我国城市内涝风险图编制方法探索

洪水类型有河流洪水（River Floods）、沿海洪水（Coastal Floods）、山洪（Flash Floods）、城市洪水（Urban Floods）等，各类洪水的形成机理和特点不一样。城市洪水定义为：由强降雨、飓风、河流洪水、基础设施失效等原因造成排水系统不堪负荷，进而导致在城市地面产生积水灾害的现象。我国《城市内涝防治技术规范》（GB 51222-2017）和《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）均给出了城市内涝的定义，与城市洪水的内涵一致。

美国的国家洪水保险计划(NFIP)是由1968年的国家洪水保险法(NFIA)创建，由联邦应急管理局（FEMA）负责管理实施。NFIP包含洪水保险、洪泛区管理和洪水保险税率地图（Flood Insurance Rate Map, FIRM）三个部分。FIRM是美国洪水保险计划组成的重要支撑。在NFIP框架下，FIRM绘制的重点是河流洪水和沿海洪水，而对城市内涝的重视程度明显较低。

城市内涝问题已成为制约我国城市发展的瓶颈。2021年7月20日河南罕见暴雨中，仅郑州死亡失踪人数就达到380人，直接经济损失409亿。2021年04月发布的《国务院办公厅关于加强城市内涝治理的实施意见》（国办发〔2021〕11号），要求城市编制内涝风险图，探索划定洪涝风险控制线和灾害风险区；到2035年，各城市总体消除防治标准内降雨条件下的城市内涝现象。截至目前，我国内涝风险图的编制水平仍有待加强。

NFIP在发展中不断完善（见图1），形成了较为完善的体系，目前应用的洪水地图主要有洪水保险税率地图和洪水风险地图（Flood Risk Map）。

图1 国家洪水保险计划发展历程

2.1 洪水保险税率地图（FIRM）

FEMA是绘制FIRM的主要机构，面向公众公开FIRM，供NFIP参与者使用。FIRM为洪泛区管理、洪水保险评级和确定洪水保险费率提供依据和参考。美国自20世纪80年代开始制作使用纸质版的洪水地图，当时被称为洪水灾害边界地图（Flood Hazard Boundary Map, FHBM）。自2004年以来，FEMA启动了FIRM电子化，以应对定期更新和修订的需求。FEMA创建了地图服务中心，供查看、打印或购买关注区域的FIRM。大部分FIRM编制应用了美国陆军工程兵团水文工程中心的HEC-HMS（水文模型）和HEC-RAS（水力模型），HEC-HMS用于模拟流域系统的降水-径流过程，HEC-RAS用于计算河道的过水剖面信息。

FIRM主要显示100年重现期洪水淹没范围（Special Flood Hazard Area, SFHA）和基准洪水高程(Base Flood Elevation, BFE)。公众可通过地址查询获取每个定位点的洪水风险等级，并以此为根据选择相应的洪水保险产品（见图2）。FIRM上的SFHA称为高风险区，该区域每年有1%或更高的概率受到洪水影响，以字母“A”或“V”开头。中低风险区，即非特殊洪水灾害区(NSFHA)，以字母“X”、“B”或“C”开头。还有一些洪水危险未确定的区域，标记为D区。

图2 美国某区域的洪水保险税率地图（来源：FEMA官网）

2.2 洪水风险地图（FRM）

2009年FEMA开始进行风险测绘、评估和规划(Risk MAP)，以提高社区洪水风险识别。Risk MAP由FEMA和地方联合实施，提供高质量的数据，并可降低生命和财产风险，同时补充、完善FIRM的相关数据信息。RISK MAP项目成果包括：洪水风险图(FRM，见图3)、洪水风险报告(FRR)、洪水风险数据库(FRD)。相比于FIRM，FRM增加了洪水损伤评估，其应用不受法定正当程序要求的约束，但是使用受到FEMA审查。FRM表达区域内的洪水风险，包含FIRM使用以来的风险变化、洪水深度和分析网格、洪水风险等级划分、洪水风险评估数据等信息。FRD采用地理信息系统(GIS)格式，存储洪水风险分析过程中的洪水风险数据，这些数据具备良好的可视化。

图3 美国某区域洪水风险图（来源：FEMA官网）

2.3 洪水地图的启示

美国的洪水地图和我国城市内涝风险图虽然侧重点不同，但都是为评估洪涝风险而制定的工具，它们之间存在联系。尽管美国洪水地图存在一些不足，如洪水风险表达弱、地图覆盖度低、洪水类型不全、地图更新不及时等，但这些不足已被认识并正积极修正。洪水地图经过50多年的发展，在评估方法、模型选用、风险评估、标准建立和成果管理等方面积累了宝贵的经验，这些经验可以为我国城市内涝风险图的编制提供一定的借鉴。

