南寧城市內(nèi)澇分布特征及其監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用分析

黃丹萍，白 龍

(廣西南寧市氣象局，廣西 南寧 530029)

0 引言

我國氣象災(zāi)害頻發(fā)，其中城市暴雨造成的內(nèi)澇災(zāi)害是影響城市安全建設(shè)、經(jīng)濟社會發(fā)展與居民生活安定的重要氣象災(zāi)害之一。因此，暴雨內(nèi)澇氣象災(zāi)害防御工作事關(guān)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全，做好暴雨內(nèi)澇防御工作刻不容緩［1－3］，如何加速完善城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害防御機制也是當前城市建設(shè)亟待解決的重要問題。針對這一問題，國內(nèi)很多城市的氣象專家先后探討了城市內(nèi)澇成因及研究模型，并逐步建立了暴雨瀝澇仿真模擬系統(tǒng)，在推動抗洪搶險救災(zāi)和恢復(fù)重建中發(fā)揮了重要作用［4－7］。

廣西南寧地處北回歸線附近，氣候多變，災(zāi)害性天氣頻繁，突出表現(xiàn)在暴雨過于集中，常發(fā)生洪澇災(zāi)害。2016年6月14日，暴雨引發(fā)南寧所轄區(qū)縣發(fā)生洪澇災(zāi)害，造成近10 萬人受災(zāi)，因災(zāi)1人死亡、1 人失蹤，直接經(jīng)濟損失5572 萬元。近年來，由于南寧城市規(guī)?？焖贁U大，城市不透水地表面積迅速擴張，導(dǎo)致了南寧相對于其他城市的內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生頻率更頻繁，城市對內(nèi)澇及其衍生災(zāi)害的脆弱性也相對其他城市更加明顯，對氣象服務(wù)工作提出了更高的要求。因此，建立完善的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)迫在眉睫，本文對南寧城市內(nèi)澇分布特征進行分析，利用南寧市城市內(nèi)澇氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對2015年南寧市短時強降雨過程進行模擬分析［8－10］。

1 資料來源及研究方法

利用2009—2017年南寧城管局實測內(nèi)澇資料(含內(nèi)澇隱患點名稱、經(jīng)緯度、內(nèi)澇開始及結(jié)束時間、積水深度和積澇程度等)及南寧自動氣象站逐小時降雨資料，對南寧市39 個易澇點進行等級分類，并用數(shù)理統(tǒng)計方法進行內(nèi)澇深度與降雨關(guān)系分析。南寧城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)引入的是由德國Geomer 公司開發(fā)的FLOORAREA模式，該模型以城市排水系統(tǒng)為基礎(chǔ)，模擬城市降雨地表徑流和內(nèi)澇的形成過程。模型的輸入量主要為降水量，輸出量為積水深度，模型所需的其它輸入數(shù)據(jù)從國土資源局或其他方式獲取，主要包括市區(qū)數(shù)字地形圖、水系圖(包含所有水面)、道路信息圖、土地利用圖和數(shù)字高程數(shù)據(jù)，城市排水工程信息通過城市排水管理處獲取。河道地形信息通過城建部門和普查獲取。

2 內(nèi)澇等級劃分

根據(jù)2009—2017年間南寧市出現(xiàn)的歷史內(nèi)澇積水信息及積澇形成的難易進行對比分析，并結(jié)合易澇點的社會性質(zhì)和實際的影響大小(包含易澇點類型、人口密集程度、財產(chǎn)價值等)［11－12］，對市區(qū)12 個一級深度易澇點、15 個二級中度易澇點、12 個三級輕度易澇點再次進行內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分。經(jīng)驗表明，當積水深度達到5cm 以上時，就會對城市的正常運行產(chǎn)生一定影響，具體劃分如表1 所示。

表1 南寧市易澇點內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分Tab．1 Grading classification of waterlogging risk in Nanning

