引言

城市内涝是由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害的现象^[1]，我国城市内涝灾害主要表现出普遍性和频发性、快速性和严重性、发生时间相对集中、灾害对象主要为城市交通系统和地下建筑空间等特点^[2]。近年来，我国城市内涝问题日益突出，已成为全国性的普遍问题。北京、天津、成都、银川、广东、西安等城市陆续发生了严重的城市内涝，特别是北京“7.21”特大自然灾害，给人民的生命财产造成了巨大损失^[3]。据统计，2008—2010年间，全国62 %的城市发生过内涝，内涝灾害超过3次以上的城市有137个^[4]。城市内涝已经成为涉及全国的问题，严重影响着城市的经济社会发展和市民的日常生活^[5]。究其原因，主要与排水设施建设滞后、局部地段排水建设标准偏低、排水系统老旧、雨水调蓄能力小、排水系统管理不善等多方面因素有关[6.7]。合肥市近年来发展快速，城市暴雨内涝问题也日益凸显，研究合肥市城市内涝风险及确定致灾阈值，对于该城市防灾减灾意义重大。

国内外对于暴雨灾害的风险评估已发展较为成熟，且得到了广泛应用。张继权等^[8]从暴雨灾害状态、区域社会经济发展水平、暴雨灾害潜在危险性、区域抗灾能力和暴雨灾害变迁这5个方面，综合建立了暴雨洪涝灾害风险评价指标体系。尹占娥等^[9]根据内涝灾害情景，评估了上海静安区城市暴雨内涝灾害风险。胡蓓蓓等^[10]利用未来规划，对天津市滨海新区2020年的暴雨内涝风险进行了评估。苏伯尼等^[11]建立了一套针对城市暴雨内涝灾害的定量风险评估方法，并利用二维水力学模型模拟积水的时空分布，定量评估了福建省龙岩市新罗区城市内涝风险。解以扬等^[12]利用天津市内涝灾害仿真模型，对不同类型的降水过程进行了数值模拟，并对内涝灾害的风险进行了评估。王博等^[13]总结了近年来国内外在暴雨灾害风险评估方面所取得的研究成果。陈波和冯光柳^[14]构建了武汉市暴雨内涝数学模型，具有良好的适用性。尤凤春等^[15]设计了北京市道路积水临界预警指标，建立了暴雨积涝风险等级预警模型。近年来，学者开始关注致灾阈值的确定问题。石兴琼等^[16]根据历史降雨情景和其内在地质环境建立耦合模型，通过非线性方法来确定西南地区不同地质灾害临界降雨指标。高超等^[17]提出农作物受的旱、涝致灾气候阈值概念，并建立致灾气候阈值与农作物受灾面积之间的定量关系。白利平等^[18]计算了北京不同地区发生泥石流灾害的临界雨量。陈静静等^[19]根据灾害发生前的降水量，筛选了由降雨引发的地质灾害，判定了致灾的不同降雨类型，得出了不同降雨型地质灾害的阈值。张磊等^[20]利用“FloodArea”模型，确定了山洪灾害不同风险等级下的致灾临界雨量。

中国城市暴雨内涝问题日益凸显，其不仅对城市居民生命财产、安全产生造成了威胁，也严重影响到城市经济的正常发展。为减轻城市暴雨内涝灾害带来的影响，确保人民生命财产安全，有必要对城市暴雨内涝问题以及临界阈值确定进行深入的研究。本文以合肥市为研究对象，确定典型易涝点的致灾临界阈值，结合承灾体物理暴露度和脆弱性，开展暴雨内涝灾害风险动态评估，以期为气象风险预警服务以及交通气象服务等业务提供一定的技术支撑。

1 资料与方法 1.1 研究区域概述

合肥市为安徽省省会，位于长江淮河之间，全市总面积11 408.48 km²(其中巢湖水面面积769.5 km²)，市区总面积838.52 km²，建成区面积360 km²。常住人口746万人，其中市区常住人口462.84万人，暂住人口147.9万。

根据研究城市内涝的技术思路，并结合合肥市实际情况，利用新闻报道及排水部门的资料，从2010— 2013年合肥市区积涝点分布图(图略)中，分别选择岳西新村(住宅)及长江东大街桥下穿桥作为研究对象(表 1)。岳西新村始建于20世纪90年代初，小区东北部地势低洼，管网设计排水能力低，如遇强降水极易发生内涝灾害，是合肥市典型的易涝点。长江东大街下穿桥始建于2009年，汇流面积约56 700 m²，依靠桥底泵站排水，设计排水能力0.6 m·s^-1，桥底最低处距地面约5 m。其中，2014年发生了一次较严重的内涝灾害，导致该处大批车辆被淹，交通瘫痪。

1.2 “ FloodArea”模型

“FloodArea”模型原理是充分利用GIS栅格数据在水文—水动力学建模上的优势，实现GIS与水文—水动力学模型的数据融合。图 1给出“FloodArea”模型计算原理示意，从中可见，以栅格为基本单元，洪泛区的计算基于二维非恒定流水动力学模型，用Manning-Strickler公式计算每个栅格与周围的8个栅格之间的水量交换。“FloodArea”模型能准确地反映洪水演进过程，可视化表达流向、流速和淹没水深等水文要素的时空物理场，已被广泛运用于山洪灾害风险研究^[21-23]。

