鄭州“7·20”特大暴雨降水特征及其內(nèi)澇影響

王振亞，姚 成，董俊玲，楊 慧

(1.中國(guó)氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；2.河南省氣象臺(tái)，河南 鄭州 450003；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)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(qiáng)發(fā)，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。近年來(lái)，我國(guó)極端強(qiáng)降水事件頻繁發(fā)生，越來(lái)越受到社會(huì)的廣泛關(guān)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(qiáng)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(qiáng)降水[6-7]、2013年8月和2018年8月粵東極端強(qiáng)降水[8]，造成了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇、地質(zhì)災(zāi)害和洪澇等次生災(zāi)害，威脅著城市交通網(wǎng)的安全運(yùn)行[9]和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。極端強(qiáng)降水成因分析及影響研究日益成為研究熱點(diǎn)[10-13]。

2021年7月17—22日，鄭州出現(xiàn)了一次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)雨量大、影響范圍廣的極端強(qiáng)降水事件(簡(jiǎn)稱(chēng)河南鄭州“7·20”特大暴雨)，造成了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇、重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，極為罕見(jiàn)。本文通過(guò)分析此次極端強(qiáng)降水事件的特點(diǎn)及其內(nèi)澇影響，分析當(dāng)前內(nèi)澇防治存在的問(wèn)題，提出超標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行提供參考。

1 降 水 資 料

剔除錯(cuò)誤和缺測(cè)數(shù)據(jù)較多站點(diǎn)[14]，本文采用河南省鄭州市178個(gè)氣象觀測(cè)站(圖1)的2021年7月17日8時(shí)至7月23日8時(shí)逐小時(shí)降水資料，其中鄭州外國(guó)語(yǔ)站21日8時(shí)后觀測(cè)缺測(cè)，但由于其代表性較好，21日8至23日8時(shí)資料采用其鄰近站鄭州中學(xué)附屬小學(xué)站資料；選取隴海路京廣路西北角積水監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析此次城市內(nèi)澇災(zāi)害事件變化過(guò)程。

圖1 自動(dòng)氣象觀測(cè)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(yáng)西南部、新密市北部及二七區(qū)。此次降水過(guò)程是一次極端強(qiáng)降水過(guò)程。全市平均降水量566.6 mm，149個(gè)氣象觀測(cè)站(83.7%)降水量超過(guò)400 mm，其中16個(gè)氣象站降水量超過(guò)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(yáng)、鞏義、登封6個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站日降水量突破建站以來(lái)歷史日極值(圖2)。此次降水過(guò)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(kù)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(shí)雨量鄭州站為201.9 mm，不僅超過(guò)河南“75·8”特大暴雨最大1 h雨量(189.5 mm)[16]，也位列我國(guó)國(guó)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(shí)至23日8時(shí)累計(jì)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(shí)平均雨量和最大小時(shí)雨強(qiáng)隨時(shí)間變化(圖3)可以看出，此次降水過(guò)程呈現(xiàn)顯著得多峰結(jié)構(gòu)。從天氣分析角度把降水從增強(qiáng)到減弱過(guò)程看成一個(gè)降水階段，以平均雨量達(dá)到最小值為降水階段的結(jié)束，此次降水過(guò)程可以分為5個(gè)階段，時(shí)間分別為17日8時(shí)至17日19時(shí)、17日21時(shí)至19日8時(shí)、19日8時(shí)至20日3時(shí)、20日3時(shí)至21日16時(shí)和21日16時(shí)至23日8時(shí)。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(shí)雨強(qiáng)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(yáng)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(shí)雨強(qiáng)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(yáng)、新密、登封、新鄭和二七區(qū)出現(xiàn)大暴雨，鞏義、登封、滎陽(yáng)、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(guó)家站300.9 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)新密來(lái)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(yáng)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(dá)715 mm，最大小時(shí)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(jì)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(shí)雨強(qiáng)也出現(xiàn)在該站為47.2 mm。

圖3 鄭州市小時(shí)平均雨量和最大小時(shí)雨強(qiáng)隨時(shí)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(kāi)始，暴雨中心逐步向東移動(dòng)加強(qiáng)，在移動(dòng)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(shí)強(qiáng)降水(小時(shí)降水量大于或等于20 mm)頻發(fā)、重發(fā)特征，19日8時(shí)至21日8時(shí)小時(shí)最大雨強(qiáng)均在20 mm以上，19日19時(shí)至20日1時(shí)和20日6—22時(shí)22個(gè)時(shí)次中有20個(gè)時(shí)次最大小時(shí)雨強(qiáng)在50 mm以上，20日12—18時(shí)連續(xù)6 h最大小時(shí)雨強(qiáng)均在80 mm以上，其中20日15—18時(shí)分別有7站、6站、4站小時(shí)雨量超100 mm。多項(xiàng)研究[3,9,12,18-19]表明短時(shí)強(qiáng)降水事件易引發(fā)嚴(yán)重的洪澇和城市內(nèi)澇等災(zāi)害。登封、鞏義、新密20日凌晨到上午開(kāi)始出現(xiàn)山洪災(zāi)害，鄭州市轄區(qū)下午開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，這與暴雨中心的發(fā)展過(guò)程吻合。

3 內(nèi)澇影響分析

3.1 最大積水深度與降水對(duì)比分析

最大小時(shí)雨強(qiáng)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(shí)雨強(qiáng)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(jì)區(qū)、金水區(qū)的北部最大小時(shí)雨強(qiáng)較小，其最大積水深度也較小。從最大短時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布(圖5)可以看出，在12次以上的觀測(cè)站主要分布在鞏義東部、滎陽(yáng)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(shí)強(qiáng)降水次數(shù)在8～12次之間。與最大小時(shí)雨強(qiáng)相比，其與最大積水深度的相關(guān)性較差。

