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2014 , Vol. 33 >Issue 9: 1668 - 1679

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201409008

北京中心城区内涝成因

  • 孙喆 1, 2
展开
  • 1. 北京大学城市与环境学院, 北京100871
  • 2. 北京大学建筑与景观设计学院, 北京100871

作者简介：孙喆（1988-）,男,贵州毕节人,博士生,研究方向为城市规划与设计

网络出版日期: 2014-09-20

基金资助

国家自然科学基金项目(51078004)

收起

Causal Factors of Local Floods in Beijing Central City

  • SUN Zhe 1, 2
Expand
  • 1. College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
  • 2. College of Architecture and Landscape Architecture, Peking University, Beijing 100871, China

Online published: 2014-09-20

Copyright

《地理研究》编辑部
Fold

摘要

城市化的发展改变了原始的自然水文循环系统,打破了水量的均衡而导致了城市内涝。本文梳理了应对雨水的基本模式,并总结出与城市规划相关的三方面主要致涝因素——城市土地利用、水系统和基础设施。以北京中心城区为案例,综合考虑城市用地变化过程,从城市基本汇水区单元的视角出发,分析城区内涝程度和上述三方面因素之间的关联规律。结果表明平均坡度、河网密度与城市内涝程度呈线性正相关;耕地比率、林地比率、荒地比率与城市内涝程度呈线性负相关;而不透水表面比率和建设用地比率与城市内涝程度呈指数正相关关系。

关键词： 城市内涝; 土地利用; 相关分析; 北京市

本文引用格式

孙喆 . 北京中心城区内涝成因[J]. 地理研究, 2014 , 33(9) : 1668 -1679 . DOI: 10.11821/dlyj201409008

Abstract

Urbanization has changed the original natural hydrological systems, broken the natural balance of water flow and in some cases caused local floods in urban area. Having reviewed different storm water treatment modes, three key causal factors of local floods related to urban planning are identified: urban land use, storm water system and infrastructure. Taking the central city of Beijing as case study area, this article summarizes the underlying urban surface changes in recent years. Comparing Beijing city’s land use data from the year 1993 with data from 2007, the study reveals that 241 km2 of land has been constructed upon. In addition, 37.5 km2 of water body surface has been developed upon as well. The change of land use structure significantly increases the amount of impervious surface, which has produced much more storm water while decreasing the amount of spaces which could store water in the city. Since the relief of Beijing central city is relatively flat, traditional delineation method based on the digital elevation model (DEM) would face some constraints. In this study, considering the fact that the real storm water catchments are affiliated with the underground drainage system, we have developed a method to delineate 62 catchments of Beijing central city based on the underground drainage system layout. Besides that, we have spatially digitalized the local flood points of Beijing’s central city from 2004 to 2012 into a database. The database is developed based on data collected from newspapers as well as field surveys. Using the catchment delineations, we analyze urban local floods in relationship with: urban land use, water systems and storm water infrastructure characteristics. The main findings can be summarized as follows. First, through the Pearson correlation analysis, it is revealed that average slope, construction land ratio, impervious land ration and density of rivers are significantly positively correlated with local flood degrees, while arable land ratio, ratio of woodlands, and vacant land ratio are significantly negatively correlated with local floods. Further analysis shows that while using regression simulation, arable land ratio, woodland ratio, vacant land ratio and urban local floods have a negative linear correlation. Finally, there is an exponential relationship between impervious surface ratio, construction land ratio, and the degree of local floods as well.

