庆阳市城市内涝预报预警指标研究

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　　摘要：利用甘肃省庆阳市西峰国家基本气象站1937—2018年降水观测资料，结合庆阳城市内涝记载资料，采用统计强降水频率、95%、99%分位值强降水总量，计算年度降水集中度和集中期，编制暴雨强度公式，使用SWMM系统对城市排水管网进行模拟等方法，对庆阳市城市内涝灾害风险进行分析评估，确定庆阳市城市内涝降水阈值，作为城市内涝监测预警信息发布的标准。结果表明，降水极端性是造成庆阳市城市内涝的主要原因，极端降水一般集中在夏季，以7—8月居多。极端降水不仅表现在总量大小，而且表现在强度大小。在降水总量达30 mm以上时，当30 min降水量达15 mm时，易涝点容易出现积水，当30 min降水量达20 mm时，易涝点就可能形成灾害，当30 min降水量达30 mm时，易涝点灾害严重，当30 min降水量达40 mm时，易涝点灾害非常严重，并且降水总量越大，灾害越严重。SWMM模拟发现，内涝灾害不仅与降水强度和区域分布有关，而且其地形、管网及径流也是城市内涝致灾程度不同的重要原因。
　　关键词：城市内涝;极端降雨;暴雨强度公式;SWMM模拟;庆阳市
　　Abstract： Based on the precipitation observation data from 1937 to 2018 of the Xifeng National Basic Weather Station in Qingyang city and the waterlogging data recorded in the Qingyang city， the annual precipitation concentration and concentration period， as well as the formula of the intensity of torrential rain were calculated by counting the strong precipitation frequency and the 95%， 99% fractional values total precipitation. Combined with urban drainage network simulated using SWMM system， we aim to analyze and evaluate the risk of waterlogging in the city of Qingyang， and determine the threshold of urban precipitation in Qingyang city as a standard for the release of urban monitoring and warning information. The results show that extreme precipitation is the main cause of urban waterlogging in Qingyang city，which generally concentrates in summer， mostly in July to August. Two factors have positive relationships with extreme precipitation： Total precipitation and intensity. The greater the total precipitation and the heavier the intensity，the more serious of the urban waterlogging disaster. When the total precipitation reaches more than 30 mm，precipitation intensity becomes particularly important：when the precipitation reaches 15 mm in 30 minutes， waterlogging points are prone to water accumulation;When the precipitation reaches 20 mm in 30 minutes， the waterlogging point may have disasters;When the precipitation reaches 30 mm in 30 minutes， the waterlogging point is prone to serious disasters;When the precipitation reaches 40 mm in 30 minutes， the waterlogging point disaster will be very serious. By using SWMM system simulation， we found that waterlogging disaster is not only related to extreme precipitation and regional distribution， topography， pipe network and runoff are also important factors leading to urban waterlogging.
