城市内涝灾害致灾机理分析与研究展望

梁 爽，贺山峰,2，王 欣，李明启

(1.河南理工大学 应急管理学院，河南 焦作 454000；2.曲阜师范大学 地理与旅游学院，山东 日照 276826；3.中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)

0 引言

近年来，我国内涝灾害频发，严重影响了公共安全和居民正常生活，成为制约城市可持续发展与城市化水平提升的现实难题之一。2012年，“7·21”北京特大暴雨导致城市内涝造成79人死亡，约160.2万群众受灾，直接经济损失116.4亿元；2016年7月，武汉暴雨内涝导致14人死亡，约75.7万人受灾，直接经济损失22.65亿元；2018年，四川、重庆、北京等多个南北城市也都发生了严重的内涝灾害。仅2017年，全国就有30个省遭受了内涝灾害，灾害损失惨重，逢雨必涝成为很多城市的通病。内涝灾害的发生可能会在很大程度上造成城市生命线工程系统瘫痪，社会经济活动被迫中断，给城市建设、环境安全和社会稳定带来不同程度的危害，甚至造成更加严重的人员伤亡和财产损失。

全球气候变暖，改变了水汽循环和降水格局，未来全球极端降水事件很可能频率增加、强度加大，这将使城市内涝灾害管理形势变得更加严峻[1]。此外，我国大多数城市目前仍处于快速发展期，由于人类活动频率增加、活动范围扩大，加之城市建成区面积增加、城市地面沉降和不透水地面扩大等现象日益突出，我国城市内涝灾害及其损失也呈现出加重化、扩大化的趋势[2]。由此看来，城市化进程在一定程度上加重了水灾损失。2015年，中央城市工作会议明确将“安全”放在城市管理和发展的首位，防涝减灾已成为保障我国城市安全必须要解决的一大问题。虽然国内学者围绕城市内涝灾害成因特点[3]、公众风险感知[4]、风险评估[5-8]及应对[9,10]等方面的研究取得了大量成果，但目前城市内涝灾害理论体系尚不完善，城市内涝灾害形成与演化机理尚不明确。本文将着重探讨分析城市内涝灾害的致灾机理，指出今后城市内涝的研究趋势和方向，以期为丰富和发展城市内涝灾害理论，制定城市内涝防灾减灾措施提供参考和依据。

1 城市内涝灾害系统要素分析

目前大部分国内学者将城市内涝灾害的概念定义为“强降水或连续性降水超过城市排水能力，导致城市内产生积水灾害的现象”[11]。换言之，城市内涝灾害就是大规模的降水超出城市排水能力，致使城市内产生大量积水，城市正常运转受到严重扰乱，直接或间接地导致社会财产损失和城市居民伤亡的现象。

依据自然灾害系统理论，致灾因子、孕灾环境和承灾体是构成灾害系统的三个要素，缺一不可[12-15]。致灾因子指对人类生命、生产和生活产生不利影响的各种风险因素；孕灾环境指包括气候、水文、地貌、交通、科技、经济等在内的一切可能孕育和产生灾害的自然环境与人文环境；承灾体则是各种致灾因子作用的对象，是人类及其活动的社会系统中的各种资源。其中致灾因子是引发灾害的前提条件和根本原因，代表着风险向灾害转化的一种可能性，是未来可能发生的，具有不确定性，也无法通过概率来计算。所有致灾因子在特定条件和特定环境下有可能对人和自然产生威胁，是一种客观存在的风险因素，而灾害则是造成损失的具体事件，二者存在着实践中的因果关系。然而只有致灾因子灾害也未必会发生，任何灾害风险转化成灾害都需要有特定条件，自然灾害必须是致灾因子存在于特定的孕灾环境中，自然灾害才会发生，如果说致灾因子是导致灾害发生的内在因素，孕灾环境则是灾害发生的外部条件。承灾体作为承受灾害的对象，只有灾害作用到承灾体，灾害才会造成灾情，对人的生命财产安全和社会发展的各个方面造成威胁和损失，而承灾体受灾害的强弱程度，除了与致灾因子本身的强度有关以外，也与承灾体自身的脆弱性有直接关系，并对最终产生的灾情大小造成影响[12]。用化学反应来阐述自然灾害的致灾机理的话，致灾因子和承灾体是“反应物”，孕灾环境是“催化剂”，自然灾害则是“生成物”，当致灾因子遇到孕灾环境而承灾体脆弱时，灾害风险就会向灾害发生转化以致产生严重后果。三者相互作用，完成风险向灾害转化的全过程。