Key words： urban local floods; land use; correlation analysis; Beijing

1 引言

城市化是目前中国发展的大背景,是不可抗拒的社会经济发展规律[1, 2]。据国家统计局数据显示,改革开放以来中国一直处于连续的城市化进程当中,2011年中国城镇化率已超过50%[3]。然而,城市化进程中的建设,人口和产业聚集产生的外部负效应都在一定程度上对环境带来了“建设的破坏”[4],其中包括对文化遗产等人文环境和对土地资源、森林、河流等自然环境的破坏。从水文学的视角上看,城市化也是破坏自然水文平衡的重要因素。城市化前后,水文循环特征明显不同：在天然流域内,降雨部分被植物截留,余下部分在地上蓄留于洼地内,或开始入渗;而在城市流域之中,由于蓄水量和下渗量极少,蓄满和坡面漫流发生较快,往往形成大量地表径流[5]。中国当下的快速城市化进程正在对水文环境造成巨大影响[6],大规模的建造活动产生了面积巨大的不透水面,这种土地利用形态和格局的变化对流域的水文过程带来了极为不利的影响,导致了水环境的退化。数量巨大无法下渗的雨水增量打破了原有自然状态下的水平衡,由此产生的地表径流导致了洪峰出现时间提前,洪峰流量加大的后果,甚至在强度时长均较小的降雨当中也仍然如此[7, 8]。
Fig. 1 Comparison between natural catchment and 100% impervious urban catchment

图 1 天然流域和100%不透水城市流域比较[5]

实际上降水只是普通的自然规律,人类在聚居于城市的漫长历史过程中,逐步掌握了多种应对雨水的方法,通过不同的技术手段,将聚居区内多余的水量转移到其他地方。归纳起来,应对雨水的体系设计主要基于如下三种模式：输送（conveyance）、滞留（detention）、截留（retention）[9]。其中,输送模式主要是指通过直接而迅速的手段,利用雨水管网,在尽量短的时间内把尽量多的上游场地上的积水输送至远离场地的下游。这虽然解决了场地本身的积水问题,但在汇流过程中产生的洪峰流量能在河道中不断地迅速叠加,从而将雨洪产生压力转嫁到了下游。随着城市的扩张,这种直接的排水模式增加了雨洪排泄的频率,提高了雨洪峰值,缩短了洪峰到达时间。当降水较大时,常常造成下游河道水位上涨产生顶托,造成了下游发生内涝。随之而来的大量初期雨水污染也严重地影响了河道水质,恶化了城市水系统[10-12]。滞留模式的产生正是为了解决输送模式带来的问题,其基本设想是先将雨洪径流进行暂时的储存,随后以一个更低的速率释放到受纳水体之中,降低水流峰值,减小对下游的冲击[13]。滞留模式对小频率大暴雨所产生的城市径流有较好的效果,但对平常较大频率而规模有限的小型暴雨并不能有效应对[14]。建设大型的滞留设施并同时使用较小的溢流参数可以比较有效地延缓径流时间,降低径流峰值和峰速,但也无法很好解决非点源污染进入水系统的问题[15, 16]。由于滞留模式仍然未能很好地模拟自然水文循环,强调截留和下渗的新模式在此基础上发展起来。其主要核心思想是在场地源头将雨水进行少量而分散地截留和吸收,并通过蒸发、植物蒸腾以及下渗回灌等方式,减少汇水区的外排频率并降低对下游河道的冲击,同时也能够对初期径流进行一定改善[17, 18]。在这种具有生态效益的雨洪处理模式中,雨水不再是河流湖泊的累赘和急于被排泄的废物[19],而是被适当地滞蓄下渗,有效地减轻了城市管网排水的负担,并使得雨水得到资源化利用,是目前综合效能较高的处理方法。
城市应对雨水的三种模式里,中国快速城市化具体实践中更多的是应用了输送以及滞留的方式,也就是修建雨水管道、蓄水池等灰色基础设施。然而在实践当中常常会发现,这些设施的应用后果却不甚理想,降雨之时也往往伴随着城市内涝事件发生。城市内涝已成为国内各大城市面临的严峻问题,北京、西安、武汉等大城市在夏季降雨密集时段,时有发生遍及全市的内涝灾害,造成了较长时间的城市基本机能瘫痪,也给市民生活带来了极大负面影响[20]。
城市内涝是错位了的水资源：一方面,城市缺水问题日趋严重,另一方面,城市内涝却愈演愈烈,这两种关于水量状况的截然不同的现象凸显了当下严峻的水矛盾。如果按照整个水文过程的组成进行归类,那么造成城市内涝的因子大致可以分为四个方面（表1）：就气象条件而言,宏观来看降水存在趋向性变化,并且有发生暴雨过程与天文高潮重叠的情况,微观上主要指短时强降水或过程雨量偏大的暴雨、大暴雨甚至特大暴雨在时间或空间上极度聚集[21-24],产生了致涝的背景条件;在自然水系统方面,大尺度的水土流失、围垦造田,大范围内的输水工程改变水系整体蓄滞能力,微观上坑塘湖泊、城市水道等水域面积减少,使水体机能受到破坏[25-27],加剧了内涝发生的威胁;从人工水系统的角度来说,城市人口增加,相应的用水结构变化导致排水量增大,城市蓄滞水场地受到侵占[28],低洼绿地的蓄滞能力受限[29],城市建设造成的不透水面积增大[30],城市热岛效应,排水管网密度小、排水能力低[31-35],河道和排水系统的高程衔接不畅[36],都对城市内涝的产生有一定影响;在管理方面,气象服务预测体系不够完善导致应急处理产生滞后[37],垃圾倾倒堵塞排水口,私搭乱建干扰侵占排水设施[36],水体景观特性与排洪需求之间产生矛盾[38],也在一定程度上导致了城市内涝的发生。
Tab. 1 Causal factors of local flood and related urban planning issues (From reference [20]-[37])