　　Key words： urban waterlogging; extreme precipitation; torrential rain intensity formula; SWMM simulation; Qingyang city
　　城市內涝灾害是由于短时强降水或过程降水量偏大造成的径流集中或过多，在地势低洼、排水不畅等情况下形成积水的城市自然灾害，一些城市由于排水设施较差，遇有强降水极易遭受内涝灾害。近年来，随着城市规模快速扩大，房屋建筑密集，混凝土覆盖面积大增，雨水无法渗透，城市雨水滞留与调蓄功能下降，以及对内涝灾害风险估计不足，导致城市内涝灾害愈来愈严重。城市内涝灾害发生时，由于人财物高度集中，造成交通堵塞或中断，房屋进水，物品被淹，污水排出不畅，环境污染风险增大，严重影响城市正常的生产生活秩序，造成巨大经济损失，对城市居民的工作与生活影响较大。张冬冬等[1]基于自然灾害风险评估理论，对城市内涝形成机理和风险评估方法进行概述，指出了相应的关键技术问题。吴海春等[2]基于PCSWMM模型对海口市海甸岛城市内涝风险进行了评估，朱呈浩等[3]利用SWMM模型对西安市沣西新城区洪涝过程进行了模拟，评估了洪涝风险。 　　分析强降水造成的城市内涝灾害风险的分布特征与演变规律，对于合理制订城市排涝减灾及发展规划十分重要。城市内涝灾害的风险分析通常包括灾害的风险辨识、风险估算与风险评价三个步骤。风险辨识是在大量调查研究的基础上，了解可能构成城市内涝灾害的致灾因子与影响因素。风险估算致力于定量描述城市内涝事件成因、发生概率、影响范围与强度，不同规模城市内涝可能产生的后果。风险评价则是对城市内涝事件的后果进行影响分析，明确风险是否超出社会的承受能力，为制定避免风险或削减风险的对策提供科学依据。通过分析引起内涝灾害的强降水特征，建立内涝灾害监测预警系统是减轻灾害严重程度的手段之一，也是海绵城市建设的重要方面。通过对庆阳市城区降水分析和径流模拟，对庆阳市城市内涝风险进行辨识、估算和评价，着眼建立内涝灾害监测预警系统，以期更好地做好城市内涝灾害防御和海绵城市建设。
　　1 研究区概况
　　1.1 地理地形特征
　　庆阳市位于陇东黄土高原中心地带，黄土层深厚，地形如倒扣的脸盆，中间高四周低（图1）。从地势和径流角度分析，排水顺畅，不容易形成大面积积水，但由于地形起伏，局部低洼，也易出现积水内涝。此外，庆阳市城市建设基础较薄弱，城市建成区硬化率高，造成地表径流系数大;城市管网建设标准偏低，收水设施不足;排水系统布局不合理，在短时间内降水不能被及时消纳，造成了内涝灾害影响比较严重，总结起来基本特征是轻涝年年有，重涝不多见。
　　从气候角度分析，庆阳市虽地处北方，气候属于半干旱半湿润区，但由于降水的突发性、集中性、极端性特征，造成极端降水过程与内涝灾害的严重程度紧密相关。一方面内涝灾害与降水总量的大小有关，与降水季节分布的阶段集中性相关，另一方面也与降水的强度有关，与降水过程的持续时间相关，同时也与地形和城市的基础设施建设脆弱性紧密相关。
　　1.2 海绵城市建设对城市内涝的影响分析
　　2016年，庆阳市通过竞争性答辩取得了中央财政支持的海绵城市建设试点项目，正通过构建“渗、滞、蓄、净、用、排”六位一体的综合生态水环境治理体系，将80%的降雨就地消纳，滞留雨水汇集，利用人工湖泊蓄积，延缓积水发生时间，争取排水时间，减轻内涝发生几率，不仅能减少城市内涝灾害和水土流失，同时也可以解决水资源短缺的问题。庆阳市海绵城市建设进展顺利，新城区通过海绵设施的建设，基本消除了内涝风险，初步达到了预期目的，老城区通过实施海绵项目改造，将减轻内涝风险。
　　2 资料与方法