1.3 数据资料

降水资料来源于安徽省气象信息中心提供的合肥市区8个气象站2009—2014年逐小时降水量资料。管网排水能力评估及内涝灾情数据，均来源于合肥市排水管理办公室(以下简称排水办)。基础地理信息资料，为美国宇航局(NASA)与日本经济产业省于2010年联合发布的第二版地球陆地海拔地形图，其全球空间分辨率为30 m，本文主要使用了合肥市区域的数字地面高程(Digital Elevation Model，以下简称DEM，图 2)。

1.4 排水能力估算方法

如果典型易涝点为自然排水，则根据合肥市排水办提供的合肥市暴雨强度公式(1)，及合肥市管网排水能力评估结果，将管网设计重现期带入式(1)计算其暴雨强度，即视为该管网的排水能力。

$ i = \frac{{36.61\left( {1 + 0.77{{\lg }^p}} \right)}}{{{{\left( {t + 23.15} \right)}^{0.93}}}} $

(1)

其中，i为设计暴雨强度，单位为mm·min^-1；P为重现期，单位为a；t为降雨历时，单位为min。由上述公式计算得到不同重现期所对应的排水量为：1 a重现期排水量36 mm·h^-1，2 a重现期排水量为44.3 mm·h^-1，3 a重现期排水量为49.2 mm·h^-1，5 a重现期排水量为55.4 mm·h^-1。

上述排水能力适用于自然排水管网，而对于完全依靠水泵排水的下穿桥类型易涝点则并不适用。在计算下穿桥排水能力时，须考虑泵站排水能力。本文根据立体几何关系(高度=体积/面积)，设计了下穿桥排水能力计算公式如下：

$ i = P/S $

(2)

其中，i为设计排水能力，单位为mm·h^-1；P为泵站设计功率，单位为m³·h^-1；S为集水区面积，单位为m²。

根据典型易涝点排水类型及排水管网设计标准，运用上述两种排水能力计算方法，得到两类易涝点的排水能力。易涝点岳西新村运用自然排水计算方法，得到其排水能力为36.0 mm·h^-1，易涝点长江东大街桥运用下穿桥排水计算方法，得到其排水能力为38.1 mm·h^-1。由于上述易涝点的汇水面积较小、汇流较快，结合实际灾情，本文将易涝点致灾阈值的时效均设为1 h。

1.5 城市内涝淹没等级设计

为确定致灾阈值，须先设定内涝风险等级。内涝风险等级直接可以反映内涝受灾程度，并体现内涝对交通出行、居民生活的影响。本文运用积水深度表征内涝风险等级。首先通过实地测量得到，合肥市人行道高度约为0.15 m，当积水达到此深度，将淹没人行道导致出行困难，故将4级风险标准设为0.15 m。车辆排气管被水淹没将可能导致车辆熄火，而进气管进水则会损坏发动机，本文通过收集常见车型的排气管和进气管高度数据(表略)，分别将排气高度值0.25 m和进气管高度值0.65 m，设为3级和2级内涝风险所对应积水深度值。经过实地调研，岳西新村一楼距地面约1 m，当积水达到此深度后，一楼住户将进水，造成严重的财产损失，故将1级风险标准设为1 m。

2 致灾阈值的确定 2.1 计算方案

首先依据历史灾情的降水量，设定若干组降水强度不等的情景，利用式(1)得到实际产流降水量，带入“FloodArea”模型运算，再根据积水监测点模拟结果来调整降水强度，当监测点模拟结果符合内涝风险等级积水深度时，该降水强度为该等级风险的致灾阈值。模型参数设置为：首先将数字高程地图 30×30 m数据根据易涝点范围进行裁剪；降水强度的时间步长为1 h；因为易涝点范围较小、降水均匀，故各栅格的降水量均设为等权重；交换系数为默认值0.1；由于城市中建筑物对汇流有重要影响，本文将有建筑物的栅格设为阻水障碍(不参与计算)。

2.2 岳西新村小区的致灾阈值

图 3给出岳西新村DEM、积水监测点及建筑物分布，从中可见，岳西新村小区内部地形总体呈现西南高、东北低的格局。由于排水系统设计等级较低，一旦出现强降水则会导致小区东北部的楼栋出现积水，影响出行，甚至一楼住户家中进水。根据历史灾情统计情况，本文将岳西新村A区2栋1单元前的积水水位作为积水监测点(五角星)，如果该点的积水深度达到内涝风险等级标准，即认为该小区出现对应等级的风险。