表 1 内涝影响因素及城市规划相关内容（据参考文献[20]-[37]整理）

类别 影响因素 城市规划相关内容
气象条件 宏观 降水趋向性变化 规划适应性
微观 短时强降雨时间空间集聚 城市空间集聚
自然水系统 宏观 水土流失、围垦造田 土地空间格局
跨区域输水工程 区域水系
微观 坑塘湖泊减少 城市土地利用
人工水系统 宏观 城市用水结构变化 规划水安全承载力
微观 建设不透水面增大 城市土地利用
排水管网能力低 城市基础设施
河道和排水系统衔接不畅 城市水系统
城市管理 宏观 气象预测体系不完善 城市灾害预警
微观 排水设施受到侵占 规划管理实施
探究许多具体的城市内涝案例往往会发现,上述四方面原因常常同时发生,共同造成了城市水文循环的紊乱,产生了城市内涝等问题。从各类别因素与城市规划有关内容的分析可知,城市土地利用、水系统、基础设施这三个方面是城市规划领域致涝因素的关键。本文将以北京中心城为案例,分析北京中心城内涝的具体成因。

2 案例研究

2.1研究区域与数据来源

研究区域选取了北京市中心城区为例,根据北京市总体规划（2004-2020年）,北京中心城区即北京的规划市区,占地面积约1088km2。北京中心城区城市化程度较高,主要位于北京的平原区域,地市较为平坦,属于较为典型的平原城市建成区。
研究中,1993、2007年北京市土地利用调查数据来源于北京市国土资源局;研究区数字高程模型（DEM）数据来源于ASTER GDEM数据库,分辨率30米;不透水表面数据来源于清华大学CESS（Center for Earth System Science）数据库[39],分辨率30米;研究区雨水干管图来源于北京市总体规划（2004-2020年）雨水排除系统规划;内涝点的数据由作者结合媒体报道及现场调研获得并数字化。
Fig. 2 Land use atlas of Beijing central city in 1993 (a), 2007 (b); impervious cover (c) and DEM (d)

图 2 北京中心城1993（a）、2007年（b）土地利用图;不透水地表分布（c）及DEM图（d）

2.2北京中心城区土地利用变化

由于城市化进程的不断深入,北京的用地也发生了剧烈的变化,下垫面的改变对城市的雨洪过程产生了巨大的影响,不透水铺装面积的增加导致内涝频发[40]。对比北京中心城1993年及2007年土地利用图可知,建设用地在这14年的时间里扩张了相当的程度,甚至许多原本的河流水面用地也变成了建设用地,这种变化对水系统整体产生了巨大的负面影响。自然河道与建设用地之间原本具有的能够起到生态缓冲作用的绿地格局趋于破碎,这一方面会加重城市水系统的面源污染,进一步恶化城市水系的水质;另一方面,也增加了暴雨径流的水量,加大了城市内涝的风险。
从北京中心城1993-2007年其他用地转为建设用地图（图3）中可看出,城区各主要河道的中下游均有大规模的其他用地转化为建设用地。从北京中心城1993-2007 土地利用转置矩阵（表2）中可看出,1993-2007的这14年中,有241 km2的其他用地转化为了建设用地,当中占最大比重（79.7%）的是耕地,共192.2 km2。此外,河流水面被侵占的情况也比较严重,共有37.5 km2的河流水面用地转化为其他性质用地,当中最大比重（40.6%）的河流水面转化为了建设用地,共19.2 km2。城市建设用地的增加以及河道水面的减少,降低了城市水面率,也极大地降低了城市调节雨洪的能力,一方面增加了水过程中的产流规模,一方面也减少了消纳雨水的数量,极易导致水量失衡,从而引发洪水、内涝等水灾害。
Fig. 3 Construction land converted from other land use types in Beijing central city (From 1993 to 2007)