在城市内涝灾害形成过程中，其致灾因子是强降水或连续性降水；孕灾环境是城市综合地表环境和大气环境；承灾体主要指具有暴露性和脆弱性的城区基础设施和民众的生命、财产等。当大规模雨水降落地面，遭到改变的城市综合地表环境导致雨水无法及时下渗或排出，大量的水积聚城区，形成城市内涝灾害。灾害的形成是承灾体不能及时适应或调整环境变化的结果，而城市内涝灾害的严重程度与雨水的汇流速度、积水时间和积水量成正比，致灾因子、孕灾环境与承灾体的相互作用则影响着灾害的时空分布和损失程度[15]。

2 城市内涝灾害致灾机理

机理是指事物发展所遵循的内在逻辑和规律，研究城市内涝灾害致灾机理，有助于找到城市内涝灾害产生的源头，探寻其发生、发展的动力和成灾规律，以便在城市内涝灾害治理中找到相应的解决策略。已有相关研究从城市强降水、连续性降水等致灾因子角度研究城市内涝灾害演化机理[16]，但未能从灾害系统全要素、成灾全过程分析城市内涝灾害致灾机理。基于此，本文重点从形成灾害的3个要素和酝酿、发生、发展、成灾4个阶段出发，深入剖析城市内涝灾害致灾机理。

2.1 酝酿阶段

《国家新型城镇化报告(2018)》中指出，我国人口市民化稳步推进，截至2018年，户籍和常住人口城镇化率分别提高到43.37%和59.58%。城市内涝灾害的酝酿阶段则是城市化进程中人类活动对城市自然、人文等孕灾环境的影响、改变甚至是破坏过程。主要体现在以下几个方面：

其一，城市区域下垫面硬质化。城市化的发展必然会导致城市建筑面积增加，城市内草地树木等地表植被转变成高楼大厦、柏油路等城市基础设施建设用地，致使下垫面逐渐硬质化，吸纳雨水的能力和区域逐渐变小，原本“会呼吸的地面”变得无法自然下渗，大量雨水滞留在城市地面[11]。

其二，自然洼地等蓄滞水空间被侵占。在城市化进程中，城市内部河道、湖泊、池塘人为地被迫改道、淤塞、变窄、填筑，这些原本具有滞水、自然调蓄功能的洼地功能被破坏和削弱，严重破坏了城市原有的自然滞排水系统[17]。自然洼地等滞水空间被侵占降低了雨水的调蓄分流功能，流通不畅已经成为多数城市水系的通病。

其三，水文循环系统遭到破坏。城市的水文循环系统是由自然水循环系统和人工水循环系统两部分构成[18]，而人类活动使具有调蓄功能的城市景观越来越少，地表的持水、滞水及渗透能力减弱。当强降雨来临时，雨水的下渗量、蒸发量减少，径流量增大，从而导致地表径流汇流时间缩短，地面的积水量在短时间内迅速增加，使得城区内涝灾害加剧。

其四，城市地面沉降的加重。随着城市化进程的加快，城市规模不断扩大，人口不断聚集，人类工程建设和经济活动越来越频繁，大规模的城市建设和不合理的资源开发会导致沉积岩层萎缩，局部地面沉降，地壳表面标高降低。当大规模雨水降落时极易积聚，使城市成为洪涝区，严重威胁地表建筑、地下管线交通运行和防洪等城市安全。