图 4给出岳西新村4个内涝风险等级下的积水深度及范围，从中可见，各内涝风险等级下，小区东北角的内涝风险均较大，这与实际灾情相吻合。当出现2级以上风险时，社区积水范围迅速扩大。根据2.1节中的定义，将产生4个内涝风险等级积水深度时的降水强度设为其致灾阈值。因此岳西新村各内涝风险等级致灾阈值为，4级56.9 mm·h^-1，3级65.9 mm·h^-1，2级100.8 mm·h^-1，1级162.3 mm·h^-1。由于1级致灾阈值达162.3 mm·h^-1，远超过合肥市1 h降水量历史极值，因此需对其合理性进行说明。2014年之前岳西新村一旦遭遇强降水，必然发生内涝灾害，之后岳西新村针对内涝问题进行了综合改造，使排水系统得以全面升级，排水能力大大提高。2015年来的监测表明，由于排水能力大幅提高，岳西新村已无内涝发生。因此排水能力的大幅提升是造成1级内涝风险致灾阈值偏大的主要原因。

2.3 长江东大街桥的致灾阈值

长江东大街桥位于合肥市瑶海区，于2009年建成，桥下排水泵设计功率为0.6 m·s^-1。2014年7月27日，合肥市突降大暴雨，致使长江东大街下穿桥严重积水，数十辆车被困。由于DEM无法体现出下穿桥的地形特征，因此需要根据实地调查对DEM进行修正。图 5给出长江东大街下穿桥修正后的DEM及监测点分布，从中可见，下穿桥的高程特征为长630 m，宽90 m，分辨率为30 m，地形为南北高、中间低的下凹格局。根据修正的DEM和历史灾情数据，设计相应的降水强度进行淹没模拟。图 6给出长江东大街4个内涝风险等级下的积水深度及范围，从中可见，3、4级与1、2级相比较，其积水深度相对较浅，范围也较小。再根据内涝风险等级积水深度所对应的降水强度，可分别得到其致灾阈值，结果为4级49.0 mm·h^-1，3级53.0 mm·h^-1，2级78.0 mm·h^-1，1级108.0 mm·h^-1。

3 典型易涝点风险评估

运用模拟得到的各内涝风险等级积水深度，结合文献[25]中建立的住宅室内财产涝灾脆弱性函数式(3)，计算4个内涝风险等级的住宅室内财产损失率。

$ \begin{array}{l} y = - 0.026{x^3} \times {10^{ - 9}} - 0.049{x^2} \times {10^{ - 6}} + \\ \;\;\;\;\;\;0.742x \times {10^{ - 3}} - 0.115 \end{array} $

(3)

其中，y为灾损率，单位为%；x为水深，单位为m。

图 7给出4个内涝风险等级下岳西新村小区住宅室内财产损率分布，从中可见，岳西新村在4级和3级内涝风险等级下，东北部的损失率相对较高，基本处于30 %以下；而当达到2级以上时，小区东北部的损失率将超过30 %；当出现1级风险时，最大损失率超过45 %，且受损范围显著扩大。

对于道路积水，需重点考虑积水深度对车辆的影响。根据车辆零部件占整车价值比(表略)，结合不同积水深度下车辆部件的损失程度，运用线性拟合得到车辆对于积水的脆弱性函数式(4)。

$ y = - 62.445{x^2} + 134.28x - 17.08 $

(4)

其中，y为车辆损失率，单位为%；x为水深，单位为m。

图 8给出4个内涝风险等级下长江东大街下穿桥车辆损失率分布，从中可见，4级风险时，下穿桥最低处会出现较低的损失；3级内涝风险时，下穿桥最低处的风险增大，损失率约25 %；2级内涝风险时，出现损失的范围明显扩大，且损失率大幅上升；1级内涝风险时，积水将会给车辆造成重大损失, 损失率大于50%。

4 结论与讨论

本文根据易涝点排水情况，利用“FloodArea”模型确定了合肥两种类型易涝点的致灾阈值，研究了易涝点的排水能力估算方法，确定了易涝点4个内涝风险等级的致灾阈值，再结合弱性函数评估了承灾体的可能损失，得出如下结论：

(1) 岳西新村4个内涝风险致灾阈值分别为，4级56.9 mm·h^-1，3级65.9 mm·h^-1，2级100.8 mm·h^-1，1级162.3 mm·h^-1。长江东街下穿桥4个内涝风险致灾阈值分别为，4级49.0 mm·h^-1，3级53.0 mm·h^-1，2级78.0 mm·h^-1，1级108.0 mm·h^-1。

(2) 利用室内财产和车辆损失两种脆弱性函数，评估了4个内涝风险等级下两类承灾体的损失率，结果表明当岳西新村出现2级以上内涝风险时，住宅财产受损面积加大且损失率上升；与此类似，当达到2级以上内涝风险时，长江东大街下穿桥路面积水使过往车辆造成重大损失，其中1级内涝风险的损失率超过50%。

由于城市暴雨内涝的形成受天气、地形环境、基础设施、人为干扰(正面或负面)等多种因素影响，要定量准确地评估灾害风险仍存在一定难度，目前评价结果尚难以做到与实际完全吻合。本项工作仅初步探讨了内涝致灾阈值确定及风险评估方法，该方法仍需要在实践中不断修正完善，且研究成果有待推广应用到更大范围。