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引言
近日,一場罕見暴雨引發(fā)的城市澇災(zāi)災(zāi)害話題受到全社會的高度關(guān)注。面對慘痛的現(xiàn)實，業(yè)界紛紛研究和反思。我們學(xué)到了什么？有什么教訓(xùn)需要吸取？
本文在收集網(wǎng)上公布的“7·20鄭州特大暴雨”事件的降雨、地形高程、排水格局、洪澇災(zāi)情等大量公開信息的基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)模擬，分析鄭州7·20暴雨洪水實際情形，評估風(fēng)險特征。研究以專業(yè)視角，從城市洪澇安全需求出發(fā)，審視城市排水防澇系統(tǒng)應(yīng)對極端暴雨實際表現(xiàn)，從而獲得有價值的啟發(fā)。
一、 鄭州主城區(qū)排水特征
1.1 城市地形地勢與排水格局
根據(jù)由此次專門收集的地形資料繪制而成的鄭州市區(qū)域地形和水系圖（圖1），鄭州中心城區(qū)在西南、西部低山丘陵和黃河之間呈西高東低，西南部整體地勢由西南向東北傾斜，逐漸向東北過渡為黃土傾斜平原和黃淮沖擊平原。河流包含源于西南山部區(qū)的索須河、金水河、十八里河、七里河、潮河和賈魯河。平原區(qū)的熊耳河、魏河、東風(fēng)渠等，均為市區(qū)內(nèi)的泄洪排澇骨干河道。所有河道最終排向賈魯河，因此賈魯河承擔(dān)著城市防洪排澇的重要功能。上游建有10余座中小型水庫，包括常莊和尖崗水庫。賈魯河自尖崗水庫至京港澳高速地面坡降估計（見圖2），城區(qū)段上游坡度大，約為3‰，坡面匯流流速大，上游來水速度快；下游區(qū)域相對平緩，約為0.66‰。
圖 1鄭州市地形高程及水系分布圖
圖 2 賈魯河（尖崗水庫-京港澳高速）河道縱斷面沿線高程（m）
1.2 7·20降雨事件情勢分析
根據(jù)從“生態(tài)水文遙感”團(tuán)隊公眾號獲得的降雨資料，對比鄭州市內(nèi)2021年7月18日20時21日15時段內(nèi)，自西向東5個國家級氣象站點(diǎn)的降雨過程時空分布（圖3），鄭州發(fā)生一小時極端暴雨前，7月18日20時-20日15時，位于鄭州主城上游的嵩山站、鞏義站和新密站發(fā)生高強(qiáng)度降雨，累積降雨量分別已經(jīng)達(dá)到515mm、464.5mm和476mm（圖4）。
鄭州站位于主城區(qū)偏東北，暴雨主要集中在20日15時~17時，最大小時降雨量達(dá)到201.9 mm，最大24h總降雨量超過622 mm。
7·20暴雨中心由西南山區(qū)逐漸向東北鄭州市區(qū)發(fā)展，導(dǎo)致城市河道由于山區(qū)暴雨徑流和水庫安全下泄，水位快速抬升，在市區(qū)發(fā)生特大暴雨時，城區(qū)河道排水條件不利。
圖 3 鄭州市國家級氣象站點(diǎn)分布圖
（圖片來源：生態(tài)水文遙感前沿公眾號，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部“生態(tài)水文遙感”團(tuán)隊）
圖 4 鄭州市及西部國家雨量站7.20暴雨逐時和累積降雨量（制圖：宜水環(huán)境）
（數(shù)據(jù)來源：生態(tài)水文遙感前沿公眾號，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部“生態(tài)水文遙感”團(tuán)隊）
1.3 7·20鄭州暴雨重現(xiàn)期
7·20暴雨到底是多少年一遇？
暴雨發(fā)生頻率或重現(xiàn)期是由水文統(tǒng)計分析得出。這是在水文學(xué)科又下分的非常專業(yè)的研究方向。水文事件（如暴雨）重現(xiàn)期，是基于對隨機(jī)樣本分析基礎(chǔ)上，得出對隨機(jī)事件發(fā)生的可能性進(jìn)行量化的一種表達(dá)方式，以便應(yīng)用和研究中可以比較、分析、決策。城市對暴雨的研究基本仍局限于通過站點(diǎn)觀察記錄推求暴雨公式和100年一遇以下的范圍。由于水庫等重要水利安全要求很高，水利上對于極端事件的應(yīng)用很普遍，如三峽大壩設(shè)計是萬年一遇，荷蘭有些堤壩是幾百年到十萬年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。由于頻率成果的敏感性和重要性，極端頻率的分析不是僅僅靠幾年觀察數(shù)據(jù)排位計算所得。極端事件頻率分析需要利用歷史調(diào)查、考古、洪水遺跡等大量研究所得。
