黃高平,王甲生,程東兵,潘維良,侍瑞
(安徽省池州市氣象局,安徽池州247000)
基于城市暴雨內澇的氣象服務對策研究
——以海綿城市建設試點城市池州為例*
黃高平,王甲生,程東兵,潘維良,侍瑞
(安徽省池州市氣象局,安徽池州247000)
簡要分析了城市內澇成因,得出降雨量增多、暴雨頻發(fā)、城市擴張擠占河道、排水系統(tǒng)不完善、山洪下泄和江水頂托等因素是引發(fā)池州市城市內澇的致災因子;從發(fā)生時間、發(fā)生范圍和受災害程度方面入手,分析池州市內澇現(xiàn)狀及其特征,得出城市內澇一年四季均有發(fā)生,但呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性,且內澇區(qū)域分布不均、城市低洼地帶始終是重災區(qū)。重點探討了池州市年、月暴雨日與降水量關系以及夏季、汛期降水、暴雨日周期性氣候特征和變化規(guī)律,從而為城市暴雨預報和防災減災氣象服務提供參考數(shù)據(jù)。結合池州海綿城市建設的實際情況,提出了開展城市暴雨內澇風險調查、建立降水監(jiān)測、預警預報系統(tǒng)、加強部門橫向聯(lián)動、拓展專業(yè)氣象服務等應對策略,以促進池州市暴雨內澇預防體系的建立和完善。
暴雨內澇;海綿城市;氣象服務;池州市
隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快,氣候變化對城市的影響日益顯現(xiàn)出來,2008—2010年,全國有62%的城市發(fā)生過不同程度的內澇,其中,內澇災害超過3次以上的城市有137個[1]。城市暴雨內澇發(fā)生的頻率、強度及其造成的損失逐年增加,已成為許多城市頻發(fā)的主要氣象災害之一[2]。如何采取必要的措施減小氣象災害對快速城市化資源與環(huán)境的影響,使城市在遭遇氣象災害時經得住考驗,就必須采取科學先進的方法,而海綿城市的建設已成為推動新型城鎮(zhèn)化建設的必要手段。
海綿城市國際通用術語為“低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)”,其核心任務是提高對降水的滲透、調蓄、凈化、利用以及排放能力[3],讓城市像海綿一樣,“彈性適應”環(huán)境變化與自然災害,緩解城市內澇問題。
新中國成立以來,池州市共發(fā)生過20次較大水災,被國務院確定為近年來內澇災害嚴重、社會關注度高的60個城市之一[4],頻繁的城市內澇嚴重影響了城市發(fā)展和市民的正常生活。2015年,池州市成功申報為國家海綿城市建設試點,現(xiàn)已在提升城市系統(tǒng)功能和減少城市內澇災害等方面取得一定的進展,一些建成的示范區(qū)水患大為緩解,減少了城市居民生命與財產損失。因此,研究海綿城市建設的氣象服務工作十分重要。本文基于城市暴雨內澇與氣象服務關系,從城市內澇成因和現(xiàn)狀入手,重點分析和研究池州市的暴雨特征,旨在為海綿城市建設提供氣象服務對策。
城市內澇是指在城市區(qū)域遭遇暴雨或短時強降水天氣后發(fā)生的氣象衍生災害[5]。當城市地區(qū)降水量過多,超過其排水能力時,往往會形成低洼地段積水,當積水過深、范圍過大,影響到城市交通、居民生活和生產活動時,即形成內澇災害。
池州市位于安徽省西南部,長江中下游南岸,市域地形為東南高、西北低,自南向北呈階梯分布;境內有三大水系十條河流,江河湖水面348.4 km2,占總面積的4%,水資源極為豐富。作為我國第一個國家級生態(tài)經濟示范區(qū),池州市擁有“園林城市”“森林城市”的稱號,具有得天獨厚的“海綿城市”架構,市區(qū)內綠地面積廣,水體容積大,水域面積占中心城區(qū)面積的11.7%,濕地面積達11 km2,天然“海綿體”碩大豐滿。在主城區(qū)內,城東有平天湖鑲嵌其中,城西有白洋河環(huán)繞入江,城南有清溪河穿城而過,城北有長江不息東流,整體呈現(xiàn)為“城在山水中,山水在城中”的城市格局。由于該城地處亞熱帶北緣及其地形地貌等原因,這里季風特征明顯,天氣復雜多變,降水年際變化大,極易形成內澇,嚴重影響城市的發(fā)展。
