中山市城市內(nèi)澇預(yù)警等級劃分的初步探究

李穎昕，肖巧潔，李毅恒，施含冰

（中山市氣象局，廣東中山 528400）

隨著社會城市化不斷發(fā)展，當(dāng)城市在不合理的發(fā)展時，地表的吸水能力和排水能力被削弱，容易出現(xiàn)城市內(nèi)澇。2008—2010年全國62%的城市發(fā)生過城市內(nèi)澇，2012—2014年廣東沿海地區(qū)出現(xiàn)了城市內(nèi)澇災(zāi)害［1］。

通過對國內(nèi)城市內(nèi)澇的研究，表明影響城市內(nèi)澇的主要因素有地表徑流，地下滲透，城市排水能力等。地表徑流主要受降水影響的因素有降雨級別、降雨時間、降雨強(qiáng)度、累積雨量。陳曉燕等［2］運(yùn)用雨洪模型模擬降雨事件下的地表徑流深度，在暴雨、大暴雨和特大暴雨時，滲透面積比例對地表徑流的影響更大；尤鳳春等［3］研究北京市汛期的積水與降水強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，得出道路積水臨界預(yù)警指標(biāo)建立暴雨積澇風(fēng)險等級預(yù)警模型；郭廣芬等［4］利用耿貝爾極值I型分布和百分位法分析研究湖北省暴雨洪澇各等級的閾值；史軍等［5］研究上海市暴雨積水與降水強(qiáng)度以及累積雨量的關(guān)系，得出城市暴雨積水程度與累積雨量的密切相關(guān)和暴雨內(nèi)澇閾值；李蘭等［6］利用GIS暴雨洪澇淹沒模型計(jì)算城市10年一遇小時雨量的分布情況，得出致災(zāi)因素是地表流經(jīng)、地下滲透、城市排水管網(wǎng)、排水能力；呂玉環(huán)等［7］研究降水強(qiáng)度在不同時長的平均降水量得出道路積水臨界預(yù)警指標(biāo)；戴晶晶等［8］利用InfoWorks ICM建立防洪、除澇、排水的數(shù)學(xué)模型模擬24 h降雨量分析城市內(nèi)澇的風(fēng)險等級；錢津［9］利用氣象、水文、地理數(shù)據(jù)再用GIS對城市內(nèi)澇的數(shù)值模擬數(shù)值模擬，得出城市內(nèi)澇災(zāi)害積水的分布、深度等特征；尹志聰?shù)龋?0］等利用城市內(nèi)澇數(shù)值模型模擬積水深度變化情況，根據(jù)地表、河道溝渠、排水管網(wǎng)等數(shù)據(jù)模擬出積水深度。

近年來中山市多個地區(qū)發(fā)生了由短時強(qiáng)降水過程引起的城市內(nèi)澇。本研究以中山市為例，利用中山市東區(qū)自動氣象站的降雨數(shù)據(jù)與電子水尺監(jiān)測的積水?dāng)?shù)據(jù)，布設(shè)15個電子水尺實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測積水深度的目的（圖略），分析研究降雨量與積水深度的關(guān)系得出城市內(nèi)澇的預(yù)警等級劃分。

1 資料與方法

本研究利用中山市國家基準(zhǔn)觀測站歷史暴雨數(shù)據(jù)，得出中山市各級別雨量出現(xiàn)概率、汛期（4—9月）降雨特點(diǎn)、暴雨日數(shù)以及暴雨日數(shù)和暴雨雨量的關(guān)系；利用分類整理降水小時數(shù)據(jù)，得出中山市極端降水氣候閾值特征。積水?dāng)?shù)據(jù)包括2019年4—9月電子水尺逐日的積水?dāng)?shù)據(jù)；市政排水所積水排水的資料，包括時間、地點(diǎn)、重點(diǎn)地區(qū)技術(shù)深度以及影響等。

考慮降雨數(shù)據(jù)與電子水尺時間和位置的一致性，本研究采用電子水尺監(jiān)測系統(tǒng)所在的東區(qū)自動氣象站2019年4—9月的小時降雨數(shù)據(jù)序列，匹配分析15個電子水尺監(jiān)測系統(tǒng)的積水?dāng)?shù)據(jù)和自動站降水?dāng)?shù)據(jù)，研究雨量與各地點(diǎn)積水深度的關(guān)系以及道路通行情況，從而確定中山市內(nèi)澇預(yù)警閾值指標(biāo)。