　　利用庆阳市西峰国家气象基本站1937—2018年降水观测资料，挑取1980—2018年14个时段极端降水记录，结合西峰区城市内涝出现记载情况，采用统计强降水频率、95%、99%分位值强降水总量，计算年度降水集中度和集中期，编制暴雨强度公式，使用SWMM系统对城市排水管网进行模拟等方法，分析庆阳市城市内涝灾害的主要致灾原因。采用Gumbel分布曲线函数计算不同时段降水量重现期，确定庆阳市城市内涝降水阈值，作为城市内涝预警信息发布的标准，减轻强降水天气造成的城市内涝危害。
　　2.1 庆阳市极端降水基本特征
　　统计1937—2018年西峰国家基本气象站及庆阳市区域国家级气象站的降水资料（表1）。由表1可知，庆阳市年总降水量虽然不多，但是短时效内降水的极端特征比较明显，个别年份旬月降水量占年降水量的50%，1 d最大降水量占年降水量的1/3，这也是干旱地区洪涝灾害多发的主要原因。
　　5～1 440 min 14个不同时段降水量是通过对逐分钟降水量累计后挑去最大值[4]。由图2可知，1980—2018年庆阳市区24 h极端降水量中位数在58 mm左右，最大达140 mm，近40年间共出现4次100 mm，3 h极端降水量中位数在33 mm，最大达87 mm，超过50 mm达3次，1 h极端降水量中位数在23 mm，最大接近60 mm，超过40 mm的有2次，0.5 h极端降水量中位数在16 mm，最大达40 mm，超过30 mm的有2次，出现这类极端降水过程一般容易造成城市内涝，与城市内涝灾情是一致的。
　　2.2 降水集中度和集中期计算方法
　　采用Zhang等[5]、刘占明等[6]、刘文莉等[7]的定义， 把一年中各旬降水量均作为向量，一年内36个旬组成一个圆周（360°），将某旬降水量作为该旬降水矢量的模，旬序（从0算起）与10°的乘积作为该旬降水矢量的方向，从而引进了表示降水年内时间分配特征的两个参数：集中度（PCD）和集中期（PCP），即：
　　式中，Rxi=[rij?sinθj]，Ryi=[rij?cosθj];PCDi和PCPi分别代表第i年的降水集中度和集中期，Ri为测站第i年的总降水量;rij为第i年第j旬的总降水量;θj为第j旬对应的方位角;i为年份（i=1951，1952，……，2018）;j为旬序（j=1，2，……，36）[5]。
　　PCD反映年降水在研究时段内各旬的集中程度，在某研究时段内，如果年降水全部集中于某一个旬，则合成向量的模与总降水量的比值为1（PCD极大值），即降水集中度为极大值;相反，如果各旬降水量都相等，则各分量累加后结果为0（PCD极小值），即降水集中度为极小值。可见，降水集中度的取值为0～1，越接近1，表明降水量越集中，降水量年内分配越不均匀;越接近0，则说明降水量越不集中，降水量在年内各旬的分配越均匀。
　　PCP即合成向量的方位角，表示每旬降水量合成后的总体效应，也就是向量合成后重心所指示的角度，反映了一年中最大旬降水量出现在哪一个旬内。表2给出了月份与方位角及降水矢量方向范围的对应关系，这里计算PCP值采用旬序，如PCP值介于195～205、205～215、215～225，分别对应8月上旬、中旬、下旬[5]。
　　2.3 暴雨强度公式编制及不同时段降水量重现期计算 　　庆阳市暴雨强度公式编制依据《室外排水设计规范》（GB50014—2006，2016版）[8]和《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》[9]，采用经验频率法和理论频率分布曲线调整法[10]。经对比分析，Gumbel分布曲线优于直接拟合分布曲线和皮尔逊-Ⅲ型分布曲线[11]。Gumbel分布曲线函数形式来源于极值分布第一形式，是由Gumbel率先将其应用于年最大值发生的水文统计中，故称之为Gumbel分布曲线，其函数形式为：
　　式（6）可通过最小二乘法求得统计参数[u]、[v]，从而计算出Gumbel函数调整后的i-p-t（降雨强度-重现期-降雨历时）数据，得出不同时段降水量重现期，编制庆阳市暴雨强度公式。
　　2.4 雨水管理模型SWMM系统模拟