城市內澇產生的原因是多方面的,主要表現(xiàn)為氣候變化和暴雨降落、城市發(fā)展和規(guī)劃建設、排水管渠防澇設施和地形地貌等因素相互作用的結果[6]。
從氣候變化方面分析,暴雨是引發(fā)城市內澇的主要致災因子。池州市屬暖濕性亞熱帶季風氣候,冷暖氣因活動頻繁,降水充沛,氣候多變,導致極端天氣事件出現(xiàn)頻率與強度都相應增加。在各種極端氣候及災害事實中,尤以暴雨過程發(fā)生最為明顯、影響最為嚴重,極易造成城市內澇。
從城市發(fā)展和規(guī)劃建設方面分析,隨著城市在短期內的急劇擴張,池州市城市建設不僅快速擠占河湖,還不斷地侵占雨水通道和雨洪調蓄空間,河流行洪能力減弱。同時,由于城市地面硬化,滲水性差,原有城市排水管網規(guī)劃設計標準偏低,排水基礎設施滯后,嚴重降低了城市調蓄水量的能力,在遇有強降水和暴雨侵襲時,無法及時排除地面積水而形成內澇。
從地形地勢方面分析,池州市瀕臨長江,背依皖南山區(qū),當遭遇暴雨或長時間連續(xù)性降水后,城區(qū)受到長江洪水和上游山洪的雙重威脅,一方面,上下游地區(qū)普遍降雨,上游漚瀝下泄,使河流水位抬高,造成漫溢或決口入侵,下游城區(qū)段直接受長江水位頂托;另一方面,上游山洪未得到有效控制,使本地排水受阻,城區(qū)內澇顯得尤為嚴重。
據(jù)池州防汛部門統(tǒng)計,近幾十年來,池州市多次發(fā)生水災,內澇嚴重時,主城區(qū)易澇點高達200多個,積水區(qū)域有30多處。城市內澇特征主要表現(xiàn)在以下三個方面。
從發(fā)生時間來看,池州市城區(qū)內澇一年四季均有發(fā)生。由于降水分布不均、年際變化大,內澇發(fā)生的時間具有不確定性。但是,暴雨、大暴雨出現(xiàn)頻率與城市內澇關系密切,內澇發(fā)生又呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。在每年夏季汛期,南方暖濕氣流與北方冷空氣在長江中下游交匯,雨帶擺動形成梅雨天氣。氣候變化導致城市極端降雨頻發(fā),特別是連續(xù)性暴雨極易出現(xiàn)在該時期內,比如1973年、1980年、1991年、1995年、1999年、2005年、2009年、2011年、2015年等汛期降雨量、暴雨日異常偏多,使得城市內澇頻率顯著增加。
從發(fā)生范圍來看,降雨區(qū)域及內澇區(qū)域分布不均。在城市高層建筑集中區(qū),“熱島效應”有利于城市上空的熱對流發(fā)展,容易導致暴雨出現(xiàn)[7]。同時,城市排放大量的污染物,形成“混濁島效應”,有利于凝結核的形成,使城市部分降水量多于周邊地區(qū)[8-9],市區(qū)內澇點也明顯多于郊區(qū)。主城區(qū)地形較為平緩,綜合徑流系數(shù)大,內澇發(fā)生的頻率比較大,特別是老城區(qū),由于部分地段四周已開發(fā),積水無法排放,或由于路面排水未接入城市管網,或由于下水道淤堵,排水不暢,加重了雨水疏通壓力,多表現(xiàn)為市政道路、居民小區(qū)和低洼地帶積水成災,比如湖心路、秀山南路、白沙安置點、酒廠小區(qū)、翠屏苑小區(qū)、南湖苑、環(huán)衛(wèi)處宿舍和航運公司宿舍一帶均遭遇過不同程度的水淹。
從受災害程度來看,城市低洼地帶始終是內澇的重災區(qū)。一般來說,老城區(qū)瀕危房屋改造前,很多地區(qū)室內比室外低,院內比街道低,內澇災害較為嚴重。在城市繁華的建設地帶,也多出現(xiàn)內澇易發(fā)點。這些區(qū)域城市人口和建筑密集,往往是資金財富聚集地,內澇頻發(fā)使得城市遭受的經濟和資源損失加重,容易導致建筑廠房、電力、通信設施被破壞,交通癱瘓、環(huán)境被污染、居民生活品質降低。例如,2005-06-26—27,池州市境內普降特大暴雨,降雨約持續(xù)了13 h,總降雨量246 mm,中心城區(qū)多處發(fā)生嚴重內澇災害,多個小區(qū)及路面發(fā)生深達30 cm積水,尤其是長江中路、翠微苑小區(qū)和南苑小區(qū)受淹嚴重,局部低洼地段積水超過1.5 m,嚴重威脅城市安全。
