基于土地利用的城市暴雨内涝灾害脆弱性评估_以上海浦东新区为例_张华

上海师范大学学报（自然科学版）

JournalofShanghaiNormalUniversity（NaturalSciences）

Vol．40，No．4Aug．，2011

基于土地利用的城市暴雨内涝灾害脆弱性评估

———以上海浦东新区为例

11211张华，尹占娥，殷杰，安佑志，张书娟（1．上海师范大学旅游学院，上海200234；2．华东师范大学资源与环境科学学院，上海200062）

摘

要：脆弱性评估是目前国际减灾和灾害风险研究普遍关注的热点问题．以上海市浦东新

区为例，利用2006年浦东新区土地利用和最近42年最大日降雨量数据，用P－III曲线拟合概

50、100、200、500、1000年的最大降雨量，率分布，推算重现期为20、结合已有的城市暴雨内涝评价模型和土地利用类型脆弱性函数，在对暴雨内涝危险性分析的基础上，对浦东新区8种土地利用类型在不同重现期下的脆弱性进行评价，得到浦东新区的综合脆弱性分布图．结果表明：①6种重现期下，浦东新区的居住用地、商业用地和绿地的脆弱性最大，农业用地、工业用地、事业单位次之，最小的是交通用地和水域；②从空间分布看，浦东新区脆弱性从中心城区向外呈逐渐降低的趋势，中心城区的商业用地和居住用地脆弱性最大，而郊区的农业用地脆弱性最小；③重现期200年是脆弱性变化的转折点，当重现期大于200年时，工业用地和农业用地脆弱性急剧增大．

关键词：暴雨内涝；土地利用类型；脆弱性评价；浦东新区

5137（2011）04-0427-08中图分类号：X43文献标识码：A文章编号：1000-

0引言

［1－2］

脆弱性评估是目前国际减灾和灾害风险研究普遍关注的热点问题．脆弱性分析是理解自然灾

害风险本质的前提，是将自然灾害与风险联系起来的重要桥梁．只有通过脆弱性分析，才能构建灾害损特别是在人口和财富聚集的大失评估与风险评估．城市暴雨内涝灾害一直是困扰城市发展的重大问题，

城市，进行有效的灾害管理，最大限度地降低对城市居民和社会经济财产造成的损失是当前防灾减灾部门的难题

［3－4］

．暴雨内涝脆弱性的评价方法主要有基于历史灾情数理统计的方法、基于指标体系的方法

［5－11］

和基于情景模拟的脆弱性方法．当前的研究主要是针对大尺度的、全球或区域性的脆弱性评价，方

［12－14］

法主要以历史灾情统计法和指标体系法为主，而小尺度的、基于情景的脆弱性函数评估方法还比较欠缺．同时针对暴雨内涝的脆弱性函数，学者开展研究比较多的主要是针对建筑类型和农业用地虽然已有学者建立了不同土地利用类型的脆弱性函数

［15－16］

．

，而针对城市不同土地利用类型进行的综

合脆弱性评价还不多见．因此，本文作者选取浦东新区为研究区域，利用其最近42年的年最大日降雨量，结合土地利用数据以及基础资料数据，参考已有土地利用类型的脆弱性函数，对浦东新区暴雨内涝进行情景分析和综合脆弱性评估．本研究不仅可以完善脆弱性评估的方法与案例，还可以为极端降雨灾

02-23收稿日期：2011-40730526）；上海市教委重点学科（J50402）；上海市科委创新行动计划基金项目：国家自然科学基金（41071324，

（08240514000）；上海师范大学重点培育学科项目（DZL801）

作者简介：张

华（1984－），女，上海师范大学旅游学院硕士研究生．

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害事件的损失评估提供依据，从而为政府防灾减灾提供科学支撑和决策依据．