图 3 北京中心城1993-2007年其他用地转为建设用地图

Tab. 2 Land use conversion matrix of Beijing central city from 1993 to 2007

表 2 北京中心城1993-2007 土地利用转置矩阵

单位-公顷 耕地 建设用地 林地 其他农用地 其他用地 园地 总计
耕地 19219.67 7478.12 923.90 574.02 1190.58 29386.29
河流水面 130.31 1521.47 270.04 1170.07 646.57 10.98 3749.44
建设用地 434.43 3493.58 404.37 262.80 148.70 4743.88
林地 70.59 1122.72 52.30 41.00 69.84 1356.46
其他用地 34.04 526.45 139.81 29.32 8.49 738.11
园地 178.66 1709.86 551.09 155.15 50.03 2644.79
总计 848.04 24100.17 11932.63 2735.11 1574.43 1428.59 42618.97

2.3北京中心城区内涝成因研究

2.3.1水系演变及汇水区划分
北京中心城水系演变可追溯至元大都建都时期,但历经数百年的时代变迁,特别是近现代阶段,现代工业技术产品应用到了水系管理的各个方面。雨水的排除从前工业模式下的地表沟渠变成了地下管道输送,调控水流水量的闸坝也换成了橡胶坝等现代设施。从雨洪过程的角度而言,北京市中心城以五条河道为排水干流分为了五个流域：北部清河、东部坝河、西部永定河、南部凉水河、中部通惠河。每条河道连接若干雨水干管,干管汇集若干次级支管,以此形成了具有三级层次结构的复杂系统（图4）[41]。城市水环境具有系统性,通过流域、汇水区的划分,城市水文单元由小积大,构成了整体的水文系统。但需要特别注意的是,水问题是系统性问题,虽然发生内涝的只是某些特定的点,但产生内涝的原因是这些内涝点所处汇水区雨洪平衡破坏,因此不能延续头疼医头、脚疼医脚的狭隘思路,仅仅从内涝点本身来切入分析,需要从汇水区的视角进行探究。
Fig. 4 Stormwater system in Beijing central city

图 4 北京中心城雨水排除系统

汇水区划分是进行水文分析的基础,在自然状态的流域当中,汇水区划分技术比较成熟。利用数字高程模型（DEM）为基础数据,通过“八向法”（D8算法）提取水文要素进而得到汇水区划分。然而在平原地区,由于地势平坦,直接通过D8算法从DEM提取的径流方向与水文要素常常出现错误（如出现平行状汇水线),由此所得的汇水区边界与实际情况往往产生很大差异[42, 43]。而且,在城市环境当中,地下管网系统对雨水的收集和输送决定了实际的汇水区范围,因此在实践当中,可以通过雨水管网系统的结构来划定汇水区[44, 45]。北京中心城区地势平坦,在整个城区的尺度下,地形因素对于汇水区划定影响较小。同时,考虑到地下雨水管网建设本身投资的经济性要求,管网本身的空间位置已经反映了相应的高程因素,使得地块当中的径流能够因势利导进入管网。因此,在考虑到城市雨水排除系统的层次结构的基础上,本文尝试利用城市雨水管网系统为基础,依照城市范围内的单元地块到管网系统的距离最小为判别标准,以此划分汇水区（图5）,将整个中心城划分为62个汇水区。
Fig. 5 Method of catchment delineation (left) and catchments distribution (right)