從城市內澇成因及現(xiàn)狀分析中可知,暴雨是引發(fā)城市內澇的直接原因和主要致災因子。隨著全球氣候的變化,水循環(huán)發(fā)生改變,降雨狀況變化比較大,更多的對流活動大大提高了強降水天氣出現(xiàn)的概率,從而引發(fā)更多的暴雨事件[10]。因此,分析、研究池州市暴雨氣候特征和變化規(guī)律,對提高城市暴雨預報水平,開展海綿城市建設氣象服務有重要意義。
中國氣象局規(guī)定,日(24 h)降水量達到或超過50 mm稱為“暴雨”,達到該標準的這一天被稱為一個暴雨日;平均暴雨日數(shù)是區(qū)域內各站點一段時間內出現(xiàn)的暴雨日數(shù)之和再除以總站點數(shù)所得,這被稱為這段時間的區(qū)域平均暴雨日數(shù)[11]。以池州市所屬4個國家氣象觀測站1960—2010年50年的逐日降水量實況為基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計,池州市1960—2010年總暴雨日1 107場次,年平均暴雨日數(shù)5.5次/年,如圖1所示,這很容易引發(fā)城市內澇災害。
圖1 池州市暴雨日數(shù)年際變化圖
從圖1中可以看出,全市年暴雨日20世紀60年代為小振幅期,20世紀70年代為中振幅期,20世紀80年代、20世紀90年代為大振幅期,20世紀初為偏少期,這些數(shù)據(jù)與市區(qū)年積水次數(shù)和年際變化較為吻合。但是,近10年來,暴雨日數(shù)有明顯上升趨勢,這或許與近年來城區(qū)改造擴建,城市高層建筑不斷涌現(xiàn),有利于城市上空的熱對流發(fā)展,更易于引發(fā)暴雨事件有關[7,12]。因此,目前,池州市的暴雨內澇形勢不容樂觀。
統(tǒng)計資料表明,池州市歷年平均降水量1 556.1 mm,其中,年暴雨量426.3 mm,占全年降水量的27.4%;多雨年——1999年暴雨量占全年總降水量的47.2%.池州市冬季降水少,暴雨很少發(fā)生,春、夏、秋季暴雨日各占全年總暴雨日的29%,62%和10%,其中,汛期5—8月是暴雨日的多發(fā)時期,也是多雨季節(jié),平均降雨量為808 mm,占全年總雨量的52%左右。分析池州市5—8月暴雨資料發(fā)現(xiàn),在50年總暴雨日中,有76.4%的暴雨日出現(xiàn)在5—8月,如圖2所示,且暴雨量占全年總暴雨量的78.9%.這說明,這個階段的暴雨日和降水量對全年的貢獻最大,與汛期城市內澇相關性顯著,也與夏季暴雨內澇頻率高于其他季節(jié)相對應。
圖2 池州市歷年各月平均降水量及暴雨日數(shù)
利用Spss數(shù)理統(tǒng)計分析池州近50年夏季暴雨日數(shù)Y與年降水量X1、年雨日數(shù)X2、夏季雨日數(shù)X3和夏季降水量X4的相關性,發(fā)現(xiàn)在0.01水平上,夏季暴雨日數(shù)與年降水量、夏季雨日數(shù)和夏季降水量3個因子顯著相關??紤]各因子之間的共線性和相關性關系,剔除重復的因子,再對夏季暴雨日數(shù)與年降水量、年雨日數(shù)、夏季雨日數(shù)和夏季降水量4個因子進行逐步回歸(Stepwise)分析,得到池州較佳夏暴雨日數(shù)總回歸方程,即Y=2.120-0.027X2+0.008X4.其中,X4的R值為0.908**,X3和X4的共同R值為0.931**,X2,X3和X4的共同R值為0.937**;sig.值分別為0.026,0.000,0.015和0.029,分析資料表略。由此可知,夏季暴雨日數(shù)與年雨日數(shù)、夏季雨日數(shù)和夏季降水量3個因子相關,且與年雨日數(shù)、夏季雨日數(shù)呈負相關,與夏季降水量呈正相關。
研究降水量與暴雨的周期性變化規(guī)律可以為池州市內澇防治提供參考,它在防災減災中起先導作用?;谙募窘邓看?、暴雨頻發(fā)的特征,根據(jù)小波理論,利用(Wavelet Analysis)分析法對池州市汛期降水量與暴雨日(量)進行周期性分析,以函數(shù)計算夏季降水量與暴雨日小波系數(shù)的實部,繪制等值線圖,如圖3所示,實線表示正相位,虛線表示負相位。從圖3中可以看出,池州市暴雨日多為短周期,無明顯的長周期,演變過程中主要存在2年、3~4年尺度的周期性變化規(guī)律。在2年尺度上,20世紀80年代前相位變化關系較為明顯;在3~4年尺度上,20世紀80—90年代相位變化關系最為顯著,與全市暴雨日1990年左右存在一致的突變性相對應。21世紀初,暴雨處于低發(fā)期,波動逐漸減弱,周期表現(xiàn)不明顯。但是,最近10年的波動逐漸增強,與暴雨總趨勢表現(xiàn)的周期性交替振蕩特征相吻合。