1

1．1

研究区与数据来源

研究区概况

上海浦东新区地处上海市东大门，位于东海之滨，地处黄浦江下游和长江入海口南侧，全区面积

569km2，其行政区划图（图1）是上海市受海洋气候影响最大的区域，近些年来，浦东新区社会经济发展迅猛，已成为一个基本具备现代产业结构的新城区．同时，其日益增长的人口、高度繁荣的经济和重要的战略位置也决定了其面临灾害的高风险性和灾害评估与预防的重要性

［17］

．统计显示，浦东新区是夏季

加之排水设施不健全，是上海暴雨内涝的重灾区，随着极端降雨灾害发生频率暴雨内涝灾害多发地区，

2009年8月4日的大暴雨，的上升，浦东新区每年因暴雨内涝造成的损失严重，几个小时内，浦东的周浦累计降雨222mm，超过特大暴雨的标准，张江、六灶、川沙、航头等地也都达到了大暴雨的标准，雨量的过度集中，远远超过现有的排水能力，造成40多条段马路和50多个小区积水，近千户居民家中进水，并造成3人死亡，损失严重．1．2

研究数据

本研究利用的土地利用数据来自2006年3月上海市航空遥感图像解译得到的浦东新区土地利用数据

［18］

，并合并为本研究需

要的8种土地利用类型数据包括：居住用地、商业用地、工业用地、农业用地、事业单位、绿地、交通用地、水域；DEM数据来源于2005年上海市等高线数据，等高线间距为0．5m；1968～2009年，42年最大日降雨量数据和排水能力分布图均由浦东新区防汛办提供；SCS径流模型中用到的参数均借鉴已有的研究成果

［19］

．

图1浦东新区示意图

2

2．1

研究方法

P－III模拟不同重现期的最大降雨量

城市暴雨内涝的致灾因子为降雨，而极端强降雨发生的概率低但损失严重，不同重现期的最大降雨

量数据是目前防灾减灾策略制定的前提．本文作者利用目前研究中拟合暴雨频率结果较好的P－III型概率曲线

［20］

，拟合42年浦东新区的年最大日降雨量数据，得到不同重现期的最大降雨量数据．其概率

βα

f（x）=（x－x0）

Γ（α）

密度函数和保证率函数分别为：

α－1

e－β（x－x0）x≥x0，α＞0，（1）

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2

α=4/cs，

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（2）（3）（4）

β=2/σcs，x0=m1－

(2cv

s

，)c

m为式中，参数x0为随机变量x所能取的最小值，α为形状参数，β为尺度参数，Γ（α）是α的伽玛函数，cs为偏态系数，cv为变差系数．利用spss统计工具计算，数学期望，σ为均方差，并通过拟合优度检验，在显著性水平α=0．05，自由度为1时，查表得χ近42年最大日降雨量总体服从P－Ⅲ分布．2．2