在以上4个因素的共同影响下，城区的雨水调蓄能力下降、地表阻力降低，雨水在地表的汇流和滞后时间缩短，水流流速加快，城市地表径流量大大增加，地表雨水陡涨，洪峰流量剧增且洪水过程线更高更突出。因此，城市化对流域产流的影响不但体现在城市内积水越来越多易使城市受淹，还体现在雨水汇流过程中对城市基础设施的冲刷和破坏，为城市内涝灾害的发生埋下祸根。

2.2 发生阶段

城市内涝灾害的发生阶段是致灾因子产生影响的开始。处于温带大陆性季风气候的我国年内降雨分布极为不均，尤其在汛期和雨季，经常会遭遇强度大、范围集中的连续性降雨或暴雨天气，大量雨水短时间内积聚在城市无法排出，极易发生城市内涝灾害。值得注意的是，在全球气候变化及城市化进程等环境变化背景下，城市内涝灾害愈加严重。

首先，全球气候变化导致极端降雨天气频发。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出，1880—2012年全球地表平均温度上升了约0.85度[1]。全球气候变暖促使大气活动更加剧烈和频繁，改变了大陆地区尤其是中高纬度地区的气候格局，极端降水天气频发，且强度有增强的趋势。同时，我国降雨时空分布不均，降雨集中分布在夏秋季节，每到雨季部分城市就会遭遇短时但范围集中的强降水，个别城市甚至会遭遇到百年一遇的特大暴雨，导致城市排水系统瘫痪。

其次，城市“雨岛效应”也会导致强降雨天气频发且降雨量增大。随着我国城市化进程的加快，城市人口大幅度增加，高大密集的建筑群导致空气循环不畅，大气环流较弱，城市上空热气流无法疏散；加之城市各种气体加重了热量的超常排放，城市内部温度高于外部温度，城区空气对流上升运动强烈，这种局地气流的上升有利于对流雨的形成；同时城区烟尘较多，空气中凝结核使水汽更容易凝结，再加上城市高大密集的建筑群和粗糙的下垫面，对降水的天气系统的移动起到阻障作用，导致其移速缓慢，延长城区降水时间，从而形成“雨岛效应”。“雨岛效应”会直接影响降水，导致降雨频率和强度增加，大城市及其下风向“雨岛效应”明显，尤其是汛期和雨季，极易形成大面积积水，甚至形成城市区域性内涝。李海宏等通过分析研究2007—2016年上海市暴雨特征及其与内涝灾情的关系，发现上海市暴雨空间分布具有明显的城市雨岛特征[19]。可见，全球气候变化和城市化发展产生的“雨岛效应”都在一定程度上增加了降水发生的概率和强度。

2.3 发展阶段

单单只有连续性降水或强降水还不足以引发城市内涝，还有关键的一点是城市的排水管网排水不畅、排水不及时，致使城市内积水深度越来越大、滞水时间越来越长，最终导致城市内涝灾害的发生。目前我国城市排水管网的问题主要有以下4个方面：老城区排水系统的老旧、城市排水管网的规划与城市发展不协调、城市排水系统设计标准偏低和城市排水管网管理维护不到位。

首先，目前我国许多城市老城区的排水系统仍然面临着排水设施更新缓慢且超负荷运行、城市边缘区排水设施建设滞缓、排水管道蓄水能力较差、雨量较大时排水管网排水速度缓慢易出现雨水漫溢等问题。城市排水系统既是城市防洪排涝的重要手段，但同时也易成为内涝灾害发生时的脆弱点[20,21]。由于大部分老城区排水系统在建设过程中没有考虑到城市发展带来的排水区域和汇水面积的增大，仍在使用早期设计标准较低的排水系统。这些规格较小、破损淤塞严重的管道管沟排水能力较差，很大程度上增加了老城区的排水压力，导致老城区成为内涝灾害频发的场地[22]。加之老城区管道改造涉及电力、交通、通讯、供水、燃气等众多部门，在管道改造工程实施过程中可能会影响到附近居民的正常生活，这在一定程度上增加了老城区排水管网改造的难度。