圖3 池州市夏季暴雨日小波分析指數(shù)圖
統(tǒng)計1984—2011年近28年的暴雨災情資料發(fā)現(xiàn),池州市暴雨災害絕大多數(shù)集中在5—8月,占全年總災害次數(shù)的91%,秋、冬季節(jié)暴雨致災頻次極少,不足全年的0.5%,春季、夏季各占全年的18%和82%.其中,6月最高達46%,7月為34%,6月、7月占8成,8月份相對比較少,如圖4所示。因為暴雨災害造成的直接經濟損失變化趨勢與年暴雨致災頻次變化趨勢表現(xiàn)一致,損失較重年與該年暴雨災害次數(shù)有很好的對應。當發(fā)生重大災害時,表現(xiàn)為夏季雨量大,暴雨過程多,且連續(xù)性明顯。
圖4 池州市暴雨災害次數(shù)占有率月分布圖
海綿城市建設是一個全新的課題,在很大程度上是針對城市內澇提出來的。作為沿江多雨城市,池州市城市內澇主要是暴雨造成的,預防和減輕暴雨災害對城市的影響,建設海綿城市是眾望所歸。如何在海綿城市建設中更好地發(fā)揮氣象作用,開展城市暴雨內澇調查研究,建立降水監(jiān)測、預警預報系統(tǒng),加強橫向聯(lián)動機制,拓展專業(yè)氣象服務對相關工作的順利進行有重要的現(xiàn)實意義。
建設海綿城市,防治城市內澇,氣象服務最基礎的工作是要摸清楚城市內澇現(xiàn)狀,在城市內澇風險分析和區(qū)劃上做文章。由于城市各區(qū)域內地形地貌不同,城市排水設施參差不一,當遭遇暴雨強降水時,各處的內澇程度也不盡相同,因此,有必要進行城市暴雨內澇的風險分析、區(qū)劃和管理。事實上,隨著城市建設的發(fā)展,內澇點和內澇區(qū)域是不斷變化的,原來的易澇區(qū)或由于海綿城市舊城改造排澇標準提高,或由于整治河道貫通水系等工程措施減輕了暴雨對城區(qū)的壓力,內澇風險減少或消失。比如主城區(qū)長江南路煙柳園以南沿湖地帶,昔日的最佳“城市看海”點已成為歷史。而一些原來不曾積澇或內澇風險的區(qū)域,由于人口集聚、過度開發(fā),地形地貌發(fā)生改變,形成新的內澇點。因此,要有針對性地開展易澇點的實地調查和研究,圈定易發(fā)內澇點,劃分高風險區(qū)域,動態(tài)更新城市暴雨內澇基礎數(shù)據(jù)庫,利用科學的方法確定城市內澇災害氣象致災閾值和內澇風險等級,為建設或完善城市暴雨內澇預警預報系統(tǒng)服務[10]。
現(xiàn)階段,在池州市區(qū)內,僅有4個自動降雨監(jiān)測站為海綿城市建設提供實時降水數(shù)據(jù),精細化監(jiān)測力度不夠,與海綿城市建設需求還有較大差距。針對這種情況,池州氣象部門積極配合城建及有關部門重新規(guī)劃城市降雨監(jiān)測站網,根據(jù)監(jiān)測密度要求落實籌建了6個新的自動降雨監(jiān)測站點。這些新建的站點與現(xiàn)有站點基本保持5 km左右的距離,選址位于海綿城市示范區(qū)及周邊區(qū)域和低洼地帶,盡量布置在城市的重點交通樞紐、重點地段或積水源頭,盡量布置在比較開闊和風力較弱的地點,比如市中心廣場、長江北路、長江南路、站前區(qū)、三臺山等地,兼顧通信、交通條件,避開雷區(qū)。由此可見,新老自動氣象監(jiān)測站點組成的氣象監(jiān)測站網具有一定的網格化,能夠滿足海綿城市建設的氣象監(jiān)測服務要求,能夠為海綿城市的暴雨內澇預警預報系統(tǒng)提供氣象數(shù)據(jù)參考。
隨著海綿城市建設的深入,池州氣象部門在加強城市暴雨規(guī)律研究的同時,著力開發(fā)以城市內澇仿真模擬為基礎的城市暴雨內澇風險預警預報系統(tǒng),實現(xiàn)對城區(qū)內澇的實時監(jiān)測和預警預報,為政府部門和社會公眾提供氣象服務。
