心城区城市总体防涝排涝设计标准偏低，防涝与排涝设计标准不衔接.中心城区上游八一、登云水库等小型水库，其总库容仅有587×104m3，水库调蓄能力差［15］，遇到短时强降水，无法起到拦洪削峰的作用.

4）人为破坏.人为因素造成现有排水设施、排水能力下降.有几处内涝点路面沉陷，造成局部积水.更有人为建设破坏，主要有石块、树枝等人为垃圾造成管道淤堵，或是因建设对排水管网的破坏、因维护管道不足致使管道淤堵等等问题.

4　结论

1）根据内涝现状的实际调查结果来看，鼓楼区内涝灾害最严重，台江区较轻微，仓山区、晋安区受灾频繁，易内涝点多.内涝点分布情况与内河水系关系密切，受地形、排水系统、城市化建设的影响大.福州中心城区属盆地地形，又位于闽江下游感潮河段，降水丰沛，内河水系纵横交错.在如此的自然环境孕育中，内涝灾害极易产生.而由于城市现代化建设进程加快，相对应的排水设施未能跟进，一方面不透水地面面积不断增大，加剧了暴雨洪水的汇流；另一方面天然的河、池、湖等被占用，其调蓄能力降低，内河河道淤积、阻塞，涝灾加剧.今后希望能针对各严重内涝点的主要致灾原因进行调查，以便相关部门在制定防涝措施时因地制宜.

2）通过模拟“麦德姆”台风下的暴雨洪水淹没风险程度，结果表明：仓山区受淹面积广，晋安区受淹地区集中且严重，基本反映了福州主城区内涝情况.尽管该模拟方法只考虑了地势因素，在一定程度上能反映出福州中心城区地势低洼地区的受灾风险，能够为内涝灾害的防治提供参考依据.

［1］陈能志，林阗，汪裕丰.福州市中心城区内涝治理研究［J］.中国水利，2008，59（9）：40-42.

［2］连伟良.福建排涝建设与涝灾治理［J］.城市道桥与防洪，2008，8（11）：49-52.

［3］陈兴伟，周长春，刘梅冰.福州内河水环境综合治理研究［J］.福建师范大学学报：自然科学版，2004，20（3）：76-79.

［4］唐丽汾.福州市“10.2”暴雨后对城区防洪排涝的影响和分析［EB/OL］.［2015-08-19］.http：//cpfd.cnki.com.cn/Article/ CPFDTOTAL-FJSL200610002021.htm

［5］徐奎，马超.福州市主城区洪涝灾害成因分析及对策研究［J］.水利水电技术，2011，42（10）：113-118.

［6］李帅杰，程晓陶，郑敬伟，等.福州市雨洪模拟［J］.水利水电科技进展，2011，31（5）：14-19.

［7］赵庆良，王军，许世远，等.沿海城市社区暴雨洪水风险评价——以温州龙湾区为例［J］.地理研究，2010，29（4）：665-674.

［8］戴志忠.福州地区水文特性分析［J］.水利科技，2004，37（3）：9-11.

［9］福州市地方志编纂委员会.福州市志：1卷［M］.福州：方志出版社，1998：286-287.

［10］刘仁义，刘南.基于GIS的复杂地形洪水淹没区计算方法［J］.地理学报，2001，56（1）：1-6.

［11］冯丽丽，李天文，陈正江，等.基于ArcGIS的渭河下游洪水淹没面积的计算［J］.干旱区地理，2007，30（6）：921-925.

［12］孙阿丽，徐林山，石勇，等.基于GIS的洪水淹没范围模拟［J］.华北水利水电学院学报，2009，30（2）：9-11.

［13］福州市水利局.福州市水资源公报（2013）［Z］.

［14］权瑞松.典型沿海城市暴雨内涝灾害风险评估研究［D］.上海：华东师范大学，2012.

［15］王峰.福州市主城区内涝后的反思［J］.水利科技，2006，31（3）：4-5.

责任编辑：黄澜

Current Situation of Waterlogging and Its Simulation in Urban Area of Fuzhou

The history and current situation of waterlogging were investigated in Fuzhou's urban area.With the help of a model called"precipitation volumetric method"in ArcGIS 10.0，the flood scene was imitated throughout Typhoon"Matmo". The results showed that：（1）Fuzhou were waterlogged many times in history，and recent waterlogging are more and more fre⁃quent and severe.（2）Waterlogging disaster is most serious in Gulou district whereas milder in Taijiang district.Cangshan district and Jinan district are at high risks of being submerged，since they proportion much more incidental waterlogging points.（3）Distribution of Waterlogging points is close to river water system，and is influenced by topography，drainage sys⁃tem and urbanization construction.

waterlogging；simulation；analysis about cause of formation；urban area of Fuzhou

P 333.2；TV 877

A

1674-4942（2015）04-0438-05LIN Zhixin，CHEN Xingwei

2015-09-19

国家基础科学人才培养基金资助项目（J1210067）；福建师范大学大学生创新创业训练计划（创新训练类）资助项目（cxxl-2014107）

（College of Geographical Science，Fujian Normal University，Fuzhou 350108，China）