朱文祥

(云南省水文水資源局玉溪分局，云南 玉溪 653100)

隨著玉溪中心城區(qū)城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,暴雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇日益突顯。目前關(guān)于玉溪城市暴雨變化特征的研究成果甚少，但有關(guān)學(xué)者對(duì)其他城市暴雨的關(guān)注度極高。李海宏等[1]利用上海市30個(gè)自動(dòng)氣象站10年逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和有關(guān)內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù),分析了上海市暴雨和內(nèi)澇災(zāi)情特征,研究了致災(zāi)暴雨過程與內(nèi)澇災(zāi)情的關(guān)系；何潔琳等[2]利用氣候觀測數(shù)據(jù)分析了近60年來，百色出現(xiàn)的與全球氣候變化背景一致的增暖變化，并提出城市適應(yīng)策略建議；陳其幸等[3]選取代表站27年的年最大1 h降雨量資料,通過一系列方法對(duì)廣州市城區(qū)短歷時(shí)暴雨特征進(jìn)行了分析；杜堯等[4]選取南京地區(qū)多個(gè)雨量站長系列逐時(shí)降水資料，分析了南京地區(qū)暴雨變化特性，并解析了暴雨雨型特征。2015年6月5日，玉溪城市東北方位的東風(fēng)站1 h降水量達(dá)75 mm、24 h降水量達(dá)105 mm，暴雨導(dǎo)致中心城區(qū)多條街道嚴(yán)重積水，極大影響了城市居民的正常生產(chǎn)生活，造成了重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失；2020年7月1日東風(fēng)站日降水量達(dá)112.5 mm，暴雨導(dǎo)致玉溪中心城區(qū)的東風(fēng)南路、紅塔大道等多處路段嚴(yán)重積水，造成極大不便和經(jīng)濟(jì)損失。這種短歷時(shí)強(qiáng)降水過程對(duì)玉溪中心城區(qū)防洪安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，極大程度制約了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了能給城市防洪排澇提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)玉溪城市短歷時(shí)暴雨變化特征研究是非常必要的。

1 研究數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

玉溪市為滇中經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。珠江流域南盤江一級(jí)支流——曲江從東北向西南橫穿市政府所在地紅塔區(qū)中心城區(qū)。區(qū)域地勢東北高、西南低，由于降雨過程時(shí)空分布不均，區(qū)域內(nèi)單點(diǎn)暴雨突出，當(dāng)發(fā)生持續(xù)降雨或局部暴雨時(shí)，城區(qū)極易形成局部泄流不暢，從而造成城區(qū)洪澇災(zāi)害。城市位置見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)

紅塔區(qū)現(xiàn)有雨量監(jiān)測站23站，其中玉溪中心城區(qū)11站。中心城區(qū)雨量站點(diǎn)除玉溪站、東風(fēng)站外的其他站點(diǎn)均為2011年以后新建的中小河流站，資料年限較短，缺乏代表性；玉溪站是1998年設(shè)立的固態(tài)存儲(chǔ)站，有多個(gè)年份由于儀器故障導(dǎo)致降水?dāng)?shù)據(jù)無記錄，資料系列不完整；只有東風(fēng)站是國家基本雨量站，該站1963年設(shè)立，其資料成果每年都經(jīng)水文部門審核驗(yàn)收、珠江流域委匯編成冊，資料成果合理可靠。東風(fēng)站位于玉溪中心城區(qū)東北部，處于整個(gè)中心城區(qū)上游方位，其降雨(特別是暴雨)與中心城區(qū)洪澇有著密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，本次選取東風(fēng)站為代表站進(jìn)行分析。玉溪城市區(qū)域與雨量站分布見圖1。

圖1 玉溪城市區(qū)域與雨量站分布

東風(fēng)站有1981—2019年最大1 h、最大24 h降水量序列資料整編成果，其中1981—2010年的是根據(jù)20 cm自記雨量計(jì)記錄人工挑選得到，2011—2019年的是根據(jù)遙測翻斗式雨量計(jì)記錄自動(dòng)挑選得到。

1.3 方法

1.3.1滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法是用某一時(shí)間序列的平滑值來反映要素變化趨勢的一種趨勢擬合技術(shù)的基礎(chǔ)方法[5]?；瑒?dòng)平均序列表示為[6]：

(1)

式中k——滑動(dòng)長度；xj+i-1——第j+i-1年的降水量。

降水量傾向率絕對(duì)值大小則表明傾向的幅度，具體為：①降水傾向率大于0,降水量總體呈增加趨勢；②降水傾向率等于0,降水量不增不減；③降水傾向率小于0,降水量總體呈減少趨勢。