城市暴雨內澇預警預報系統(tǒng)是在城市遇到強降水時,根據(jù)城區(qū)布點的自動降雨監(jiān)測站的實時雨量觀測數(shù)據(jù)分析雨情,應用數(shù)值預報產品,雷達估測降水、主觀降水預報產品,結合城市河道、路面、地下管網等多種不同地理信息作為實況和預報用降雨邊界條件,模擬出城市積水深度,實現(xiàn)城市分區(qū)預警預報,為城市防洪排澇提供決策依據(jù)。系統(tǒng)具備一定的暴雨內澇動態(tài)監(jiān)測預警預報能力,對拓寬氣象服務領域,進一步提高氣象預報準確率和精細化水平及城市暴雨內澇災害風險評估具有重要意義。
隨著移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術的發(fā)展,池州氣象部門綜合應用氣象大數(shù)據(jù),依托業(yè)務與管理一體化平臺,在加強城市暴雨內澇災害監(jiān)測預報的同時,加強橫向聯(lián)系,與多部門協(xié)作建立起城市內澇信息共享、聯(lián)合會商、險情報告、隱患排查等聯(lián)動機制,適時發(fā)布城市內澇災害風險預報預警氣象專報。比如積極爭取與公安部門合作,在多暴雨季節(jié),當城市內澇嚴重時,利用市內的“天網工程”監(jiān)控平臺,采集城市道路、交通路口和住宅園區(qū)等水情,隨時獲取內澇災害情報,及時發(fā)出預警信息,確保強降水時市區(qū)易積澇點快速疏通。
海綿城市建設是以保護城市水循環(huán)的良好運行為主要目的,解決或減輕城市內澇現(xiàn)象的一種城市雨洪管理理念,是城市雨洪管理系統(tǒng)的重要組成部分。城市排水系統(tǒng)的工程預算和相關設施建設與其設計的流量,特別是暴雨形成的流量息息相關。因此,設計流量的合理計算依賴于所采用的暴雨強度公式的精準程度,其計算結果直接影響城市排水工程的安全性和經濟性。
目前,池州市雨水排水規(guī)劃設計、建設管理所采用的暴雨強度公式是20世紀80年代初期編制的,受當時資料、站點和計算條件的限制,其難以滿足現(xiàn)代城市的發(fā)展要求。針對這種情況,2015年,池州氣象部門根據(jù)試點城市需求,重新修訂編制了原有的暴雨強度公式,但其中仍然存在一些問題。比如,暴雨強度公式的細化程度、適用性幅度還有待提高,氣象部門正著手進一步優(yōu)化和改進暴雨強度公式,力求將公式細化應用到市內的新城區(qū)、舊城區(qū)和示范區(qū)。通過公式運算,可以科學計算市區(qū)不同區(qū)域的雨水排水設計流量,為城市排水管網布設和城市規(guī)劃設計提供技術支持。
城市暴雨是形成城市內澇的主要因素,也是重要的氣象災害之一。城市暴雨內澇呈現(xiàn)出頻發(fā)、高危害和周期性等特征,隨著城市發(fā)展和社會進步,城市內澇問題受到了人們的高度關注。針對變化環(huán)境下的城市內澇問題,建設海綿城市是解決城市內澇的有效措施和途徑,這對于氣象部門快速響應和科學應對意義重大。為了更好地為海綿城市建設服務,氣象部門應發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢,在深入分析城市內澇成因的基礎上,研究暴雨的變化特征,加強對暴雨強對流天氣的跟蹤監(jiān)測和快速反應能力,應用地理信息技術模擬地面徑流和積水深度,建設或完善氣象災害預警發(fā)布平臺,開展城市內澇風險預警預報,推進跨部門信息共享,為海綿城市建設提供更加精準、高效的氣象保障服務。
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〔編輯:白潔〕
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A
10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.001
2095-6835(2017)19-0001-05
安徽省氣象局2017年度新技術集成項目“池州市‘海綿城市’重點區(qū)氣象服務”(編號:AHXJ201715)
黃高平(1963—),男,工程師,主要從事氣象探測和應用氣象服務研究工作。