城市內澇的時空分布特征及其成因分析*
——以呼和浩特市區(qū)為例

那仁滿都拉，宮凌旭，張虎貴，春 風，郭恩亮

(1.內蒙古自治區(qū)蒙古高原災害與生態(tài)安全重點實驗室，內蒙古師范大學 地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.呼和浩特市供排水管網(wǎng)服務中心，內蒙古 呼和浩特 010010)

當前，全球極端降雨頻發(fā)造成城市內澇成為繼交通擁堵、環(huán)境污染等另一城市病[1]；而城市內澇是指在強降雨或連續(xù)性降雨過程中超過城市排水能力，造成降雨無法通過管道排出而使城市產生積水災害的現(xiàn)象；受到國內外專家學者一定的重視[2]。如今，已成為一種常見自然災害，影響居民出行與交通安全[3]；此外，還會影響城市正常運轉[4-5]，并對經濟也帶來巨大影響；已成為城市防洪安全的關鍵[6]。近幾十年來，全球極端天氣事件頻繁出現(xiàn)并呈增加趨勢[7]；尤其在近幾年來，極端天氣事件在全球十大風險發(fā)生概率很大[8]；而中國也未能幸免且影響較大[9]。如今，洪澇災害已成為主要氣候災害之一，受到黨和國家的高度關注。

城市內澇主要受降雨、地形等自然因素和城市建設等人為因素影響[10]；如城市現(xiàn)代化進程加快，工業(yè)生產和日常生活產生大量廢氣造成城市下墊面的溫度升高而形成“熱島效應”[11]，進而造成區(qū)域性強降雨頻發(fā)；此外，由于城市建設過程中，建筑物、不透水路面和停車場增多也會造成地表滲透能力降低[12]。再者，在城市化過程中沿河植被物種及其面積也會發(fā)生相應變化而導致其排洪能力減弱，進而加劇城市內澇危害[13]。

內蒙古地區(qū)汛期主要集中在6—8月，其極端降水總量約占年降水量的30%以上[14]，造成內蒙古各盟市內澇災情嚴重，但目前針對內蒙古地區(qū)的內澇成因分析的研究較少，主要是對極端降水與暴雨特征進行相應分析[15-16]，故對內蒙古地區(qū)內澇時空特征及其成因進行分析意義較大；此外，呼和浩特市作為內蒙古自治區(qū)首府，城市化發(fā)展較快，人口集中、經濟發(fā)達；但城市內澇所造成的影響也較為嚴重。本文以呼和浩特市區(qū)為例，通過對多年降水及地形等自然因素及與城市內澇有關的城市綠化面積、積水面積等進行分析，試圖回答以下幾個問題：①呼和浩特市區(qū)城市內澇具有怎樣的時空分布特征：②是什么自然因素或人為非自然因素造成城市內澇？旨在為其他城市及相關部門在研究城市內澇問題中提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼和浩特處于內蒙古中部(40°48′N，111°41′E)；為典型溫帶大陸性季風氣候，海拔約1 000 m；地勢呈北高南低、東高西低的特點；中心城區(qū)面積為260 km2；年均溫在3～7℃間，年降水量在350～500 mm間，集中分布在6—9月；無霜期為110～140 d。市區(qū)境內主要有大黑河、小黑河和哈拉更溝等多條河流(圖1)。本研究以呼和浩特市區(qū)為研究對象，東側以科爾沁快速路為界，南側以大黑河為界(不包含大黑河)，西側以西二環(huán)為界，北側以京藏高速為界，基本涵蓋中心城區(qū)95%以上人口。

圖1 呼和浩特市區(qū)水系分布及區(qū)域漁網(wǎng)分割圖(審圖號：蒙S(2020)022號，底圖無修改，下同)

1.2 數(shù)據(jù)來源及分析

本研究降水數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)及呼和浩特市區(qū)內氣象雨量站1961—2018年日降水量數(shù)據(jù)；地理數(shù)據(jù)于地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載，主要包括研究區(qū)2018年GDEMDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，用于城市高程及地形分析；城市道路網(wǎng)、城市用地類型數(shù)據(jù)為2017年衛(wèi)星高清影像解譯的矢量數(shù)據(jù)。此外，內澇災害及道路積水數(shù)據(jù)主要來源于文獻搜集及新聞報道，2017—2019年的積水數(shù)據(jù)為實地調查。再者，雨水管線、雨水泵站數(shù)據(jù)主要來源于春華水務與市政工程部門的管線圖紙與說明書。

2 結果與分析

2.1 內澇時間分布特征

從圖2可以看出，2010—2020年內澇積水點數(shù)量呈增加趨勢；此外，2016—2019年平均積水點個數(shù)高于2010—2016年，表明近年來暴雨頻發(fā)，明顯多于往年。對內澇發(fā)生的時間分布特征來看，內澇主要發(fā)生在6—9月，表明內澇發(fā)生與降水格局有關；具體而言，內澇主要發(fā)生在7月，2010—2020年間共產生31處積水點，而8、9月次之，6月最少。

圖2 內澇時間分布特征

2.2 內澇空間分布特征

通過在ArcGIS中標注積水點具體位置而分析其空間分布特征并將其按照所處行政區(qū)劃分可知(圖3)，積水點主要集中分布在城市二環(huán)快速路以內，表明其城市建設程度高造成其積水產生。對不同行政區(qū)積水點進行比較分析可以看出，賽罕區(qū)、新城區(qū)、回民區(qū)及玉泉區(qū)的積水點分別為25、25、21和7處，密度分別為0.39、0.34、0.37、0.13個/km2(圖4)，可知各區(qū)積水點分布密度的大小關系為賽罕區(qū)>回民區(qū)>新城區(qū)>玉泉區(qū)。