本研究利用百分位數(shù)法確定中山市區(qū)域內(nèi)暴雨氣候極端降水閾值。百分位數(shù)是一種未知指標(biāo)，常用于表示一組樣本值在某百分位置上的水平，多個百分位結(jié)合使用，可全面地描述資料的分布特征。百分位數(shù)法的計(jì)算采用以下的經(jīng)驗(yàn)公式：

其中，Hi（p）為第i個百分位置；X為順序排列后的樣本序列；p為百分位數(shù)；n為序列總數(shù)；j為第j個序列數(shù)；y為第j＋1個序列數(shù)權(quán)重。

2 中山市城市內(nèi)澇預(yù)警閾值

2.1 降水氣候特征

中山市每年4—9月降水頻繁，稱為雨季，或稱為“汛期”。中山市汛期降雨量占全年總雨量的82%。由于雨季前期和后期造成的降雨天氣系統(tǒng)不一樣，分為前汛期（4—6月）和后汛期（7—9月）。中山市降雨量主要集中在夏季，其中月平均降雨量最多的是6月，占全年平均雨量的18%，其次是8月，占全年雨量的15%。汛期期間中山市降水頻發(fā)，城市內(nèi)澇也隨之增加。

2.2 暴雨內(nèi)澇氣候極端降水特征

統(tǒng)計(jì)中山市國家級觀測站1995—2019年的汛期（4—9月）觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理降水小時數(shù)據(jù)，采用百分位數(shù)法，統(tǒng)計(jì)分析出中山市極端降水特征，得到小時降水強(qiáng)度的極端降水閾值。運(yùn)用IPCC對極端降水事件的定義，以年為時限，對中山站的小時降水量通過升序排列，采用不同的百分位點(diǎn)（99%、95%、90%、80%、60%）的累積分布函數(shù)值為中山市極端天氣事件的閾值。把研究城市內(nèi)澇洪澇的等級設(shè)定分為5級，分別將不同百分位對應(yīng)的降水量作為洪澇指標(biāo)的臨界值，介于60% ～80%為漬澇，80% ～90%為輕澇，90%～95%為一般洪澇，95% ～99%為較重洪澇，＞99%為嚴(yán)重洪澇。分析可以看出，中山市小時降水量嚴(yán)重洪澇氣候臨界閾值在32～38 mm之間。

2.3 城市內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警等級劃分

城市內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警等級需要制定一個清晰可分的標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警等級以積水深度和一定時間內(nèi)的降雨量組合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分是一個比較合理的辦法，根據(jù)中山市城區(qū)內(nèi)的電子水尺的歷史積水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際本研究將城市內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分為4級：有一定風(fēng)險、風(fēng)險較高、風(fēng)險高、風(fēng)險很高，依次用藍(lán)、黃、橙、紅顏色預(yù)警表示。對應(yīng)積水深度分別為：有一定風(fēng)險，積水深度小于0.05 m；風(fēng)險較高，積水深度在0.05～0.10 m；風(fēng)險高，積水深度在0.10～0.15m；風(fēng)險很高，積水深度大于0.15 m。為了驗(yàn)證該分級的合理性，選取中山市2019年4—9月電子水尺積水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行排序，發(fā)現(xiàn)其99%分位為0.18 m、95%分位為0.12 m、90%分位為0.08 m、80%分位為0.06 m，說明以上基于積水深度的內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分在本地有一定的合理性。

統(tǒng)計(jì)2019年汛期（4—9月）電子水尺監(jiān)測系統(tǒng)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，定義內(nèi)澇風(fēng)險較高（任意一個電子水尺積水＞0.05 m）為一次積水事件，并統(tǒng)計(jì)對應(yīng)積水事件發(fā)生時的多小時最大累計(jì)降雨量占6 h總累計(jì)雨量的比例（圖1）可見，1 h最大雨量占6 h最大累計(jì)雨量超過60%的個例為41個（47%），2 h累計(jì)最大雨量占6 h最大累計(jì)雨量超過60%的個例數(shù)為62個（71%），3 h累計(jì)最大雨量站6 h最大累計(jì)雨量超過60%的個數(shù)為73個（84%）。由此可見，在引起內(nèi)澇時間的強(qiáng)降雨個例中，前3 h，尤其是1 h最大雨量和2 h最大累計(jì)雨量占有較大比重。因此在選擇內(nèi)澇預(yù)警等級指標(biāo)的雨量指標(biāo)時，應(yīng)重點(diǎn)考慮1～2 h內(nèi)的降水量。