　　雨水管理模型SWMM是美国环境保护局开发的一个动态降雨—径流模拟计算机程序，主要用于城市区域径流水量单一事件或者长期（连续）模拟，可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水量，每个管道和河道中水的流量、水深等情况，处理对象包括管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等。国内外在城市规划和水资源管理方面使用较多，效果较好[3]。
　　SWMM系统模拟采用将非线性水库原理计算地表汇流，本研究选用动态波演算求解完整的一维圣维南方程组。SWMM系统模拟能够耦合降水、地形、管网及径流的实时状态，可以弥补中小城市暴洪监测资料缺失的不足，通过模拟能够直观分析内涝灾害点的径流和管网流量变化特征，这里主要用于致灾短时强降水和城市排水管网的动态模拟。
　　3 结果与分析
　　3.1 庆阳市城市内涝与降水的关系
　　经统计，2004—2018年庆阳市共出现城市内涝18次，其中轻涝12次，重涝6次，均出现在7—8月。致涝降水过程的特征是，30 min降雨量大于15.9 mm，1 h降雨量大于23.7 mm，日降水大于31.5 mm，并且降水时间集中在60～180 min，一般会造成城市内涝，降水量越大，内涝越严重。有些降水过程持续时间较长，达4～8 h。小时降水量接近20 mm的降水过程也会造成城市内涝。
　　统计西峰国家基本气象站日降雨大雨以上频率，4—10月均出现过日降水量大于25 mm的大雨，主要出现在7—8月，年平均出现4次以上，4—9月均出现过日降水量大于50 mm的暴雨，出现在7—8月的次数最多（表3），多有对流性降水伴随，与城市内涝的出现时间基本保持一致。
　　以1981—2010年为基准，采用百分位排位法分别计算了95%分位值（大于27.0 mm，略大于大雨标准）、99%分位值（大于53.3 mm，略高于暴雨标准）的强降水总量[12-14]。由图3可知，强降水量占年总量越大，越容易出现内涝灾害，与大雨以上过程出现次数也是一致的，2004年以后，与出现内涝灾害的时间也一一对应。因此，采用气象降水等级标准作为内涝灾害预警是可行的[15]，也就是说，一般7—8月预报出现大雨降水过程，就应当关注城市内涝灾害。
　　3.2 庆阳市致涝降水季节分布特征
　　庆阳市作为北方干旱城市，造成内涝灾害的降水过程也体现在时间分布的不均匀性上。通过计算降水的集中度和集中期，更好地分析致涝降水的季节性分布和时段特征。由图4可知，庆阳市西峰区的降水集中度平均值为0.57，2015年最小，为0.309，1995年最大，为0.766，接近1，表明庆阳市降水集中度较大，容易出现旱涝。在对应的集中期里，是发生内涝灾害的关键期。降水集中期平均值为210，对应在8月中旬，2011年最大249，对应在9月下旬，1957年最小170，对应在7月上旬。
　　3.3 庆阳市降水強度及持续时间特征
　　根据设计内涝防治工程排水通道和内涝调蓄池设计的需要，设计时程分配雨型应体现长历时降雨统计规律，内涝防治工程设计降雨雨型必须是长历时降雨雨型，一般以1 440 min（24 h）的设计降雨雨型可满足内涝工程规划设计需求，城市内涝防治工程应采用24 h设计暴雨过程。但由于甘肃省庆阳市地处黄土高原半干旱半湿润的高原气候区，降水量集中，强降水持续时间短。据统计，主要强降水集中在180 min内，故而对庆阳市区以180 min为基础的短历时强降水暴雨雨型设计。利用1951—2018年西峰国家基本气象站时段降水量，采用Gumbel分布曲线编制庆阳市城市暴雨强度公式如下：
　　式中，q为设计暴雨强度[L/（s·hm2）];t为降雨历时（min）;p为设计重现期（年）。
　　芝加哥雨型只有雨峰位置一个参数，估算r的方法，是对一组各种历时多次暴雨计算最大强度时间与暴雨历时之间的比值，按照各次降雨历时加权平均后，以这个比值的均值作为r值。统计1960—2014年短历时暴雨雨峰位置系数，按照要求先将历时相同的雨峰位置系数进行算术平均，之后再将各降雨历时的雨峰位置系数按照降雨历时分配权重进行加权平均，最后计算得到庆阳市的综合雨峰位置系数为0.38。