圖3 研究區(qū)各行政區(qū)積水點分布圖

圖4 各行政區(qū)積水點分布密度圖

2.3 內澇成因分析

當日降水量大于50 mm時為暴雨日，通過對1961—2018年降水量進行分析可知，共有16 a出現(xiàn)強降水現(xiàn)象，暴雨天數(shù)共計23 d(圖5)。此外，通過對年度具體暴雨日進行分析發(fā)現(xiàn)，暴雨出現(xiàn)次數(shù)為1～3 d，僅占全年降雨日的1%，但總暴雨日降水量占全年降水量10%以上，平均占比22.0%，最高占比39.3%；表明強降水可能是影響內澇產生的原因之一。

圖5 呼和浩特市暴雨降水與年降水

圖6 學院西街2018年與2019年積水情況(作者實拍)

對研究區(qū)草地、林地和園林等綠地面積進行分析可知，綠地面積總共為4 726.3 hm2，其中，草地、林地和園林面積分別為2 536.2、1 847.7和286.6 hm2，分別占城市綠地面積的54%、39%和6%；此外，符合綠化標準的廣場用地為55.8 hm2，占比1%左右(圖7)。將研究區(qū)78處積水點與低洼點進行疊加分析發(fā)現(xiàn)，73處積水點位于低洼點，占比93.59%，表明城市地形地勢可能是導致城市內澇的原因之一(圖7)。

圖7 呼和浩特市綠地分布及地勢圖

通過對雨水管線流量、管線長度、積水點個數(shù)、綠化面積與積水面積進行回歸分析發(fā)現(xiàn)(圖8)，管線流量與積水面積存在顯著負相關關系(R2=0.36，P=0.04)，而管線長度、積水點個數(shù)、綠化面積與積水面積之間不存在顯著關系(P>0.04)；表明城市內澇主要由于雨水管線流量較低造成。

圖8 積水面積及其影響因素的回歸分析

3 討論

在城市建設過程中，工業(yè)化進程加快造成城市人口、建筑面積增多，由此引發(fā)一系列城市病。近年來，國內較多城市出現(xiàn)內澇災害，造成河流水系生態(tài)破壞及水污染[20]；并呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢[21]。

在以往的研究中，已對較多大中城市的內澇原因進行相應分析，如北京[17-18]、大連[19]、哈爾濱[22]、杭州[23]、上海[24]、廣州[25]、西安[26]、武漢[27]和南京[28]等；可以將城市內澇的成因主要分為極端降水頻發(fā)造成雨水地表流量大的氣象因素、城市所處地勢較低的地形因素和城市排水系統(tǒng)供需不平衡的人為因素[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)暴雨日數(shù)雖少，但暴雨日的降水總量占比相對較高，表明強降水是造成內澇發(fā)生的原因之一；此外，93.59%的積水點位于低洼地點，表明城市所處的地形地勢也會造成城市內澇。

有研究表明，由于城市化造成硬化面積增加，但排水系統(tǒng)建設滯后、雨污合流導致管道淤塞、城市河道內外排水不暢等問題并未解決，當極端氣候造成暴雨增加時容易發(fā)生城市內澇[30]；而劉建芬等[31]的研究表明積水多集中在城市低洼地區(qū)，表明地形地勢也會造成城市內澇發(fā)生。此外，較多研究表明，城市排水設計滯后也是城市內澇重要原因之一[32-34]。本研究對雨水管線流量、管線長度、積水點個數(shù)、綠化面積與積水面積進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，管線流量與積水面積存在顯著負相關關系，表明城市內澇主要由于雨水管線流量較低造成，可表明城市排水設計滯后也是造成內澇的原因之一。

城市內澇具有突發(fā)性和持續(xù)性，威脅城市居民生命財產安全、降低城市居民環(huán)境質量，并引發(fā)一系列潛在問題。發(fā)生內澇時路面容易匯集大量積水造成城市交通系統(tǒng)的擁堵和癱瘓，并使得用電設備倒塌引發(fā)觸電、車輛進水威脅駕駛員生命安全等。此外，城市土壤及綠化植被長期歷經雨水浸泡使得土壤失衡、水分過飽和，也會造成植物根系發(fā)育缺氧壞死，進而破壞城市生態(tài)環(huán)境。故建議在道路兩側增設雙排水溝槽，降低雨水溝槽收集口的高度，及時排除積水以減少雨水在地面徑流時間；此外，另外需設置路面隱形雨水溝槽，既不影響正常駕駛，又能將最低處積水快速排出。再者，應及時設置路面警示線并以不同顏色和文字標注。

4 結論

通過對呼和浩特市區(qū)內澇的時空分布特征及其成因進行分析，從時間分布特征而言，2016—2019年來內澇災害較2010—2016年頻繁；其次，內澇主要發(fā)生在6—9月間，尤其集中在7月。從空間分布特征而言，賽罕區(qū)積水點分布密度最大，而玉泉區(qū)最小。對其成因進行分析表明，呼和浩特市區(qū)暴雨日數(shù)雖少(1961—2018年)，但暴雨日的降水總量占比高，表明強降水造成內澇發(fā)生；此外，93.59%的積水點位于低洼地點，表明城市所處的地形地勢也會造成城市內澇；再者，雨水管線流量較低造成積水面積增大。所以綜上所述，極端降水和地勢等自然因素導致雨水地表流量大、積流多并存在較多低洼地區(qū)形成內澇；而城市排水系統(tǒng)無法滿足排水需求等人為因素造成雨水管線流量過小造成積水面積過大而形成內澇。