城市暴雨内涝模型

研究参考已有的城市暴雨内涝模型数据．2．2．1

浦东新区地形模型

为了得到与利用ArcGIS将浦东新区0．5m×0．5m等高线数据转换成30m×30m的DEM数据，

现实相近的城市地表高程模型，需要对地形进行修正，去除由于数据误差或者是插值过程中生成的洼地

［20］

［21－24］

20．05

2220．05

=3．84，，通过计算χ=1．645，χ＜χ得出浦东新区

，结合ArcGIS的三维分析和空间分析模块，利用城市地形

模型、城市降雨和径流模型、城市排水模型进行模拟计算，获得6种重现期下的最大径流量、淹没深度等

．通过咨询有关专家，浦东新区的地形主要集中在3．0～5．5m之间，在有海塘的地方可达7m以城市径流模型

［25］

上，按照此标准，对生成的DEM数据低于3．0m以下的区域进行洼地填充，最后得到修正后的DEM．2．2．2参数

［17］

地表的产汇流的计算，采用经过修正的、适合上海地区的SCS水文模型，根据研究区的经验径流

和已经计算的降雨量数据来计算，在实际径流量的计算过程中，还需考虑城市的排水能力，根据

计算径流量和排水能力之差，最终得到不同重现期下的实际径流量．浦东新区2009年排水能力分布图，

其中排水能力值是假设日最大降雨量持续时间为2h，且排水设施没有达到排水限制的情形，实际净流量的计算公式为：

n

W=

（Qi∑i=1

－v）×S，（5）

式中：W为研究区总径流量；Qi表示第i个栅格单元的径流量；V表示排水能力；S表示栅格单元面积（30m×30m）；n表示栅格单元个数．2．3

不同土地利用类型的脆弱性函数

脆弱性（灾损率）函数用于描述承灾体在不同淹没深度下的损失率与淹没水深之间的关系

［12］

．不

同的土地利用类型由于其物理性质和功能的差异，其脆弱性随淹没水深的增加而变化．脆弱性函数的确定是脆弱性研究的关键，目前暴雨内涝的脆弱性函数主要有2种，一是基于实际的内涝事件的损失结果，数据要求准确，且不同地区不可以相互借鉴；另一种是基于对不同淹没情景的分析，且可以外推到其他的研究地区．本研究借鉴已有学者建立的33种土地利用类型的脆弱性函数，建立浦东新区8种土地利用类型的脆弱性函数．将暴雨内涝淹没深度图和土地利用类型的栅格图进行叠加分析，得到浦东新区不同淹没情境下土地利用类型的脆弱性分布图．

430

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3

3．1

结果与分析

暴雨内涝淹没分析

根据计算得出的暴雨内涝总径流量，结合城市地形数据，根据径流量与淹没体积相等的原理，采用

GIS中的“等体积法”，50、凡是高程低于淹没高程的栅格都计入淹没区，得到6种重现期（T）分别为20、100、200、500、1000年的最大淹没深度（表1），利用GIS中的栅格计算，使浦东新区DEM与不同重现期的淹没水深栅格图进行栅格相减，得到不同情境下的浦东新区暴雨内涝的淹没深度分布图（图2）．

表1

指标重现期（年）降雨量（mm）总径流量（×106m3）最大淹没深度（m）

T120164．433．784．12

浦东新区不同重现期最大淹没深度T250197．548．974．17

T3100222．460．544．22

T4200247．281．254．28

T5500279．997．354．33

T61000304．6109．594．36

图2浦东新区暴雨内涝不同重现期淹没深度

从淹没深度图中可以看出：

（1）随着暴雨重现期的增长，200、1000年一遇是淹没情景淹没面积和淹没深度都在增加，其中50、20～50年一遇变化最大的是在南部的孙桥的转折点，淹没面积和淹没深度在不同地区出现急剧增加，镇、张江镇以及川沙镇的一部分和东部的高东镇、合庆镇等，淹没深度由0．1～0．5m增加到0．5～1．0m．从100年到200年一遇变化最大的是在北部的高桥镇，从不被淹没到被淹没．500～1000年一遇变化最大的是在金桥镇，淹没深度由0．1～0．5m增加到0．5～1．0m．

（2）在6个暴雨重现期的淹没深度图中，淹没深度范围主要在0．1～0．5m之间，从50年一遇开始，淹没深度在0．1～0．5m和0．5～1．0m之间的范围急剧增加，淹没深度最大的地区是在内环线以内的梅园新村、潍坊新村、洋泾等街道，以及南部的孙桥镇，这些地区是低地势，排水能力相对较差的地区，而北部高桥镇、东南机场镇以及西南的三林镇、北蔡镇等由于地势高，而一直不被淹没．