　　采用暴雨强度公式计算得到庆阳市180 min不同重现期芝加哥雨型的降水强度、持续时间和重现期，重现期越大，降水强度明显增大，降水量集中在40～55 min。统计庆阳市出现的短时强降水分布规律，尽管与芝加哥雨型趋势不一致，但在SWMM模拟中的流量变化特征基本一致，可以反映短时强降水致灾过程的时间演变特征。
　　3.4 不同时段降水量重现期
　　利用1937—2018年资料，采用Gumbel分布法计算时段降水量的重现期。为了考查最大雨强，便于分析计算、可预报性和预报预警服务需要，仅选取0.5～24 h共8个时段的极端降水量，1 h降雨量百年一遇为60.2 mm，实况是1988年日降水量59.5 mm，3 h降雨量百年一遇为87.4mm，实况是2006年日降水量87.1 mm，24 h降雨量百年一遇为154.3 mm，实况是1947年日降水量148.2 mm，计算结果与实际比较接近。利用降水强度-持续时间-频率分布曲线计算了降水强度，庆阳市西峰区30、60、120、180 min等不同持续时间的最大降水强度分别是51、59、63、65 mm/h。 　　3.5 极端降水与内涝的短时变化特征
　　SWMM系统模拟的基础地理信息采用庆阳市规划局实测数据，包括地形地理DEM及海拔高程等，管网信息利用庆阳市海绵城市建设控制性详细规划的常规雨水系统规划基本信息，并针对老城区实际情况适当作了调整，使之符合实际。经过使用实况降水量和暴雨强度公式芝加哥雨型不同重现期雨量模拟试验和计算，主要模拟参数：演算模型，动态波;渗入模型，Green Ampt;不渗透性，70%～90%;不透水区曼宁系数0.012;透水区曼宁系数0.2;不透水区洼蓄水深度2.5 mm;透水区洼蓄水深度5.0 mm;不透水区无洼地不透水区所占百分比25%;最大下渗率35.1 mm/h;最小下渗率2.30 mm/h;渗透衰减系数2.0。
　　使用SWMM系统对2005年以来西峰区大雨以上21次过程进行模拟，通过对降雨与管网的流量、水深、流速分析，直观地反映了管网在不同降水过程中的排洪能力，与实际出现内涝点基本一致，分析造成内涝主要有以下原因。
　　一是管网因素。老城区部分地方管网老旧，管道过细，不足以排出地面积水，如解放路北大街什字、南大街与兰州路交汇处、北大街南城壕巷、北大街大十字、小十字等。
　　二是地形因素。部分地方地势较低，形成洼地，容易形成积水，比如九龙路天禾花鸟市场门前、南大街与兰州路交汇处、北大街南城壕巷、庆阳五中片区等。
　　三是排涝设施不完善。比如庆化大道建设时未修建排涝池或排水口，陇东学院片区雨洪无处排放，造成南高速出口和东郊部分地方形成积涝点，需要等西湖和东郊湖建成后才能缓解。
　　四是维护问题。排水口长时间不清理，积尘及杂物造成排水口及管道堵塞，造成排水不畅，这与管道过细等因素共同造成堵塞更为严重。
　　五是地形与管网不匹配。地形落差较小和易积水的地方排水管网应当粗一点，便于排水，不易积水的地方，管网可以适当细一点，节省成本，实际上设计和施工中对此类问题重视不够，致使内涝严重。
　　图5为2005年5月11日大雨过程内涝易发点管网GQ309、GQ189、GQ180降水量与流量的模拟变化，总降水量27.1 mm，降雨历时10 h，流量虽然随降雨强度变化有明显的变化，但是由于降水强度不大，虽然是内涝易发点，但管道流量尚未满流，也无明显内涝灾害。此类降水历时较长的大雨过程一般不会致使内涝灾害发生。
　　图6为2005年7月2日暴雨过程内涝易发点管网GQ309、GQ189、GQ180降水量与流量的模拟变化，总降水量98.1 mm，降雨历时17 h，流量随降雨强度变化有明显的变化，流量出现阶段性满流，内涝点出现阶段性积水，但无明显内涝灾害。这次过程接近大暴雨量级，但0.5 h降水量只有10 mm，降雨历时较长，因此无灾害。
