王振亞，姚 成，董俊玲，楊 慧

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室，河南 鄭州 450003；2.河南省氣象臺，河南 鄭州 450003；3.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

受氣候變化影響，全球極端天氣氣候事件頻發(fā)、強發(fā)，造成了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失[1-2]。近年來，我國極端強降水事件頻繁發(fā)生，越來越受到社會的廣泛關注，如2012年北京“7·21”特大暴雨[3]、2016年7月19—20日華北極端強降水[4]、2016年7月18—20日湖北省特大暴雨[5]、2017年廣州“5·7”極端強降水[6-7]、2013年8月和2018年8月粵東極端強降水[8]，造成了嚴重的城市內(nèi)澇、地質(zhì)災害和洪澇等次生災害，威脅著城市交通網(wǎng)的安全運行[9]和人民的生命財產(chǎn)安全。極端強降水成因分析及影響研究日益成為研究熱點[10-13]。

2021年7月17—22日，鄭州出現(xiàn)了一次持續(xù)時間長、累計雨量大、影響范圍廣的極端強降水事件(簡稱河南鄭州“7·20”特大暴雨)，造成了嚴重的城市內(nèi)澇、重大人員傷亡和經(jīng)濟損失，極為罕見。本文通過分析此次極端強降水事件的特點及其內(nèi)澇影響，分析當前內(nèi)澇防治存在的問題，提出超標準降水條件下內(nèi)澇防治的建議，以期為城市內(nèi)澇防治和城市安全運行提供參考。

1 降 水 資 料

剔除錯誤和缺測數(shù)據(jù)較多站點[14]，本文采用河南省鄭州市178個氣象觀測站(圖1)的2021年7月17日8時至7月23日8時逐小時降水資料，其中鄭州外國語站21日8時后觀測缺測，但由于其代表性較好，21日8至23日8時資料采用其鄰近站鄭州中學附屬小學站資料；選取隴海路京廣路西北角積水監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析此次城市內(nèi)澇災害事件變化過程。

圖1 自動氣象觀測站分布Fig.1 Distribution of the automatic weather stations

2 降水特征分析

2.1 極端性分析

由圖2可知，鄭州市大部分地區(qū)降水量在400 mm以上， 600 mm以上降水主要分布在鄭州市市轄區(qū)及其周邊，800 mm以上降水主要分布在鞏義東部、滎陽西南部、新密市北部及二七區(qū)。此次降水過程是一次極端強降水過程。全市平均降水量566.6 mm，149個氣象觀測站(83.7%)降水量超過400 mm，其中16個氣象站降水量超過800 mm，最大降水量(993.1 mm)在鄭州市二七區(qū)侯寨，鄭州、新密、嵩山、滎陽、鞏義、登封6個國家級氣象站日降水量突破建站以來歷史日極值(圖2)。此次降水過程與河南“75·8”特大暴雨相比，最大24 h雨量和6 h雨量分別為鄭州市轄區(qū)侯寨站702.0 mm和尖崗水庫469.5 mm，小于“75·8”特大暴雨最大24 h雨量(1 060 mm)和6 h雨量(830 mm)[15]，但最大小時雨量鄭州站為201.9 mm，不僅超過河南“75·8”特大暴雨最大1 h雨量(189.5 mm)[16]，也位列我國國家站1h降水量排行榜首位，超出第二名40 mm[17]。

圖2 2021年7月17日8時至23日8時累計降水量Fig.2 Accumulative rainfall from 08:00 CST 17 to 08:00 CST 23 July 2021

2.2 降水階段特征分析

從鄭州市小時平均雨量和最大小時雨強隨時間變化(圖3)可以看出，此次降水過程呈現(xiàn)顯著得多峰結構。從天氣分析角度把降水從增強到減弱過程看成一個降水階段，以平均雨量達到最小值為降水階段的結束，此次降水過程可以分為5個階段，時間分別為17日8時至17日19時、17日21時至19日8時、19日8時至20日3時、20日3時至21日16時和21日16時至23日8時。第一階段鄭州西部出現(xiàn)陣雨天氣，最大雨量(14.3 mm)在登封雅馨園，最大小時雨強也出現(xiàn)在該站為14 mm；第二階段全市以中到大雨為主，鞏義、滎陽西部、登封東北部出現(xiàn)暴雨，最大雨量(105.9 mm)在鞏義四初中，最大小時雨強登封大冶39.2 mm；第三階段鄭州市大部出現(xiàn)暴雨，其中鞏義、滎陽、新密、登封、新鄭和二七區(qū)出現(xiàn)大暴雨，鞏義、登封、滎陽、新密局部特大暴雨天氣，有2站雨量超300 mm，分別為鞏義四初中303.3 mm、嵩山國家站300.9 mm，最大小時雨強新密來集77 mm；第四階段全市大部出現(xiàn)特大暴雨天氣，400 mm以上降水主要位于市轄區(qū)及滎陽中南部、新密中北部和鞏義東部，有5站雨量超600 mm，其中最大雨量二七區(qū)侯寨達715 mm，最大小時雨量鄭州站201.9 mm；第五階段是降水減弱階段，全市以中到大雨為主，登封及惠濟區(qū)、中牟局部出現(xiàn)暴雨，最大降水量登封市佛垌113.8 mm，最大小時雨強也出現(xiàn)在該站為47.2 mm。