另一方面，對于極端頻率，其成果正確性沒法衡量，只是在現(xiàn)有認(rèn)知和科學(xué)水平基礎(chǔ)上的估計。鄭州7·20暴雨打破了太多的認(rèn)知。到底多少年一遇由水文氣象學(xué)術(shù)專家們研究。不過從“75·8駐馬店特大暴雨”，“ 7·20 南方多地洪災(zāi)”的兩次極端事件的來看，這些確實挑戰(zhàn)了水文統(tǒng)計的對極端事件分析。根據(jù)張建云院士報告解釋，這個地區(qū)的地形條件與特殊氣候的組合可能是促成極端降雨的主因。因而，這些極端事件與常規(guī)事件來比，由于成因和工程目標(biāo)不同，可能需要分類研究。
二、 暴雨洪水風(fēng)險分析
2.1 暴雨積水模擬
為了評估鄭州市暴雨水情形勢和淹沒風(fēng)險，分析洪澇災(zāi)情成因，本研究構(gòu)建了鄭州市主城區(qū)水文水動力2D洪澇模型，模型范圍1057.8 km2，包含主要城區(qū)范圍和鄭州市泄洪排澇骨干河道。
模型降雨采用北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部“生態(tài)水文遙感”團(tuán)隊根據(jù)中國地面氣象站逐小時觀測資料數(shù)據(jù)分析梳理的鄭州市國家級氣象站點(diǎn)降雨資料，選用鄭州站2021年7月19日20時~7月21日0時之間的小時級降雨數(shù)據(jù)進(jìn)入模型計算，總降雨量約為640 mm，最大1小時降雨量為 201.9 mm，徑流系數(shù)取值0.9。模型地面高程采用美國NASA，Shuttle Radar Topography Mission雷達(dá)高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為30m*30m。
根據(jù)洪澇模型結(jié)果繪制最大積水水深分布圖（圖5）。水深風(fēng)險圖大多與新聞描述相符（請見圖例，藍(lán)色深淺代表積水深淺）。
結(jié)果表明，鄭州城區(qū)總體積水形勢嚴(yán)峻，大片區(qū)域最大積水深度超過城市內(nèi)澇防治要求的0.25m，部分區(qū)域最大積水深度甚至在2m以上。城區(qū)東北部的金水區(qū)和惠濟(jì)區(qū)地勢較低處積水最為嚴(yán)重；主城區(qū)內(nèi)鄭州北站至鄭州站沿線、圃田西站周邊、鄭州地鐵5號線沿線范圍廣、水深也較大。
進(jìn)一步統(tǒng)計淹沒水深面積占比，最大積水深度超過 0.25m的面積為 479.1 km2，占總面積的 45.3%，其中，0.5~2m的面積為272.4 km2，占比25.8%；2m以上的面積達(dá)到116.0 km2。
圖 5 鄭州市洪澇淹沒水深分布圖
表 1 主城區(qū)洪澇模型積水范圍統(tǒng)計表
圖 6主城區(qū)內(nèi)澇模型積水淹沒深度面積占比
2.2 洪澇水量分析
根據(jù)鄭州市政府2017年發(fā)布《鄭州市海綿城市專項規(guī)劃（2017~2030年）》，在水安全方面，標(biāo)準(zhǔn)為：城區(qū)與航空城的內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期為50年一遇。鄭州市5年、50一遇重現(xiàn)期24h設(shè)計暴雨量分別為119.0m、199.4mm。
表 2 鄭州市設(shè)計暴雨雨量
根據(jù)上述特征暴雨雨量分析，管網(wǎng)在設(shè)計能力條件下排水量（含海綿設(shè)施）占本次極端降雨總雨量的19%，50年一遇防澇系統(tǒng)排水量（含管網(wǎng)）約占32%，超標(biāo)雨水占比達(dá)到68%，大量超出內(nèi)澇防治體系能力標(biāo)準(zhǔn)的雨水將形成快速的地表坡面匯流，流向地勢低洼區(qū)域。
主城區(qū)1057.8 km2模型范圍內(nèi)水量平衡分析及各部分百分比結(jié)果如下：
表 3 模型分析水量平衡分析表
圖 7 鄭州主城區(qū)水量占比分析圖
2.3 淹沒風(fēng)險分析
洪澇能量大的區(qū)域代表受影響大、危險性高。而水深與流速決定洪水能量，因此根據(jù)模型得出的地面淹沒最大水深及最大流速，對研究區(qū)域淹沒范圍的洪澇風(fēng)險性進(jìn)行評估。