　　模拟2006年7月2日暴雨过程内涝易发点管网GQ309、GQ189、GQ180降水量与流量的变化，总降水量101.2 mm，降雨历时5 h，流量随降雨强度变化和降水量增加有明显的变化，流量持续出现满流，内涝点大量积水持续时间较长，致使内涝灾害严重。这次过程达到大暴雨量级，0.5 h降水量达25 mm，因此造成了灾害。
　　通过对模拟过程的总结，可以得出降水总量、降水强度、降雨历时是致涝的根本原因，统计分析发现，在降水总量达30 mm以上时，当30 min降水量达15 mm时，易涝点容易出现积水，当30 min降水量达20 mm时，易涝点就形成了灾害，当30 min降水量达30 mm时，易涝点灾害严重，当30 min降水量达40 mm时，易涝点灾害非常严重。
　　此外，使用暴雨强度公式芝加哥雨型生成的百年一遇暴雨过程进行模拟，虽然并未全部覆盖所有实际降雨过程的分布特征，但是较好地反映了强度极端的暴雨过程内涝灾害径流演变特征。模拟发现，除了解放路北大街什字、南大街与兰州路交汇处、北大街南城壕巷、北大街大十字、小十字、南高速出口等易涝点外，百年一遇的暴雨过程对庆阳市城区其他地区均影响不大，表明新城区海绵城市建设成效可观。对于200年一遇的大暴雨过程进行模拟，除了前述内涝点更加严重，地下室更容易进水，其他城区大面积积水，但积水持续时间较短，如果预警预防得当，受灾程度可控，总体上不会造成特别严重的灾害。
　　3.6 庆阳市城市内涝降水阈值
　　上述分析表明，导致庆阳市发生内涝灾害主要为大雨以上过程，通过模拟发现雨强达30 mm/h以上，20 mm/0.5 h以上，就会出现明显的内涝灾害，雨强达20 mm/h以上，15 mm/0.5 h以上，总量达30 mm，会出现地表积水。综合考虑预报精细化水平和准确率，结合降水强度和重现期，选择60、120、180 min 3个时段降水量，作为预警发布的阈值（表4）。在预报预警服务中，通过短期预报、短时临近预报逐步进行逼近，可尽量提高预警时效和准确率。
　　4 结论
　　导致庆阳市发生内涝灾害主要为短时大雨以上降水过程，通过模拟分析发现雨强达30 mm/ h以上，20 mm/0.5 h以上，就会出现明显的内涝灾害，雨强达20 mm/h以上，15 mm/0.5 h以上，总量达30 mm，就会出现地表积水。
　　造成庆阳市城市内涝灾害的降水过程主要出现在夏季，以7—8月居多，采用气象预报常用的降水量等级标准大雨等级（>25 mm），同时考虑雨强选择60、120、180 min 3个时段降水量，作为预警发布的阈值是可行的，与现行业务规定一致，便于操作。
　　使用暴雨强度公式芝加哥雨型生成的暴雨过程进行模拟，较好地反映了强度极端的暴雨过程内涝灾害径流演变特征，除局部易涝点外，百年一遇的暴雨过程对庆阳市城区其他地区影响均不大，表明新城區海绵城市建设成效较好。对于200年一遇的大暴雨过程进行模拟，除了易涝点内涝更加严重，其他城区大面积积水，积水持续时间较短，如果预警预防得当，受灾程度可控，总体上不会造成特别严重的灾害。 　　SWMM系统模拟实现了降水过程与地形、管网、洪水风险的耦合，为内涝治理和防洪预警提供了依据，从庆阳市区地理地形来看，海绵城市建设对降水的滞留蓄积使用还有较大空间，也只有通过提高降水的蓄积利用来减轻城市水资源的紧张状况，降低运行成本。建议进一步加强城市管理，比如排水管网易受泥沙、垃圾淤塞，使排水不畅更为突出，应及时清理排水系统，确保排水畅通，一般应在雨季来临之前进行，但主汛期7—8月根据气象预报，在强降水过程开始前进行全面排查，以减少城市内涝的发生。建议合理设计，就地吸纳更多的雨水，涵养城市生态，注重建设质量，实现海绵城市设计目标，达到建设标准。
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