其次，决策者和管理者在城市规划建设中往往只注重经济方面的发展，却忽略了城市地下排水设施的建设能否与城市发展速度相匹配。这种“重地表、轻地下”的思想观念，使得大部分资金用于地面建设，从而忽视了排水设施对于初期雨水径流污染防治、超标雨水排放以及雨水综合资源化利用的作用，导致城市排水系统存在缺陷，这也是城市内涝灾害频发的重要原因。另外，城市防洪规划的科学性不够，未能统筹协调好城市防洪排涝与城市发展、土地利用、环境保护等的关系，更缺乏对城市现有的以及未来可能出现的气候与环境特点的考虑[23]。卢文刚指出，前期没有对未来城市发展做出准确预测，排水系统的建设和管理相对滞后，缺乏系统性和科学性，是广州城市内涝问题多次治理依然没有得到根治的主要原因之一[24]。

第三，在排水系统的规划设计标准中，必须要考虑到的一个重要参数就是重现期，其表示设计暴雨强度两次出现的统计时间间隔，它是根据汇水地区性质、地形特点、气候特征、经济发展水平以及灾害损失程度等多个因素决定的。在海绵城市建设提出前，我国城市排水系统设计重现期一般为“1-3年一遇”，重要地区或者短期内易积水引发严重后果的地区采用“3-5年一遇”的标准。海绵城市建设提出后，特大城市和超大型城市排水系统设计重现期调整为中心城市“3-5年一遇”，重要地区为“5-10年一遇”，然而就具体实施来说，很多城市的实际排水系统设计重现期才1年左右。和发达国家相比，例如美国纽约的“10-15年一遇”，日本东京的“5-10年一遇”[25]，我国排水系统重现期的参数设计偏低，大部分城市的排水管网系统尤其是老城区执行的还是早期制定的标准。因此，我国比欧美发达国家城市更容易遭受内涝灾害的袭击。

第四，城市排水系统排水不畅的一个重要原因是排水设施长期疏于管理，其具体表现为分流合流并存，雨污合流普遍。一方面，这种排水方式很容易造成管网堵塞，导致原本管径就偏小的排水管道排水能力降低，同时污水中垃圾的摩擦、沉积和酸性污水的腐蚀还会对管网造成损坏，影响管网的使用寿命。另一方面，很多城市的污水管网和雨水管网交汇，在雨季和汛期，雨水混入污水管网导致污水处理超出负荷，污水溢出严重，还会在污水管网堵塞的情况下形成城市内涝。因此，应科学规划排水管网，改合流制为分流制，并且雨水管网的设计排放流量应该远远大于污水的设计流量，同时还要及时做好管网的疏通工作。而排水管网的管理工作往往需要充足的人力和财力的支持，但是由于排水管网维护经费和人员不足，致使管理单位对城市排水管网的日常疏通和维护管理工作不到位。

2.4 成灾阶段

通过上述分析，可以发现以上三阶段分别属于内涝灾害能量聚集、能量释放以及规模扩大阶段，成灾阶段则属于路径选择阶段。在突发事件领域中，所谓的路径选择其实就是灾害选择以何种形式表现出来。灾害之所以被称之为灾害，是因为其能够给人类和人类赖以生存的环境造成破坏性影响，给人类的生命财产安全带来了严重威胁。对于城市内涝灾害来说，其成灾阶段即路径选择阶段就是城市内涝给承灾体所带来损失和影响的过程。