根據(jù)前述的積水深度對應(yīng)的內(nèi)澇風(fēng)險等級，將資料期內(nèi)內(nèi)澇個例按照4個等級進(jìn)行分級，得出每個級別中短時強(qiáng)降水累計(jì)雨量序列，并剔除其中異常值，統(tǒng)計(jì)其上下限，得出相對應(yīng)內(nèi)澇風(fēng)險等級中的雨量閾值（圖2），與電子水尺的積水深度一起構(gòu)成內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警級別的劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

圖1 2019年4—9月，各積水事件對應(yīng)1～6 h降雨量占累計(jì)雨量比例

圖2 四個內(nèi)澇等級對應(yīng)1或2 h降雨量分布

表1 中山市城市內(nèi)澇預(yù)警等級劃分

為了驗(yàn)證該級別劃分的合理性，分析2019年汛期（4—9月）電子水尺監(jiān)測系統(tǒng)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和中山市東區(qū)自動氣象站的數(shù)據(jù)，研究1或2 h雨量與東區(qū)15個電子水尺的積水深度的關(guān)系。4—9月共有183 d，統(tǒng)計(jì)每天15個電子水尺的積水深度，得出對應(yīng)閾值的積水點(diǎn)個數(shù)序列。序列表明，電子水尺的積水個數(shù)與積水深度程遞減關(guān)系，如表2所示。

表2 2019年4—9月中山市東區(qū)15個電子水尺每月各等級積水點(diǎn)的個數(shù)

另根據(jù)位于電子水尺系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)內(nèi)的東區(qū)氣象自動站（G2006）的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)2019年汛期相應(yīng)閾值的1或2 h降雨量滿足上述閾值所出現(xiàn)的個數(shù)的時間系列（表略）。計(jì)算滿足閾值降雨量序列和積水點(diǎn)序列的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)對于＜0.05 m積水點(diǎn)與（5.0 mm＞1 h雨量＞3.0 mm或7.0 mm＞2 h雨量＞3.0 mm）雨量出現(xiàn)個數(shù)、0.05～0.10 m的積水點(diǎn)與（18.0 mm＞1 h雨量＞5.0mm或22.0mm＞2 h雨量＞7.0mm）雨量出現(xiàn)個數(shù)、0.10～0.15 m的積水點(diǎn)與（1 h雨量＞18.0 mm或2 h雨量＞22.0 mm）雨量出現(xiàn)個數(shù)、＞0.15 m的積水點(diǎn)與（1 h雨量＞18.0 mm或2 h雨量＞22.0 mm）雨量出現(xiàn)個數(shù)相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.6～0.8。該結(jié)果說明初步的內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)警等級有一定的合理性。

3 結(jié)論

本研究利用中山國家觀測站降雨數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析得出中山市小時降水量的嚴(yán)重洪澇氣候臨界閾值在32～38 mm之間。通過對中山市雨量和積水點(diǎn)的匹配分析，得出由積水深度和1或2 h降雨量組合而成的中山市城市內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警等級劃分指標(biāo)（4個等級）：有一定風(fēng)險，為積水深度在0.05m以下并且1 h降雨量＜3.0mm且2 h降雨量＜3.0 mm；風(fēng)險較高，積水深度在0.05～0.10 m并且5.0 mm＞1 h降雨量＞3.0 mm或7.0 mm＞2 h降雨量＞3.0 mm；風(fēng)險高，積水深度在0.10～0.15 m并且18.0 mm＞1 h降雨量＞5.0 mm或22.0 mm＞2 h降雨量＞7.0 mm；風(fēng)險很高，積水深度＞0.15 m并且1 h降雨量＞18.0 mm或2 h降雨量＞22.0 mm，依次用藍(lán)、黃、橙、紅色預(yù)警表示。

研究閾值的小時雨量序列和積水點(diǎn)序列的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)對于＜0.05 m積水點(diǎn)與5.0 mm＞1 h雨量＞3.0 mm或7.0 mm＞2 h雨量＞3.0 mm雨量出現(xiàn)個數(shù)、0.05～0.10 m的積水點(diǎn)與18.0 mm＞1 h雨量＞5.0 mm或22.0mm＞2 h雨量＞7.0 mm雨量出現(xiàn)個數(shù)、0.10～0.15 m的積水點(diǎn)與1 h雨量＞18.0 mm或2 h雨量＞22.0 mm雨量出現(xiàn)個數(shù)、＞0.15 m的積水點(diǎn)與1 h雨量＞18.0mm或2 h雨量＞22.0 mm雨量出現(xiàn)個數(shù)相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.6～0.8。該結(jié)果說明初步的內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)警等級有一定的合理性。中山市城市內(nèi)澇預(yù)警等級劃分可以應(yīng)用在實(shí)際中。