图 5 汇水区划分方法（左）及划分结果分布（右）

2.3.2内涝成因分析
从城市水文过程的整体性特征考虑,内涝的发生是因为汇水区系统内的水量平衡被打破而表现出的失衡状态。本文以上述划分的汇水区为基础,将城市内涝的程度定义在汇水区的层级。通过对各汇水区的内涝程度及区内特征进行分析,得出导致内涝的相关因子,并解析城市内涝产生的机制。
根据近年来（2004-2012年）北京中心城区内涝点的空间位置数据（图6左）,结合水系现状来看,内涝点的分布并不随机,因此可以基本断定内涝现象的发生存在相应的空间规律。以上文中所得汇水区作为基本水文单元,将内涝点分别归属到相应的汇水区当中,并计算出各区内单位面积内涝频次（单位：次/平方公里）作为判别变量进行排序（图6右）。由图可知,在较大的河道流域范围内而言,南部凉水河流域以及中部通惠河流域内涝程度更为严重,在流域内部来看,城市河道的中下游的内涝程度比上游更严重,这与过往的其他案例比较吻合。由前文所知,城市土地利用、水系统、基础设施是城市规划相关的重要致涝因素,故下文将从此三方面内选取变量：城市土地利用（地表覆盖：各用地类型比率,不透水表面比率;地表地形：平均高程、高程标准差、坡度平均值、坡度标准差）,水系统（河网密度）、基础设施（雨水管网密度）。对上述3个组15个变量与内涝程度进行Pearson相关分析,探求内涝产生的原因。
Fig. 6 Distribution of local flood point (left) and severity degree of local flood in catchments (right: frequency/area)

图 6 北京中心城内涝点分布（左）及汇水区内涝程度（右：频次/面积）

结果表明（表3）,在城市土地利用方面,就汇水区内地表覆盖的各类用地面积比例而言,在置信度a=0.01的条件下,耕地、林地面积比率与汇水区内涝程度存在显著负相关关系;在置信度a=0.05的条件下,荒地比率与汇水区内涝程度存在显著负相关关系。这表明耕地、林地和荒地作为透水地面,能够在一定的程度上起到滞蓄雨洪的作用,减少内涝的发生。在置信度a=0.01的条件下,建设用地比率、不透水地表比率与汇水区内涝程度皆存在显著正相关关系,相关系数分别为0.464及0.459,这印证了前文所说的人工建设对于水文环境具有极大的负面影响,也说明了作为不透水面主要载体的建设用地是造成城市内涝的重要原因。在城市建设中如若不能以较好的措施解决这种人工建设对自然水系的破坏,那么相应地产生了水灾旱灾以及水质污染等现象也是在所难免。而地表地形也影响了内涝的产生,平均坡度与汇水区内涝程度在置信度a=0.05的条件下存在显著正相关关系。这表明了平均坡度越大的地块发生内涝的风险越高,因为区内平均坡度越大则雨水汇流时间越短,给排水管网的压力越大;此外,坡度越大说明下凹程度越高,而洼地排水需要借助抽水泵站等设施,这也增加了城市内涝的风险。因此在坡度较大的汇水区内的低洼地段,应该采取相应的措施来防止内涝的产生。雨水河网系统因子中,河网密度与汇水区内涝程度在置信度a=0.01的条件下存在显著正相关关系,相关系数为0.826,这意味着在河网越密集的汇水区受到内涝威胁越大,这也从另一个方面暗示了目前城市河道系统的基本水文功能受到损害,不能够正常地疏解雨洪、降低水灾害,反而成为产生雨洪灾害的危险因素。然而,在本次分析当中,雨水管网密度和内涝程度之间的相关性并不显著（Sig=0.881）,这可能是因为本次分析仅针对市级雨水干管进行,有待进一步获取更详细的管网数据进行分析研究。
Tab. 3 Pearson correlation analysis between degree of local flood and 3 groups of factors