目前我国对内涝风险的评估主要参考《室外排水设计标准》(GB 50014)规定的地面积水设计标准，采用积水深度、积水时间、淹没范围等指标进行评估。例如，北京在2022年7月发布了内涝风险分布图，根据不同积水深度将区域划分为四级风险，分别以蓝、黄、橙、红四色表示。然而，目前我国尚未建立利用内涝风险评估系统指导风险图编制的体系。现有编制的内涝风险图仍存在以下问题：①内涝风险评估对象不明确，目前主要评估交通安全和建筑物底层进水风险，但内涝造成的损失主要集中在人、车辆和建筑物等方面；②内涝致灾因子选取不全面：仅考虑积水深度、积水时间、淹没范围，而忽略流速（或流速×水深）的影响；③基础数据不精准：使用的地形数据不够精细，无法表征实际的地表构成；④风险等级划分不明确：致灾因子与受灾对象之间的脆弱性关系缺乏本地化研究；⑤模拟过程不符合实际：现有的排水模型模拟过程与真实的水文水力过程差异较大。

3.1 内涝风险的定义

根据洪水风险定义，内涝风险指：内涝事件发生的概率和对应的受灾对象（包括人和财产等）潜在不利后果的组合。风险评估是内涝风险图编制的前提，应包括致灾因子、暴露度和脆弱性等关键要素，并需重点关注受灾对象的暴露度和脆弱性之间的关系（见图4）。值得注意的是，若受灾对象不在致灾因子的影响范围内，即使其脆弱性很高，其风险也可能很低。内涝风险（R）可按式（1）和式（2）计算：

式中 C——潜在的不利后果，与受灾对象暴露度和脆弱性有关，可用财产和人表征量化损失（如水深—建筑物损失曲线等）；

P——危害过程发生的概率；

E——暴露度；

V——脆弱性。

图4 内涝风险各要素关系

3.2 编制内涝风险图意义

编制内涝风险图具有多重意义和作用：①提高城市居民对内涝风险认知，有助于制定适当的预防措施，在一定程度上降低内涝风险对城市的影响；②帮助管理者在极端降雨来临前做出有效的决策，以保护生命财产安全；③指导内涝风险管理、土地利用规划和应急管理等部门制定针对性有效的相关政策，从而更好地应对内涝风险的挑战。

3.3 城市内涝评估方法

内涝风险图编制进程也是风险评估的过程。由于风险评估目的、数据可得性等方面差异，衍生了不同的评估方法，包括历史灾情数理统计法、指标体系法和情景模拟法，前两种方法在内涝风险评估中具有明显的局限性。而情景模拟法则基于成熟的水文水力学模型构建，模拟不同降雨情景下的地表径流过程，得到水深、流速等致灾因子，然后依据模拟结果和风险分级标准划分内涝风险区域。随着计算机技术的不断发展，情景模拟法已成为研究城市内涝风险评估的主要方法。

3.4 情景模拟的1维（1D）-2维（2D）耦合方法

与河流洪水模拟不同，城市内涝模拟要考虑地下排水管网的排水能力。排水管网是城市排水系统中的重要组成部分，它作为雨水径流的运输和储存单元，在降雨期间重新分配地表径流，对内涝风险评估结果的影响非常大。忽略管网会导致对地表水深、流速、淹没范围和持续时间等因素的错误模拟。为准确反映城市区域的水文水力特性，城市内涝模型需考虑排水管网设施对径流路径和水流特性的影响，尤其是排水管网进水节点与地表间的流量耦合关系。目前，在城市排水系统建模中广泛使用了基于不同理论的一二维耦合方法。

3.4.1 地表直接降雨法

此方法将降雨直接应用于模拟区域内的每个网格单元来模拟降雨-径流过程（见图5a）。在此方法中，管网流量会被转换为有效降水或径流的损失量，以替代1D模拟过程。有两种方法替代1D模拟过程：一种是在输入降雨条件时扣除管网排水流量，另一种是将管网排水流量附加至土壤入渗项中。国内目前正在尝试使用HEC-RAS软件进行城市区域的精细化地表二维建模，并初步取得了较好的结果。

图5 不同耦合方法

3.4.2 1D向2D耦合法

此方法假定所有划定的集水区产生的径流（通过水文计算）首先进入管网，超过其排水能力的流量通过模型接口（检查井或雨水口）溢出，在地表排放（水动力径流计算）并可通过模型接口回流到网络（见图5b）。在此方法中，1D管道的溢出水量作为2D地表漫流的输入边界条件，来模拟地表上的径流过程。我国目前常用此方法进行内涝研究，比较有代表性的软件有Infoworks ICM等。此方法模拟结果一般呈现交织的“带状”形态（见图6），这是因为地表积水主要来自市政道路上管网的溢流，而真实情况应该是所有排水不畅区域都可能积水。