風(fēng)險評估因子F公式如下：
此外，賈魯河、金水河、十八里河和七里河等河道中上游兩岸也存在中、高淹沒風(fēng)險區(qū)，此次鄭州暴雨導(dǎo)致城區(qū)內(nèi)河道遠(yuǎn)超其排水能力。大部分區(qū)域淹沒水深大于0.5米，甚至1-2米，流速大于0.8米/秒，水流風(fēng)險極大，嚴(yán)重影響城市安全。
圖 8 鄭州市主城區(qū)洪澇淹沒分布圖
2.4 代表點(diǎn)淹沒水位過程
暴雨期間，鄭州市阜外華中心血管病醫(yī)院（簡稱阜外醫(yī)院）因暴雨積水，停水?dāng)嚯�、道路受淹、交通受阻，�?dǎo)致近5000人被困。阜外醫(yī)院所在的城東中牟處于鄭州地勢最低處，賈魯河、魏河、龍湖等水體交匯處下游，暴雨后河水暴漲導(dǎo)致大量積水倒灌，導(dǎo)致路面水位上升速度快、漲幅高，但受地形影響退水速度較慢。通過模擬2021年7月20日15時~7月20日21時間鄭州站實際降雨，結(jié)果顯示阜外醫(yī)院周邊區(qū)域水位6小時水位上升可達(dá)到2.25m左右。
圖 9鄭州阜外醫(yī)院水情及積水現(xiàn)場圖（來源：澎湃新聞）
圖 10 模擬積水變化過程曲線（鄭州阜外醫(yī)院）
三、 城市排水防澇體系的關(guān)鍵解析
鄭州特大暴雨事件的主因，顯然是由于超出安全標(biāo)準(zhǔn)二倍多的澇水出路受阻。然而，盡管量級特征不同，超標(biāo)暴雨任何城市都可能發(fā)生。其他城市怎樣才能吸取教訓(xùn)？
為此，我們需要首先理解排水防澇系統(tǒng)的功能設(shè)計。本質(zhì)上排水防澇體系是關(guān)于城市雨水的滯蓄排放的空間平衡和有序布置。澇水量的時空估計以及風(fēng)險管控，是解決城市洪澇問題的重要內(nèi)容。
從系統(tǒng)角度，不同工程手段實現(xiàn)不同的設(shè)計目標(biāo)。工程手段包括源頭減排與排水管渠系統(tǒng)、內(nèi)澇防治系統(tǒng)，和超標(biāo)降雨應(yīng)急防控和響應(yīng)系統(tǒng)。下圖展示了各個系統(tǒng)層級設(shè)計應(yīng)對不同的暴雨特征，主要功能有所不同。
- 排水管（圖A）-設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)多介于5年及5年一遇以下。主要設(shè)施包括：源頭海綿設(shè)施、地表導(dǎo)流、管網(wǎng)、調(diào)蓄設(shè)施、城市河湖等
- 內(nèi)澇防治系統(tǒng)（圖B）-主要應(yīng)對超出管網(wǎng)能力的設(shè)計暴雨（如5-50年一遇），設(shè)施主要包括：管網(wǎng)、調(diào)蓄設(shè)施、城市河湖、泄流通道、地表的安全積水區(qū)域。
- 超標(biāo)系統(tǒng)（圖C）-（如大于50年一遇）的降雨事件，主要設(shè)施包括：調(diào)蓄設(shè)施、城市河湖、超標(biāo)泄流通道、地表淹沒區(qū)域,預(yù)案以及應(yīng)急響應(yīng)非工程減災(zāi)手段。
任一排水系統(tǒng)（或子系統(tǒng)），降雨徑流進(jìn)入系統(tǒng)后，是排水能力與系統(tǒng)調(diào)蓄量之間的平衡。當(dāng)排水能力受限，系統(tǒng)調(diào)蓄量超過防洪排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)安全蓄量時，發(fā)生內(nèi)澇（見圖11）。
排水防澇規(guī)劃對管渠道、內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)和海綿城市有明確的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)要求。在內(nèi)澇防治體系中，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)超過管渠能力的地表徑流空間組織、安全調(diào)蓄，以及標(biāo)準(zhǔn)外澇水的風(fēng)險評估與對策，是工程規(guī)劃與管理的重點(diǎn)。這些地表徑流組織與澇水出路，需要城市的空間。