表 3 内涝程度与3组影响因子的相关分析结果

Pearson相关系数 Sig. (2-tailed)
平均坡度 0.391* 0.010
耕地比率 -0.394** 0.010
林地比率 -0.518** 0.000
建设用地比率 0.464** 0.002
荒地比率 -0.365* 0.017
不透水地表比率 0.459** 0.002
河网密度（km/ km2） 0.826** 0.000
雨水管网密度（km/ km2） -0.024 0.881
**. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).
*. Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).
对通过相关分析提取的相关因素作图及进行回归模拟（图7）,内涝程度与汇水区内平均坡度呈线性关系（R2=0.1532）,内涝程度（次/ km2）与平均坡度（坡度角度的正切值）的比值系数为0.1249;内涝程度与河网密度呈线性关系（R2=0.6823）,相应比值系数为1.5801,这是因为城市河道大多都被渠化、硬化,糙率下降,暴雨时水流速度增加,导致洪峰提前、水面急涨,出现顶托倒灌等现象,密集的河道反而增加了内涝的风险;内涝程度与耕地比率、林地比率及荒地比率均呈线性关系（R2分别为0.1553,0.26870,0.1335）,相应比值系数分别为-3.8621,-3.5847,-38.78;内涝程度与不透水面比率及建设用地比率均呈指数增长趋势（R2分别为0.3455及0.4048）,反映出了不透水面和建设用地对水文环境破坏作用之巨。然而,公园绿地比率与城市内涝程度却没有显著相关。这也表明了目前的城市公园绿地未能够起到有效的调节雨洪,就地滞水蓄水,改善城市水文环境等作用,在今后的城市规划建设中应充分发挥其截留、滞留雨水的潜能。
Fig. 7 Regression simulation analysis between degree of local flood and its related factors

图 7 内涝程度与其相关因素的回归模拟

3 研究结论及讨论

研究在梳理应对雨水的基本模式的基础上,总结出城市土地利用、水系统、基础设施这与城市规划相关的三方面内容是导致内涝的关键,以北京中心城区为案例,综合考虑城市用地变迁,从城市基本汇水区单元的视角分析影响城区内涝程度的相关因素。
研究结果发现,在城市土地利用方面,地表覆盖与城市内涝程度有着密切的关系,城市内涝程度与汇水区中的不透水面比率及建设用地面积比率呈正指数相关的趋势,而与耕地、林地和荒地在汇水区中的面积比率呈负线性相关。地表地形方面,城市内涝程度与汇水区平均坡度呈线性正相关。水系统方面,城市内涝程度与汇水区内的河网密度呈正相关,这可能是因为在高度城市化的区域,河道系统大多都被渠化、硬化,基本水文功能受到损害,不能够正常地疏解雨洪、降低水灾危害,反而成为产生雨洪灾害的危险因素。在北京市近年易涝场地的调研中发现以下情形：降雨过程中河道水位快速升高、发生顶托,进而导致河水倒灌,引起内涝（如2012年7·21暴雨中,北京广渠门铁道桥案例就是一个证明）。本次研究当中,基础设施方面的雨水管网密度和内涝程度之间的相关性并不显著（Sig=0.881）,这可能与本次分析仅针对市级雨水干管进行有关,有待进一步深化研究。
在近年快速城市化进程的背景下,建设用地的剧增对城市本底的自然水文系统带来巨大的影响,打破了原本平衡的水文循环过程,造成水质下降,水量失衡等问题。建设用地大量侵占河流水面,更是加剧了水问题矛盾激化,造成恶劣的影响。在当前城市规划和建设过程中,对于公园绿地、林地等能够承担城市生态系统服务的用地利用方式粗放,未能较好地发挥其蓄滞雨涝的功能,使得城市内涝渐渐升级为威胁现代城市发展的顽疾之一,这既是严峻的挑战,也是相关从业者的机遇。在未来的建设实践中,一方面要继续保持节约集约用地的基本策略,尽可能地减少建设用地的无序蔓延,保护好河流水面等在水文循环中起到重要作用的具有生态功能的用地;另一方面,更需要在城市现状本底的基础上,对公园绿地等能够承担生态系统服务的各类用地进行有效整合,引进相应的工程技术手段,例如BMP（最佳雨洪管理实践）、LID（水文环境低影响开发）、GI（绿色基础设施）等,利用土地雨水生态廊道系统[46]等设施,建设雨洪友好的、能够留得住雨水的宜居城市,解决困扰城市发展的“城市内涝”顽疾。

The authors have declared that no competing interests exist.

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