图6 Infoworks ICM模拟结果（“带状”形态）

3.4.3 2D向1D耦合法

此方法采用直接降雨的方式模拟地表径流，通过模型接口将地表径流导入地下排水管网，即所有排水管网的进水均来源于地表漫流模型的输出。在水力过载的情况下，地下管网再次将溢流的水流导回地表（见图5c）。TUFLOW是一款可以耦合1D和2D水文模型的软件，它的流量交换方法是动态的，取决于1D/2D连接位置的流量条件和地形坡度。目前该方法在国外得到广泛应用（见图7），也是我国城市内涝模拟的重点研究方向。

图7 TUFLOW模拟结果形态

3.4.4 全面耦合

此方法将排水管网和地表模型结合使用，共同计算模拟区径流量（见图5d）。与管网进水口直接相连的集水区（屋顶、道路等）的径流进入管网，而其它区域的径流则通过地表排水处理，两种径流可通过模型接口进行双向交换。尽管该方法最接近实际情况，但在实际应用中仍处于初级阶段，是内涝风险模拟亟待突破的方向。

综合比较结果表明，不同的耦合方法对于内涝情景模拟的结果具有重大影响（见表1）。因此，在进行内涝风险模拟时，应综合考虑城市的实际情况和需求，并结合现有的数据基础，选择适宜的耦合方法。

表1 各种耦合方法对比

3.5 数字高程模型精度选择

地形数据分辨率被广泛认为是影响水动力模拟结果可靠性的最重要因素。数字高程模型（DEM）是数字地形模型（DTM）和数字表面模型（DSM）统称，是生成内涝风险图的基础数据，其分辨率对整个模拟结果的准确性至关重要（见图8）。

图8 1 m网格（左）和10 m（右）网格的模拟结果对比

然而，美国地质调查局(USGS)国家海拔数据集作为FEMA制作洪水图的主要数据来源，其数据精度仅有20~30m空间分辨率，这已无法满足FEMA的现代化洪水地图需求（需要2~3m精度）。城市区域的下垫面比自然流域更加复杂。为了更好的模拟地表径流过程，城市区域内涝风险模拟所使用的高程数据精度比流域洪水风险模拟的更高。在获取地形数据后，需要对城市区域的涵洞、地下通道、道路路缘石、沟渠等水力构筑物高程进行处理和校正（见图9），这是整个城市内涝风险建模的重要内容。不同分辨率的地形数据刻画的建筑物轮廓与实际建筑物轮廓对比的结果（见图10）表明：分辨率值大于1m的地形数据无法准确刻画出建筑物的实际轮廓。

图9 DEM地形校正

图10 不同分辨率的地形数据与建筑物轮廓的契合度

一般认为精度高于1m地形数据才能较好刻画出排水路径和水力设施的确切位置和形状。建议在城市内涝风险图制作时，使用精度高于1m的DEM。随着计算机科学的发展，高精度的城市地形数据已经更加容易获取，精细的水力动力模拟也越来越经济。

3.6 降雨重现期的选取

在FEMA洪水地图和一些学者的研究中，主要考虑100年一遇的洪水频率。目前国内城市内涝风险研究也开始关注100年降雨重现期，但是单一重现期的选择减弱了风险地图的应用性。降雨重现期与内涝发生的概率有关，但重现期选择的标准仍然是随意的。重现期的选择应考虑水文水力过程和社会对该过程的响应。我国《室外排水设计标准》根据城市类型和人口规模划定了不同的内涝防治设计重现期（20~100年一遇），因此国内的许多内涝风险图仅考虑内涝防治设计重现期的风险情景。建议在设计降雨情景时，结合各城市发展现状，综合考虑内涝防治设计重现期（20~100年）、小概率降雨（100年和200年）和极端降雨（500年及以上）多个情景，以更全面地评估城市内涝风险。

3.7 致灾因子的选取

在国内，内涝风险评估大多以水深和积水时间作为划分内涝风险区的标准，这是由于缺乏致灾因子与受灾对象之间的脆弱性机理研究，导致无法合理评估内涝风险。内涝风险程度的影响因素主要包括流速、深度、流速和水深的组合。在发生内涝时，不仅水深会对受灾对象造成破坏，水流的冲击力也会导致人、车辆、建筑物等对象发生不稳定现象。研究表明，考虑水深和流速的致灾因子的内涝风险评估是十分必要的。建议结合城市发展现状，因地制宜开展致灾因子与受灾对象之间的脆弱性研究，并在内涝风险图编制过程中进行综合考虑。

3.8 受灾对象脆弱性分析

脆弱性分析目的是得到致灾因子与受灾对象的损伤程度的关系曲线。通常，这种曲线（函数）通过试验研究和历史经验数据获得，进而可在此基础上建立损失估计模型，如美国的HAZUS模型，德国的FLEMO模型，瑞士的CLIMADA模型等。