3 分布特征

3.1 空間分布

2009—2017年南寧市共發(fā)生城市內(nèi)澇104例，平均每年14.9 次。涉及內(nèi)澇點39 個。其中青秀區(qū)19 個，西鄉(xiāng)塘區(qū)10 個，興寧區(qū)4 個，良慶區(qū)3 個，江南區(qū)3 個，邕寧區(qū)2 個，以中心城區(qū)即青秀區(qū)最多，內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的頻數(shù)占到全市的51%。整體來看，內(nèi)澇點分布極不均勻。排水能力的強弱是內(nèi)澇發(fā)生頻率高低的關(guān)鍵因素［5，7］，從內(nèi)澇發(fā)生頻率來看，最高是五一路，頻率為12.5%，其次是北湖秀廂立交，頻率為10.5%，東葛路及明秀西路并排第三，頻率為6.7%。根據(jù)此等級劃分標準并結(jié)合實際情況，對南寧39 個內(nèi)澇點進行等級劃分，一級深度易澇點:有12 個易澇點，這些站點在50mm/h以上降雨時，出現(xiàn)25cm 以上內(nèi)澇風(fēng)險極大，甚至出現(xiàn)積水深度達50cm 以上的積澇。二級中度易澇點:有15 個站點，50mm/h 以上降雨時，將會出現(xiàn)10cm 以上積澇，有時會出現(xiàn)30cm 以上積水。三級輕度易澇點:有12 個站點，當50mm/h 降水時，容易出現(xiàn)3～10cm 的積水，有時會出現(xiàn)25cm以上的積水。

3.2 時間分布

如圖1 所示，內(nèi)澇災(zāi)害主要出現(xiàn)在短時強降水多發(fā)的4－10月，內(nèi)澇過程從5月開始迅速增大，5－7月處于高峰期，占內(nèi)澇總次數(shù)的69%，8月份開始減少，10月份的內(nèi)澇次數(shù)增加是由于秋季臺風(fēng)所造成。

圖1 南寧市4－10月的內(nèi)澇發(fā)生次數(shù)Fig．1 Number of waterlogging events in Nanning from April to October

如圖2 所示，對104 例內(nèi)澇個例統(tǒng)計分析得出:內(nèi)澇主要發(fā)生時段為05－08 時、08－10 時、13－14 時、16－18 時、20－23 時?？梢钥闯?，城市內(nèi)澇的日變化有兩個明顯的高發(fā)時段，第一時段為16－18 時，此時正值交通運行高峰期，這與南寧多發(fā)午后對流相對應(yīng);第二時段為20－23 時。

圖2 南寧市內(nèi)澇發(fā)生時段分布Fig．2 Distribution of waterlogging periods in Nanning

4 南寧市暴雨內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

城市暴雨內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型是建立城市防汛信息系統(tǒng)、模擬出預(yù)報和監(jiān)測的暴雨內(nèi)澇積水過程的重要研究手段。引入天津市城市內(nèi)澇模型的算法［8－9］，該模型以城市地表與明渠河道水流運動為模擬對象，應(yīng)用有限體積法，采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格設(shè)計計算區(qū)域。地表模擬采用簡化的二維非恒定流方程，河道和排水灌網(wǎng)則采用一維非恒定流方程。堤壩采用的是寬定堰溢流公式。

南寧市暴雨內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)基于南寧市區(qū)內(nèi)澇隱患點信息以及氣象站雨量信息，能夠?qū)崟r更新各隱患點的內(nèi)澇氣象風(fēng)險等級，具備直觀、高效的圖形展示和方便快捷的一鍵式內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警產(chǎn)品制作、發(fā)布功能，利用此系統(tǒng)能夠進行南寧市城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險精細化預(yù)報預(yù)警服務(wù)。主要技術(shù)原理是將強降雨天氣中自動氣象站的逐小時雨量數(shù)據(jù)插值得到的面雨量數(shù)據(jù)，與用FloorArea 水文模型模擬出的各隱患點不同內(nèi)澇等級臨界面雨量閾值進行對比［10，12］，當氣象站實時雨量差值得到的面雨量達到各隱患點對應(yīng)內(nèi)澇風(fēng)險等級的臨界面雨量閾值時，即提示該隱患點發(fā)生城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險達到相對級別。其具體方法為:通過暴雨強度公式得到南寧市出現(xiàn)內(nèi)澇的7 個重現(xiàn)期對應(yīng)3 小時的逐小時雨量，將內(nèi)澇重現(xiàn)期對應(yīng)雨量數(shù)據(jù)及各隱患點排水管網(wǎng)減排能力數(shù)據(jù)代入FloorArea 模式以小時為步長計算淹沒速度，并采用反距離加權(quán)(Inverse Distance Weighted，IDW)方法，得到隱患點內(nèi)澇風(fēng)險等級的臨界面雨量值，系統(tǒng)實時監(jiān)測氣象站雨量數(shù)據(jù)，當由實時雨量數(shù)據(jù)計算得到面雨量大于某隱患點內(nèi)澇風(fēng)險臨界面雨量閾值，即提示該處有發(fā)生對應(yīng)等級城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險，并整合積水網(wǎng)格、監(jiān)測預(yù)警和影響預(yù)估等產(chǎn)品寫入業(yè)務(wù)產(chǎn)品庫，實現(xiàn)FTP、手機短信、電子郵件、官方微博等多途徑的快速發(fā)布。