這項工作，業(yè)界常常通過洪澇風(fēng)險的識別與評估，為城市規(guī)劃和排水防澇提供非常重要的洪澇風(fēng)險圖成果。風(fēng)險圖可為防洪排澇設(shè)施空間布局提供依據(jù)，識別淹沒對象，評估發(fā)生后果，以便在工程上布置合理的避險措施，在空間上與城市規(guī)劃銜接。
圖 11 典型系統(tǒng)逐時入出流量-蓄量平衡示意圖
四、 認(rèn)知與啟發(fā)
根據(jù)上述研究，得到如下啟發(fā)：
- 模型推演表明，鄭州7·20暴雨主城區(qū)受災(zāi)的主因是由上游始發(fā)暴雨洪水與市中心極端小時暴雨疊加，城區(qū)形成大面積水深不等的快速坡面匯流導(dǎo)致。該暴雨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過城市河道防洪標(biāo)準(zhǔn)和城市的排水防澇標(biāo)準(zhǔn)。城市是否具有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪、澇風(fēng)險圖？是否有超標(biāo)準(zhǔn)暴雨研究和預(yù)案的風(fēng)險圖？超標(biāo)準(zhǔn)洪水或澇水在規(guī)劃工程中會淹哪些地方？怎么調(diào)蓄？如何排放？恐怕許多城市對這些問題都仍缺乏準(zhǔn)備；
- 澇災(zāi)害怎么管？鄭州暴雨事件暴露了一個非常普遍的風(fēng)險管理問題。流域防洪工程管河道堤防和泵站等，但不關(guān)注城市細(xì)節(jié)；城市排水防澇關(guān)注城市細(xì)節(jié)，但只假設(shè)河道安全，且只局限于管渠和內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)；
- 是洪？是澇？或洪澇？城市是源頭產(chǎn)水、匯水、地表坡面匯流，而又期望被保護(hù)的對象，既非防洪工程可以保護(hù)，又非通常的澇水現(xiàn)象，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了排水防澇的能力范圍。其實概念并不重要，重要的是對風(fēng)險特征，如暴雨量級、淹沒水深、流速、淹沒對象等的判斷、識別和評估。隨著全球變暖，氣候不確定性加大，點(diǎn)暴雨公式的局限性、超標(biāo)事件研究不足和洪澇風(fēng)險評估的薄弱，可能是當(dāng)今城市規(guī)劃與管理不小的技術(shù)風(fēng)險。極端氣象條件研究、可靠的精細(xì)化的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)和標(biāo)準(zhǔn)外洪澇風(fēng)險評估與風(fēng)險圖，為識別風(fēng)險源與重要保護(hù)對象，為城市空間規(guī)劃、重大工程避險、應(yīng)急響應(yīng)管理提供重要依據(jù)。城市排水防澇規(guī)劃是彌補(bǔ)當(dāng)今技術(shù)體系局限，有條件提供這些成果的技術(shù)途徑；
- 本研究基于大量公開信息構(gòu)建洪澇模型，得出較為符合實際的專業(yè)分析成果，表明在具有較好基礎(chǔ)資料的條件下，通過專業(yè)模型技術(shù)支撐排水防澇規(guī)劃或內(nèi)澇治理的技術(shù)手段，應(yīng)是基本要求。再進(jìn)一步，氣象信息與洪澇系統(tǒng)模擬技術(shù)的集成，能為城市快速高效的工程決策、預(yù)警預(yù)報和應(yīng)急響應(yīng)提供輔助。隨著系統(tǒng)應(yīng)用檢驗和糾錯能力提高，這種以實時模擬為支撐的預(yù)警預(yù)報和應(yīng)急決策技術(shù)將會越來越成熟，是必然趨勢。
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[8] 張建云.科學(xué)網(wǎng).全球變暖+城市化，城市洪澇越發(fā)突變.2021.7.22
致謝
本文特別鳴謝：中國水利水電科學(xué)研究院教授級高工、國家減災(zāi)委專家委員、水利學(xué)會城市水利專委會主任委員程曉陶和中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院教授級高工、中國城市供水排水協(xié)會副秘書長謝映霞為本文的改進(jìn)提供了專業(yè)指導(dǎo)和建議。