第4期张华，尹占娥，殷杰，等：基于土地利用的城市暴雨内涝灾害脆弱性评估－以上海浦东新区为例

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（3）从淹没的土地利用类型来看，农业用地淹没面积最大，但淹没的深度变化较小，基本都在0～0．5m之间；商业用地和居住用地淹没面积小，200、1000年一遇急剧但淹没的深度变化大，在50、增加，淹没深度大部在0．5～1．0m之间；浦东机场以及交通用地和绿地的淹没深度小，其他用地的淹没面积和深度变化不大，北部高桥镇的工业用地和西南部地区的农业和部分居住用地一直没有被淹没．3．2

土地利用类型的脆弱性函数

根据已有学者建立的33种土地利用类型的脆弱性函数，结合浦东新区的土地利用类型特征以及暴建立浦东新区8种土地利用类型脆弱性函数（表2）．雨内涝的淹没深度，

表2

浦东新区8种土地利用类型的脆弱性函数

暴雨内涝脆弱性（%）

0～0．1m20001015000

0．1～0．5m

3005403525201

0．5～1．0m

40510605060404

1．0～1．5m

50520808080605

土地利用类型

绿地水域农业用地商业用地居住用地事业单位工业用地交通用地

0．1～0．5m，0．5～1．0在Arcgis9．2中，将淹没深度按照已有的分级标准分为4级：0～0．1m，m，1．0～1．5m，将土地利用类型图与6种情景下的淹没深度范围图进行叠加分析，统计得到各土地见表3．从表3中可以看出，①不同土地利用利用类型在不同重现期下的脆弱性的平均值（脆弱度），

T3和T4是各土地利用类型脆弱性增大的转折点，类型的脆弱性大多随着重现期的增大而增大，急剧增大的是绿地，水域和交通用地的脆弱性一直不变．②相同重现期下，商业用地、居住用地、绿地和事业单位用地的脆弱性较大，农业用地和工业用地的脆弱性处于中间，而水域和交通用地为0．③不同重现期下，绿地的脆弱性变化率较大，其他各土地利用类型的脆弱性变化率比较平缓．

表3

土地利用类型

绿地水域农业用地商业用地居住用地事业单位工业用地交通用地

T1000．809．1015．60000

不同重现期各土地利用类型的脆弱性

T2001．6510．9018．003．4000

T320．5002．1013．6019．606．760．200

T423．0002．6515．7021．408．842．000

T524．5002．8516．9022．2010．122．800

T625．5003．1018．1023．0010．963．400

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3．3不同情景下的各土地利用脆弱性分析

利用Arcgis9．2，提取8种不同的土地利用类型，并分别建立图层，用其去裁剪不同重现期的淹没深

度图，得到不同土地利用类型在不同重现期下的淹没深度范围，将每类土地利用类型的淹没深度按照已并将脆弱度作为该等级的属性值，得到每种土地利用类型的脆弱性分布图，有的脆弱性函数进行分级，

利用栅格叠加计算，将同一重现期的各种土地利用类型的脆弱性分布图进行叠加，得到浦东新区不同重现期各土地利用类型的暴雨内涝脆弱性综合分布图（图3）．

图3浦东新区不同重现期暴雨内涝灾害脆弱性分布图

从浦东新区不同暴雨内涝情景下的各土地利用脆弱性分布图可以看出：

（1）浦东新区内环线以内的商业用的和居住用地脆弱性较高，从内环中心向外，脆弱性呈逐渐降低的趋势．这是因为此处地势较低，导致淹没深度大，且商业用地和居住用地的脆弱度大；脆弱性低的地区分布在淹没深度低且土地利用主要为农业用地的区域，其中北部和西南部以及浦东机场地区，由于地势高，在6种重现期下一直处于无淹没状态，其脆弱性几乎为0．

（2）浦东新区大部分地区脆弱性大，随重现期的增加，其高脆弱性的地区范围越来越大，其中重现变化的范围和强度都急剧增加．不同土地利用类型的脆弱性分布图与期200年是脆弱性变化的转折点，