圖3 鄭州市小時平均雨量和最大小時雨強隨時間變化Fig.3 Temporal variation of average hourly rainfall and maximum hourly rain intensity

從以上分析可以看出，降水從鄭州西部開始，暴雨中心逐步向東移動加強，在移動到二七區(qū)后迅速減弱。第三階段和第四階段呈現(xiàn)出短時強降水(小時降水量大于或等于20 mm)頻發(fā)、重發(fā)特征，19日8時至21日8時小時最大雨強均在20 mm以上，19日19時至20日1時和20日6—22時22個時次中有20個時次最大小時雨強在50 mm以上，20日12—18時連續(xù)6 h最大小時雨強均在80 mm以上，其中20日15—18時分別有7站、6站、4站小時雨量超100 mm。多項研究[3,9,12,18-19]表明短時強降水事件易引發(fā)嚴重的洪澇和城市內(nèi)澇等災害。登封、鞏義、新密20日凌晨到上午開始出現(xiàn)山洪災害，鄭州市轄區(qū)下午開始出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇，這與暴雨中心的發(fā)展過程吻合。

3 內(nèi)澇影響分析

3.1 最大積水深度與降水對比分析

最大小時雨強空間分布(圖4)顯示，最大積水深度在100 cm以上區(qū)域的最大小時雨強在100 mm以上，主要分布在中原區(qū)、二七區(qū)及金水區(qū)和管城區(qū)的交界處，惠濟區(qū)、金水區(qū)的北部最大小時雨強較小，其最大積水深度也較小。從最大短時強降水頻次空間分布(圖5)可以看出，在12次以上的觀測站主要分布在鞏義東部、滎陽南部、二七區(qū)東南部和新密東北部及登封和新密交界處，二七區(qū)及中原區(qū)東部、金水區(qū)西部短時強降水次數(shù)在8～12次之間。與最大小時雨強相比，其與最大積水深度的相關性較差。

圖4 鄭州市最大小時雨強空間分布Fig.4 Spatial distribution of maximum hourly rain intensity

圖5 鄭州市短時強降水次數(shù)空間分布Fig.5 Spatial distribution of short-duration heavy rain frequency

鄭州市轄區(qū)西南部無內(nèi)澇監(jiān)測站點，其可能原因是西南部地勢較高，同時由于該區(qū)域內(nèi)分布有常莊、郭家咀、尖崗等水庫，排水速度也較快，內(nèi)澇風險較低；二七區(qū)為此次降水過程最強的暴雨中心，其積水深度普遍超過100 cm；東部的積水深度超過了暴雨中心區(qū)域，其可能原因是東部地勢較低，同時暴雨中心由西向東移至此處時，西部山區(qū)暴雨徑流和水庫安全下泄造成下游河道水位抬升，造成積水向河道排水不暢。

3.2 鄭州“7·20”特大暴雨內(nèi)澇防治分析

按照室外排水設計規(guī)范 (2016年版)[20]，排水系統(tǒng)和內(nèi)澇防治設計暴雨強度公式均應采用年最大值法，本文采用文獻[21]的鄭州暴雨強度公式[21]：

(1)