1.3.2Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法

曼-肯德爾(Mann-Kendall)法，簡稱M-K法。其人為性少、定量化程度高，是目前較多用于分析時(shí)間序列趨勢變化的一種檢驗(yàn)方法[7]。

對(duì)時(shí)間序列x1,x2,…,xn(n為樣本數(shù))，所有對(duì)偶觀測值(xi,xj,j>i)中xi

(2)

式中τ——Kendall秩統(tǒng)計(jì)量；U——Kendall秩次相關(guān)系數(shù)；P——系列中所有對(duì)偶觀測值(xi,xj,i

對(duì)于無趨勢的序列E(P)=n(n-1)/4；當(dāng)PE(P)時(shí)表示序列可能有上升趨勢；當(dāng)n增加時(shí)，統(tǒng)計(jì)量Kendall秩次相關(guān)系數(shù)U很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。給定顯著水平ɑ，其檢驗(yàn)臨界值為Uɑ/2。當(dāng)|U|>Ua/2，序列趨勢顯著；當(dāng)|U|

1.3.3Hurst指數(shù)法

Hurst指數(shù)可以定量表征時(shí)間序列的持續(xù)性或長期相關(guān)性，在氣象水文變化研究中有著廣泛的應(yīng)用。Hurst 指數(shù)分析法能較好地反應(yīng)序列趨勢持續(xù)性的強(qiáng)弱程度[9]。一般采用r/s法計(jì)算Hurst指數(shù)值H，H( 0

表1 Hurst指數(shù)分級(jí)

2 分析成果

2.1 變化趨勢

對(duì)東風(fēng)站1981—2019年最大1 h降水繪制過程線并作5年(n=5)滑動(dòng)平均過程線，見圖2。從圖中看出，一元線性回歸系數(shù)b=0.1356>0，5年滑動(dòng)平均過程線變化趨勢傾向率>0，說明年最大1 h降水量過程呈波動(dòng)上升變化趨勢，變化率為1.4 mm/10a。

圖2 東風(fēng)站1981—2019年最大1 h降水變化

取信度a=0.05，用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法計(jì)算得到肯德爾秩次相關(guān)檢驗(yàn)值|U|=0.376

表2 東風(fēng)站1981—2019年最大1 h、24 h降水量變化趨勢參數(shù)計(jì)算結(jié)果

同上，得到東風(fēng)站1981—2019年最大24 h降水量變化趨勢計(jì)算結(jié)果：一元線性回歸系數(shù)b=0.062>0，5年滑動(dòng)平均過程線變化趨勢傾向率>0，其過程呈波動(dòng)上升變化趨勢，變化率為0.6 mm/10a，見圖3?？系聽栔却蜗嚓P(guān)檢驗(yàn)值|U|=0.305

圖3 東風(fēng)站1981—2019年最大24 h降水變化

2.2 突變分析

經(jīng)Hurst指數(shù)法分析計(jì)算得到歷年最大1、24 h降水量系列的Hurst指數(shù)：H1 h=0.57，H24 h=0.56，均處于0.5～1.0，說明東風(fēng)站1981—2019年最大1 h降水量序列、最大24 h降水量序列未來變化趨勢與過去一致；根據(jù)Hurst指數(shù)分級(jí)情況，兩系列持續(xù)性較弱,見表3。

用M-K法檢驗(yàn)東風(fēng)站最大1、24 h降水量系列突變情況，圖4、5分別為東風(fēng)站最大1、24 h降水量M-K統(tǒng)計(jì)曲線。從兩圖看出，取信度a=0.05，東風(fēng)站最大1 h降水量序列在1987、2002、2007和2013年發(fā)生突變，最大24 h降水量序列在2000、2009和2013年發(fā)生突變,見表3。

表3 東風(fēng)站1981—2019年最大1、24 h降水量突變分析結(jié)果

圖4 東風(fēng)站1981—2019年最大1 h降水量M-K統(tǒng)計(jì)曲線

圖5 東風(fēng)站1981—2019年最大24 h降水量M-K統(tǒng)計(jì)曲線

2.3 暴雨發(fā)生特點(diǎn)

中國暴雨5—9月分布較廣[11]，東風(fēng)站暴雨也主要集中在5—9月。1981—2019年最大1h降水量多出現(xiàn)在7—9月，其中以8月份出現(xiàn)次數(shù)最多(12年)，占序列長度的30.8%；年最大24 h降水量多出現(xiàn)在6—8月，其中以6月份出現(xiàn)次數(shù)最多(13年)，占序列長度的33.3%。

圖6 東風(fēng)站1981—2019年最大1、24 h降水量出現(xiàn)月份年數(shù)

按降水量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]，1 h降水量15.0～39.9 mm、24 h降水量50.0～99.9 mm為暴雨，統(tǒng)計(jì)歷年暴雨發(fā)生情況。P1 h(1小時(shí)降水量)≥15 mm的年份有38年，占序列長度的97.4%；P24 h(24小時(shí)降水量)≥50 mm的年份有34年，占序列長度的82.1%。1981—2019年39年中，只有2012年沒有發(fā)生暴雨。