圖4 鄭州市最大小時(shí)雨強(qiáng)空間分布Fig.4 Spatial distribution of maximum hourly rain intensity

圖5 鄭州市短時(shí)強(qiáng)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(wú)內(nèi)澇監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，其可能原因是西南部地勢(shì)較高，同時(shí)由于該區(qū)域內(nèi)分布有常莊、郭家咀、尖崗等水庫(kù)，排水速度也較快，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)較低；二七區(qū)為此次降水過(guò)程最強(qiáng)的暴雨中心，其積水深度普遍超過(guò)100 cm；東部的積水深度超過(guò)了暴雨中心區(qū)域，其可能原因是東部地勢(shì)較低，同時(shí)暴雨中心由西向東移至此處時(shí)，西部山區(qū)暴雨徑流和水庫(kù)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(shè)計(jì)規(guī)范 (2016年版)[20]，排水系統(tǒng)和內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式均應(yīng)采用年最大值法，本文采用文獻(xiàn)[21]的鄭州暴雨強(qiáng)度公式[21]：

(1)

式中：i為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度， mm/min；P為重現(xiàn)期，a；t為降水歷時(shí)， min。

式(1)適用范圍為暴雨歷時(shí)5～1 440 min，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期2～100 a。

根據(jù)《鄭州市海綿城市專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃(2017—2030年)》要求，鄭州內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。鄭州市年徑流總量控制率75%，對(duì)應(yīng)日雨量22 mm；主城區(qū)管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照5年一遇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按照式(1)計(jì)算能夠抵御小時(shí)雨強(qiáng)53.4 mm的暴雨；內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期按照50年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，能夠抵御小時(shí)雨強(qiáng)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(wú)論從日雨量還是小時(shí)雨強(qiáng)，本次強(qiáng)降水過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鄭州市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)，特別是20日12—18時(shí)鄭州市主城區(qū)連續(xù)出現(xiàn)80 mm以上的小時(shí)降水，是造成鄭州市主城區(qū)嚴(yán)重城市內(nèi)澇的主要原因。

表1 鄭州市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)

《鄭州市海綿城市專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃(2017—2030年)》編制于2017年，2017年鄭州常住人口988.1萬(wàn)，為特大城市，而鄭州國(guó)家氣象站歷年最大小時(shí)雨強(qiáng)2007年為86.9 mm，內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期50年一遇完全能夠抵御這種強(qiáng)度的暴雨。2018年以后鄭州市常住人口超過(guò)1 000萬(wàn)，為超大城市，即使內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期按照100年一遇設(shè)計(jì)，能夠抵御最大小時(shí)雨強(qiáng)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(guò)程。按照《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理的實(shí)施意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)〔2021〕11號(hào))要求在防御此種超標(biāo)準(zhǔn)極端強(qiáng)降水天氣時(shí)應(yīng)完善城市內(nèi)澇防治的超標(biāo)應(yīng)急系統(tǒng)，包括建立完善城市排水與內(nèi)澇防范超標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急預(yù)案，落實(shí)各相關(guān)部門(mén)工作任務(wù)、響應(yīng)程序和處置措施，提高公眾防災(zāi)避險(xiǎn)意識(shí)和自救互救能力等措施，盡量減輕內(nèi)澇帶來(lái)的損失。

3.3 典型內(nèi)澇監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)澇過(guò)程分析

城市積水深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般為易澇點(diǎn)，由于此次降水過(guò)程中京廣路隧道內(nèi)澇嚴(yán)重，同時(shí)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(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象分析此次內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生發(fā)展過(guò)程。取此積水點(diǎn)四周最近的4個(gè)氣象觀測(cè)站的加權(quán)平均雨量作為此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的降水。由圖6可知，20日5時(shí)以前無(wú)積水，其最大小時(shí)雨強(qiáng)為12.1 mm；20日6時(shí)積水深度為16 cm，其小時(shí)雨量為18.8 mm；20日10時(shí)再次出現(xiàn)積水，11時(shí)積水深度為15 cm，9—11時(shí)2 h雨量為27.3 mm，13時(shí)以后隨著小時(shí)雨強(qiáng)的增強(qiáng)積水深度迅速增加。地面積水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求道路中一條車(chē)道積水的積水深度不超過(guò)15 cm，計(jì)算此積水監(jiān)測(cè)點(diǎn)暴雨強(qiáng)度重現(xiàn)期小于2年。以上分析說(shuō)明易澇點(diǎn)是城市內(nèi)澇防治的短板，亟需通過(guò)更新改造老城區(qū)排水管網(wǎng)、修復(fù)自然生態(tài)系統(tǒng)等措施補(bǔ)齊排水防澇設(shè)施短板，提高城市易澇點(diǎn)內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 隴海路京廣路西北角積水監(jiān)測(cè)點(diǎn)積水深度和其周邊雨量站加權(quán)平均雨量時(shí)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(jié) 論

a.河南鄭州“7·20”特大暴雨是一次極端強(qiáng)降水天氣過(guò)程, 此次過(guò)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(shí)最大雨強(qiáng)不僅超過(guò)河南“75·8”特大暴雨最大1 h雨量(189.5 mm)，也位列我國(guó)國(guó)家站1小時(shí)降水量排行榜首位。

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

c.按照現(xiàn)有的內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，鄭州市主城區(qū)仍不足以防范此種強(qiáng)度的降水。但仍可以通過(guò)建設(shè)完善城市內(nèi)澇防治的超標(biāo)應(yīng)急系統(tǒng)、提高城市易澇點(diǎn)內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)等措施減輕內(nèi)澇災(zāi)害。