式中：i為設計暴雨強度， mm/min；P為重現(xiàn)期，a；t為降水歷時， min。

式(1)適用范圍為暴雨歷時5～1 440 min，設計重現(xiàn)期2～100 a。

根據(jù)《鄭州市海綿城市專項規(guī)劃(2017—2030年)》要求，鄭州內(nèi)澇防治標準見表1。鄭州市年徑流總量控制率75%，對應日雨量22 mm；主城區(qū)管網(wǎng)設計標準按照5年一遇的標準設計，按照式(1)計算能夠抵御小時雨強53.4 mm的暴雨；內(nèi)澇防治設計重現(xiàn)期按照50年一遇標準設計，能夠抵御小時雨強84.2 mm和24 h雨量110.2 mm的暴雨。從第2節(jié)分析可以看出，無論從日雨量還是小時雨強，本次強降水過程遠遠超過鄭州市內(nèi)澇防治標準，特別是20日12—18時鄭州市主城區(qū)連續(xù)出現(xiàn)80 mm以上的小時降水，是造成鄭州市主城區(qū)嚴重城市內(nèi)澇的主要原因。

表1 鄭州市內(nèi)澇防治標準

《鄭州市海綿城市專項規(guī)劃(2017—2030年)》編制于2017年，2017年鄭州常住人口988.1萬，為特大城市，而鄭州國家氣象站歷年最大小時雨強2007年為86.9 mm，內(nèi)澇防治設計重現(xiàn)期50年一遇完全能夠抵御這種強度的暴雨。2018年以后鄭州市常住人口超過1 000萬，為超大城市，即使內(nèi)澇防治設計重現(xiàn)期按照100年一遇設計，能夠抵御最大小時雨強為93.4 mm和24 h雨量120.3 mm的暴雨，仍不足以抵御此次暴雨過程。按照《國務院辦公廳關于加強城市內(nèi)澇治理的實施意見》(國辦發(fā)〔2021〕11號)要求在防御此種超標準極端強降水天氣時應完善城市內(nèi)澇防治的超標應急系統(tǒng)，包括建立完善城市排水與內(nèi)澇防范超標準應急預案，落實各相關部門工作任務、響應程序和處置措施，提高公眾防災避險意識和自救互救能力等措施，盡量減輕內(nèi)澇帶來的損失。

3.3 典型內(nèi)澇監(jiān)測點內(nèi)澇過程分析

城市積水深度監(jiān)測點一般為易澇點，由于此次降水過程中京廣路隧道內(nèi)澇嚴重，同時周邊為老城區(qū)，選取離其最近的隴海路京廣路西北角積水監(jiān)測點為研究對象分析此次內(nèi)澇災害發(fā)生發(fā)展過程。取此積水點四周最近的4個氣象觀測站的加權平均雨量作為此監(jiān)測點的降水。由圖6可知，20日5時以前無積水，其最大小時雨強為12.1 mm；20日6時積水深度為16 cm，其小時雨量為18.8 mm；20日10時再次出現(xiàn)積水，11時積水深度為15 cm，9—11時2 h雨量為27.3 mm，13時以后隨著小時雨強的增強積水深度迅速增加。地面積水設計標準要求道路中一條車道積水的積水深度不超過15 cm，計算此積水監(jiān)測點暴雨強度重現(xiàn)期小于2年。以上分析說明易澇點是城市內(nèi)澇防治的短板，亟需通過更新改造老城區(qū)排水管網(wǎng)、修復自然生態(tài)系統(tǒng)等措施補齊排水防澇設施短板，提高城市易澇點內(nèi)澇防治標準。

圖6 隴海路京廣路西北角積水監(jiān)測點積水深度和其周邊雨量站加權平均雨量時間變化Fig.6 Temporal variation of water depth at ponding position in the northwest corner of Longhai Road and Jingguang Road, and weighted average rainfall at surrounding precipitation station

4 結 論

a.河南鄭州“7·20”特大暴雨是一次極端強降水天氣過程, 此次過程最大24 h雨量和6 h雨量與河南“75·8”特大暴雨相比較小，但小時最大雨強不僅超過河南“75·8”特大暴雨最大1 h雨量(189.5 mm)，也位列我國國家站1小時降水量排行榜首位。

b.此次降水過程分為5個明顯的降水階段，在第三和第四階段呈現(xiàn)出短時強降水頻發(fā)、重發(fā)特征，特別是20日12—18時鄭州市主城區(qū)連續(xù)出現(xiàn)80 mm以上的小時降水，是造成鄭州市主城區(qū)嚴重城市內(nèi)澇的主要原因。

c.按照現(xiàn)有的內(nèi)澇防治設計標準，鄭州市主城區(qū)仍不足以防范此種強度的降水。但仍可以通過建設完善城市內(nèi)澇防治的超標應急系統(tǒng)、提高城市易澇點內(nèi)澇防治標準等措施減輕內(nèi)澇災害。