5 南寧市2015年“5.04”短時強降雨過程模擬驗證與誤差分析

選擇南寧市2015年5月4日的一次短時強降雨過程為例子，對南寧市主城區(qū)各自動站實況雨量進行插值計算，得到面雨量，并基于實際降水對積水深度進行模擬。強降雨過程最強時段出現(xiàn)在4日下午16－17 時，最大小時雨量出現(xiàn)在青秀區(qū)人民公園36.1mm，面雨量計算結(jié)果如圖3 所示，南寧主城區(qū)都有不同程度的降水，大于30mm 的強降雨區(qū)比較分散，主要分布在人民公園、高速公路管理處附近，快環(huán)東北部的藥用植物園，南寧西部的石埠鎮(zhèn)等，小時雨量均在20mm 以上。

相應(yīng)的，出現(xiàn)積水較大的地方為明秀路中醫(yī)藥大學(xué)門口、衡陽園湖路口、地鐵2 號線秀廂站、中馬桂花路口、仙葫大道天池山門前等地。

圖3 小時面雨量監(jiān)測結(jié)果Fig．3 Monitoring results of hourly surface rainfall

選取有實測積水深度的易澇點與模擬積水深度進行對比(表2)。其中，明秀路中醫(yī)藥大學(xué)門口實測積水深度20cm，模擬深度15m，實際的內(nèi)澇風(fēng)險等級和模擬得到的內(nèi)澇風(fēng)險等級都是四級，模擬結(jié)果與實際基本相符;地鐵2號線秀廂站實測積水深度22cm，模擬深度96m，結(jié)果存在較大偏差，模擬的內(nèi)澇風(fēng)險等級為二級，明顯偏高與實際的內(nèi)澇風(fēng)險等級四級。中馬桂花路實測積水深度20cm，模擬深度21m，實際的內(nèi)澇風(fēng)險等級和模擬得到的內(nèi)澇風(fēng)險等級都是四級，模擬結(jié)果與實際非常吻合。

表2 實際積水深度與模擬積水深度對比Tab．2 Comparison of actual and simulated depths of water accumulation

由上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)對于不同的內(nèi)澇點，模擬能力偏差很大。原因在于，一是城市降水空間分布不均，由自動氣象觀測點雨量值來計算面雨量，并不能細致反映降雨的空間分布特征;二是由于城市快速發(fā)展，城市化建設(shè)進程突飛猛進，建筑密度和地面硬化面更新快，其次是隨著城市化建設(shè)，地下排水管網(wǎng)的管徑和管長也不斷更新，管網(wǎng)局地排水能力也不盡相同，本模型的模擬并沒有獲得最新的實際管網(wǎng)數(shù)據(jù)和路面屬性數(shù)據(jù);三是由于標本的數(shù)量、暴雨強度公式等因素就導(dǎo)致城市內(nèi)澇模型系統(tǒng)存在一定的誤差。這些因素都可能是造成個別點的模擬結(jié)果與實際產(chǎn)生偏差所致。例如地鐵2 號線秀廂站的小時積水量模擬結(jié)果明顯偏高，主要是由于該結(jié)果主要依賴于地形和產(chǎn)流的計算結(jié)果，但未能準確的描述該地點的滲水能力和排水能力能力所致。

6 結(jié)論與討論

通過對2009—2017年南寧市城市內(nèi)澇資料及其自動氣象站逐小時降雨資料，對城內(nèi)104 例內(nèi)澇過程進行了時空特征分析，并對39 個內(nèi)澇點進行了內(nèi)澇等級劃分;在介紹南寧市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)險評估系統(tǒng)基礎(chǔ)上，基于精細化數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和城市密集自動雨量觀測站數(shù)據(jù)，對2015年5月4日的短時強降雨造成城市內(nèi)澇過程進行了驗證分析，結(jié)果表明:(1)模擬結(jié)果與歷史描述基本相符，最大積水深度和位置基本一致，表明該系統(tǒng)具備一定的暴雨內(nèi)澇動態(tài)監(jiān)測預(yù)報能力，對提高城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)險評估起到了一定作用;(2)由于標本數(shù)量過少以及缺乏城市最新實際管網(wǎng)數(shù)據(jù)等信息，對于個別點預(yù)警值與實測值存在偏差，在系統(tǒng)運行過程中，部分參數(shù)和致災(zāi)閥值需進一步調(diào)整，比如可以不斷增加標本以及更新城市最新實際管網(wǎng)數(shù)據(jù)等信息;(3)文中使用的是自動氣象觀測點實況雨量模擬積水狀況，雖然積水過程存在一定滯后性，下一步考慮結(jié)合雷達估測降水QPE 資料，預(yù)警時間將大大提前。