淹没深度图很相似，对于同一土地利用类型，淹没深度越大，其脆弱性越大．

（3）不同的土地利用类型，对于同一淹没深度，由于其本身物理性质的差异，脆弱性不同，附属绿地的脆弱性最大，其次为商业用地和居住用地，再次为学校、工业用地、农业用地、交通用地，其中水域的脆弱性为0．在郊区，淹没深度相同的居住用地、农业用地和工业用地中，由于居住用地比工业用地和农业用地的脆弱性大，其脆弱性明显偏大，而工业用地比农业用地的脆弱性大，其脆弱性比农业用地要高．

4结论与讨论

本文作者以浦东新区频发的暴雨内涝为对象，利用P－III概率分布曲线拟合不同重现期的日最大

降雨量，借鉴已有的城市暴雨内涝评估的模型，在对致灾因子危险性分析的基础上，根据不同土地利用

第4期张华，尹占娥，殷杰，等：基于土地利用的城市暴雨内涝灾害脆弱性评估－以上海浦东新区为例

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类型的脆弱性函数，对浦东新区8种土地利用类型进行脆弱性评价，获得不同土地利用类型的脆弱性综合分布图．6种重现期下，浦东新区的居住用地、商业用地和绿地的脆弱性最大，农业用地、工业用地，事200年一遇是脆弱性变化的转折点，业单位次之，最小的是交通用地和水域，当重现期大于200年时，工浦东新区的脆弱性，从中心城区向外呈逐渐降低的业用地和农业用地脆弱性急剧增大；在空间分布上，

趋势，中心城区的商业用地和居住用地脆弱性最大，而郊区的农业用地脆弱性最小．相比以往的研究，结合不同土地利用类型本身物理特征等的差异，建立不同淹没深度的脆弱性函数，使得评价结果精度更高，更能为防灾减灾部门提供很好的依据．该结果但若有足量的降雨量数据和更加精细的土地利用类型分类数据，改进和完善脆弱性函数，将提高脆弱性评估的精确性，可以给浦东新区防汛部门灾害风险管理工作提供一定参考．

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VulnerabilityAssessmentofUrbanRainstormwater－logginginPudong

ofShanghaiintermsofLandUse

ZHANGHua1，YINZhan-e1，YINJie2，ANYou-zhi1，ZHANGShu-juan1

（1．CollegeofTourism，ShanghaiNormalUniversity，Shanghai200234，China；

2．CollegeofResourcesandEnviromentalScience，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China）

Abstract：Vulnerabilityassessmentisoneofthecommonconcernhotspotsincurrentinternationaldisasterreductionanddisasterriskresearch．PudongDistrictinShanghaiwasselectedasastudyareainthispaper．Relyingontheland－usetypesdataandthemaximumdailyrainfallofthepast42years，andusingtheP－IIIprobabilitydistributionfunction，thepaperhavegotthemaximumrainfallsoftherecurrenceperiodsof20，50，100，200，500，1000years，respectively．Basedontheexistingevaluationmodelofurbanrainstormwater－loggingandlandusetypes，thepaperassessedthevulnerabilityoftheeightlandusetypesinPudongDistrictunderdifferentmaximumrainfalls，andmadevulnerabilitydistributionmapsofdifferentrecurrenceperiodsofthemaximumrainfallsinPudongdistrict．Researchresultsshowedthat1）theresidential，commercialandgreenlandarewiththehighestvulnerability，followingaretheagricultural，industrialandthegovernmentofficeland，andthelowestarethetransporta-tionandwaterland；2）thevulnerabilitygraduallydecreasedoutwardfromthecentercity，andthecentercitycommerciallandandresidentiallandarewiththehighestvulnerability，whiletheagriculturallandincountryisofthelowest；3）oncetherecur-renceperiodsaremorethan200years，thevulnerabilityoftheindustriallandandagriculturallandwillincreaserapidly．Keywords：rainstormwater－logging；landusetypes；vulnerabilityassessment；PudongDistrict

（责任编辑：包震宇）