受内涝风险影响的对象包含行人、汽车、学校、地铁站、地下通道、地下商场、地下停车场等。然而，在进行内涝风险研究时我们不可能评估所有受灾对象的脆弱性关系，现阶段应选取主要的受灾对象进行研究，其他对象可予以考虑。许多学者对受灾对象的脆弱性进行了研究，包括使用积水深度×速度组合对行人和汽车稳定性关系进行研究，以及水深与建筑物的受损关系进行研究。

3.8.1 内涝对行人和汽车不稳定研究

行人失稳的两种公认的水动力机制是倾覆失稳（由力矩作用引起）和滑动失稳（由摩擦作用引起）。滑动失稳多发生在高速浅水区，而倾覆失稳多发生在深水区。倾覆失稳发生在迎面流产生的力矩超过人体重量的力矩时，并与人体受到的浮力、位置和重量分布有关系。当水平力大于人的脚与地面之间的摩擦阻力时，发生滑动失稳，这个稳定性参数与重量、浮力、地面条件有关系。

车辆失稳的主要水动力机制包括浮动和滑动。当向上的浮力超过位于水中车辆的重量时，发生漂浮，这种车辆失稳现象常发生在低流速、高水深的情景。当汽车受到的水平力大于水平摩擦力时，就会发生滑动（平移或侧翻），摩擦力与汽车质量、浮力以及轮胎与路面之间的摩擦系数有关。

3.8.2 内涝对建筑物损伤曲线的研究

SMITH绘制了建筑物基于水深×流速组合的关系曲线，然而在城市内涝中，建筑物结构损坏和内部损失主要与水深相关。因此，在城市内涝风险研究时，可忽略流速影响，使用水深-损伤曲线来评估建筑物损的损失。目前，有两种主要的损伤关系表达方式可供选择：一种是相对函数，表示损失的规模占建筑物总价值的百分比；另一种是绝对函数，表示损失的绝对价值。

建议在进行内涝风险研究时，应结合国内外相关研究，深入研究致灾因子与各受灾对象之间的脆弱性关系，建立符合实际的建筑物损失评估模型，并加快对行人和车辆（包括电动汽车）在内涝风险中的力学稳定性研究。

3.9 内涝风险等级划分

通常，内涝风险会根据风险等级进行划分，并用不同颜色编码的区域来表示。基于SMITH等的研究成果，可利用D×V组合来确定内涝对行人和车辆的影响程度，进而确定内涝风险的等级，可将其划分为低、中、较高、高四个等级（见表2）。借助ArcMap工具来可视化每个风险等级（见图11）在给定降雨情景下的风险区域，为决策者提供可视化结果。

图11 D×V与受灾对象脆弱性关系（根据 Smith 研究成果重绘）

表2 基于D×V的风险等级划分

3.10 城市内涝风险图编制流程

FEMA进行的洪水风险评估过程主要包含数据收集、水文水力模拟、损失估计、风险图绘制、风险数据库建立等关键环节。借助开发的HAZUS模型软件，FEMA能够对典型建筑进行损失评估，利用HAZUS内置的“水深-损伤关系”模块，计算在洪水深度下建筑物结构和内部财产损失。评估结果保存在风险数据集中，可利用GIS工具进行查看和应用。

为制定有效的城市内涝风险图，各城市可参考FEMA的做法，制定完善的编制流程（见图12）。在编制过程中，应当充分考虑排水管网的作用，并选择符合要求的一二维耦合的城市排水模型。此外，选用高精度的地形数据，分析致灾因子与受灾对象之前的脆弱性关系。最后，使用科学的方法进行风险等级划分，以形成有效的城市内涝风险图编制成果。

图12 城市内涝风险图编制流程

城市内涝治理是我国长期面临的一项重要任务。在编制内涝风险图时，需要解决以下关键问题：

 ①应提升高精度数字高程数据的有效应用，以满足城市地表径流模拟的要求。高精度地形数据已经可以方便地获取，但在使用前需要做好数据校正，充分融合地表水力设施和建筑物等数据； 

②加大内涝模拟软件开发和审核力度。城市管理机构应审查、测试和接受可使用的模型软件，并公开发布其适用场景和条件； 

③需要加强排水管网和地表之间的流量耦合机理研究，并强化耦合方法的本地适用性；

④应加强致灾因子与受灾对象的脆弱性机理研究。结合城市发展，根据受灾对象的脆弱性研究结果，选取合适的致灾因子与受灾对象脆弱性关系曲线（函数），并借鉴或开发风险评估模型，对受灾对象进行快速准确的评估；

⑤应规范内涝风险图的编制，形成齐全的编制成果，包括内涝风险报告、内涝风险图和内涝风险数据库； 

⑥有条件的地方应研究气候变化对风险的影响，采用智慧化手段提高城市内涝风险预测的水平。