城市内涝灾害的成灾过程如下：当强降雨或极端降雨天气出现时，由于城市硬化面积的增加和绿地面积的减少造成综合地表环境被破坏，这些因素会直接导致雨水下渗功能减弱或丧失，雨水产流量增加，汇流速度加快，从而加大了城市内涝灾害风险，加之城市排水管网不畅通以及承灾体的暴露性和脆弱性导致城市应对能力较差，城市积水的深度和时长不断增加，最终形成城市内涝，直接或间接地造成城市居民人员伤亡、交通瘫痪、经济财产损失和城市生态环境的破坏。综合以上对城市内涝酝酿阶段、发生阶段、发展阶段和成灾阶段的分析，将内涝灾害致灾机理绘制成流程图(见图1)。

3 研究展望

我国仍将有很长一段时间处于快速城市化进程阶段，持续开展城市内涝治理并遏制城市内涝灾害愈发严重的态势，保障城市安全发展，对于我国稳步提高城市化水平，实现城市可持续发展具有重要的现实意义。因此未来的城市内涝灾害研究建议在以下几方面重点展开：

(1)加强变化环境对城市内涝灾害影响机理的研究。在全球气候变化和城市化的复杂背景下，城市内涝灾害发生的频率增多、损失扩大，使得原有的防灾除涝措施失效，必须要根据变化环境下内涝灾害出现的新特征来提出新的应对策略。因此，揭示全球气候变化和我国城市化进程等变化环境下各类要素对城市内涝灾害的影响机理是该领域需要重点研究的科学问题。

(2)城市内涝灾害的风险评估理论与方法迫切需要创新与完善。目前，我国已有的内涝灾害风险评估理论与方法不能完全满足研究需要，并且十分缺乏变化环境背景下的城市内涝灾害风险评估理论与方法。梳理总结城市内涝灾害风险在变化环境下的新特征，以及创新和完善相适应的城市内涝灾害风险评估理论与方法，将成为未来该领域的一个研究方向。

(3)城市内涝灾害实证和案例研究有待加强。由于我国国土面积广阔，地形、地貌、气候多样，孕灾环境复杂，年内降水分布极不均匀，这些都使得我国城市内涝灾害成灾过程复杂多样。所以，应对城市内涝灾害在借鉴国外成功经验的同时，也要加强对于我国典型地区内涝灾害的实证和案例研究。

(4)城市内涝灾害防治要与城市水文生态修复、低影响开发相结合。城市内涝灾害的产生与城市内部水文生态系统破坏关系密切，因此城市水文生态系统修复、低影响开发对于治理城市内涝灾害至关重要。定量分析水文生态系统的修复措施对于减轻城市内涝灾害的有效性，也是未来一个重要研究方向。

4 结论

本文以突发事件流程性机理为理论基础，结合灾害系统要素，分别从酝酿、发生、发展及成灾四个阶段对城市内涝灾害的致灾机理进行分析，主要结论如下：

(1)城市内涝灾害的酝酿阶段主要体现在人类活动对孕灾环境的影响。当前高速但低质量的城市扩张造成了城市综合地表环境被破坏，导致雨水无法渗透地下，增加了城市内涝灾害发生的可能。

(2)城市内涝灾害的发生阶段也是致灾因子产生影响的阶段。由全球气候变化和城市化发展带来的“雨岛效应”导致的极端降雨天气频发，导致城市降雨量超出城市排水系统的排放量，极易发生城市内涝灾害。

(3)城市内涝灾害的发展阶段主要体现在承灾体应对灾害能力较弱。城市排水管网是应对城市内涝重要的基础设施，其存在的问题致使城市积水无法及时畅通输出，城区内积水持续增加，最终城市会更容易变成洪涝区。

(4)城市内涝灾害的成灾阶段是致灾因子和孕灾环境相互作用，并给承灾体带来消极影响的过程。城市综合地表环境改变、极端降雨事件频发、排水管道不畅及承灾体防灾减灾能力不足等风险因素叠加，城市内涝灾害就会发生。