在同場次暴雨中，按1 h降水量在24 h降水量中的占比分析暴雨集中程度。P1 h/P24 h平均為47.2%，其中2008年、2015年暴雨集中程度特別高，P1 h/P24 h分別為 70.4%、71.4%。

3 城區(qū)積水成因分析

a)暴雨和特殊地理位置因素。主要是單點(diǎn)短時(shí)強(qiáng)降雨迅速匯聚成大規(guī)模地表徑流，導(dǎo)致城區(qū)局部泄流不暢形成內(nèi)澇，洪澇災(zāi)害多為局部性。中心城區(qū)所處壩子四面環(huán)山，周邊降雨形成的徑流、洪水全部由壩子中部的曲江承納。超過河道排放能力的雨水溢流形成地表徑流，或通過坡度較大的管道快速向城中及城市下游區(qū)域轉(zhuǎn)輸，導(dǎo)致地勢低洼的中衛(wèi)片區(qū)、老火車站片區(qū)、高鐵新城片區(qū)等區(qū)域容易被淹，形成壩區(qū)和城區(qū)洪澇災(zāi)害。

b)城市化和全球氣候異常變化因素。根據(jù)玉溪市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，玉溪市中心城區(qū)城市建成區(qū)面積2007年為22.3 km2，到了2019年則增大了近2倍，2019年建成區(qū)綠化覆蓋率40.6%，見圖7。隨著玉溪城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，城市道路和建筑物不斷建成，城市化發(fā)展改變了區(qū)域下墊面條件[13]，使城區(qū)徑流系數(shù)不斷增大、暴雨導(dǎo)致的洪水量增大，最終導(dǎo)致城市區(qū)域積水。近年來全球氣候出現(xiàn)異常變化，極端性氣候?yàn)?zāi)害事件時(shí)有發(fā)生，城市洪澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重，城市的內(nèi)澇問題日趨凸顯[14]。

圖7 玉溪市中心城區(qū)2007—2019年城市建成區(qū)面積與綠地面積變化

c)河道排洪能力不足。城市周邊現(xiàn)有河道排洪能力不足或未全面提升，雨洪容易漫灌道路和城區(qū)。曲江是城市雨洪的主要通道，玉帶河和中心溝也是城市防洪體系的主干框架，但其部分河段防洪能力較弱，防洪標(biāo)準(zhǔn)不高，難以滿足城市排洪要求。

d)防洪排澇基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相比城市發(fā)展相對(duì)滯后。部分排水管網(wǎng)老化脫節(jié)、排水管徑較小、隱性排水溝渠存在安全隱患等。老城區(qū)排水管道多為雨污同流，管網(wǎng)過流能力不足、標(biāo)準(zhǔn)較低。

4 結(jié)論和建議

a)1981—2019年，玉溪市城市(東風(fēng)站)年最大1 h降水和年最大24 h降水均呈不顯著波動(dòng)上升趨勢，變化率分別為1.4、0.6 mm/10a。

b)東風(fēng)站1981—2019年最大1 h降水量序列、最大24 h降水量序列Hurst指數(shù)分別為0.57、0.56，未來變化趨勢與過去一致,持續(xù)性較弱。東風(fēng)站最大1 h降水量序列在1987、2002、2007和2013年發(fā)生突變，最大24 h降水量序列在2000、2009和2013年發(fā)生突變。

c)年內(nèi)暴雨分布極不均勻，最大1 h降水多發(fā)生在8月，最大24 h降水多發(fā)生在6月；暴雨集中程度高，同場次暴雨降水量主要集中在1 h內(nèi)，最大1 h降水量平均占最大24 h降水量的47.2%，最大占比達(dá)到71.4%。

d)暴雨特性和特殊地理位置、城市化和全球氣候異常變化、河道排洪能力不足以及防洪排澇基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后等是造成城市積水的主要因素。

建議有序?qū)嵤┖拥浪嫡?，提高雨洪接納能力；加強(qiáng)管網(wǎng)維護(hù)，新建雨污管網(wǎng)，減小部分管網(wǎng)壓力。在目前玉溪市海綿城市試點(diǎn)成果經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，全域開展海綿城市建設(shè)；制定科學(xué)合理的防洪排澇措施，以緩解和應(yīng)對(duì)城市內(nèi)澇的壓力。建立科學(xué)的城市防洪排澇水文監(jiān)測體系和預(yù)測預(yù)警平臺(tái)[15]，形成統(tǒng)一的監(jiān)測預(yù)警指揮系統(tǒng)和聯(lián)動(dòng)指揮平臺(tái)。