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引言
      近日,一場(chǎng)罕見(jiàn)暴雨引發(fā)的城市澇災(zāi)災(zāi)害話題受到全社會(huì)的高度關(guān)注。面對(duì)慘痛的現(xiàn)實(shí)，業(yè)界紛紛研究和反思。我們學(xué)到了什么？有什么教訓(xùn)需要吸��？
      本文在收集網(wǎng)上公布的“7·20鄭州特大暴雨”事件的降雨、地形高程、排水格局、洪澇災(zāi)情等大量公開(kāi)信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，分析鄭州7·20暴雨洪水實(shí)際情形，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)特征。研究以專(zhuān)業(yè)視角，從城市洪澇安全需求出發(fā)，審視城市排水防澇系統(tǒng)應(yīng)對(duì)極端暴雨實(shí)際表現(xiàn)，從而獲得有價(jià)值的啟發(fā)。
 
一、 鄭州主城區(qū)排水特征

1.1 城市地形地勢(shì)與排水格局
      根據(jù)由此次專(zhuān)門(mén)收集的地形資料繪制而成的鄭州市區(qū)域地形和水系圖（圖1），鄭州中心城區(qū)在西南、西部低山丘陵和黃河之間呈西高東低，西南部整體地勢(shì)由西南向東北傾斜，逐漸向東北過(guò)渡為黃土傾斜平原和黃淮沖擊平原。河流包含源于西南山部區(qū)的索須河、金水河、十八里河、七里河、潮河和賈魯河。平原區(qū)的熊耳河、魏河、東風(fēng)渠等，均為市區(qū)內(nèi)的泄洪排澇骨干河道。所有河道最終排向賈魯河，因此賈魯河承擔(dān)著城市防洪排澇的重要功能。上游建有10余座中小型水庫(kù)，包括常莊和尖崗水庫(kù)。賈魯河自尖崗水庫(kù)至京港澳高速地面坡降估計(jì)（見(jiàn)圖2），城區(qū)段上游坡度大，約為3‰，坡面匯流流速大，上游來(lái)水速度快；下游區(qū)域相對(duì)平緩，約為0.66‰。

圖 1鄭州市地形高程及水系分布圖

圖 2 賈魯河（尖崗水庫(kù)-京港澳高速）河道縱斷面沿線高程（m）

 

1.2 7·20降雨事件情勢(shì)分析
       根據(jù)從“生態(tài)水文遙感”團(tuán)隊(duì)公眾號(hào)獲得的降雨資料，對(duì)比鄭州市內(nèi)2021年7月18日20時(shí)21日15時(shí)段內(nèi)，自西向東5個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)的降雨過(guò)程時(shí)空分布（圖3），鄭州發(fā)生一小時(shí)極端暴雨前，7月18日20時(shí)-20日15時(shí)，位于鄭州主城上游的嵩山站、鞏義站和新密站發(fā)生高強(qiáng)度降雨，累積降雨量分別已經(jīng)達(dá)到515mm、464.5mm和476mm（圖4）。
      鄭州站位于主城區(qū)偏東北，暴雨主要集中在20日15時(shí)~17時(shí)，最大小時(shí)降雨量達(dá)到201.9 mm，最大24h總降雨量超過(guò)622 mm。
7·20暴雨中心由西南山區(qū)逐漸向東北鄭州市區(qū)發(fā)展，導(dǎo)致城市河道由于山區(qū)暴雨徑流和水庫(kù)安全下泄，水位快速抬升，在市區(qū)發(fā)生特大暴雨時(shí)，城區(qū)河道排水條件不利。

 

圖 3 鄭州市國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)分布圖
（圖片來(lái)源：生態(tài)水文遙感前沿公眾號(hào)，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部“生態(tài)水文遙感”團(tuán)隊(duì)）

圖 4 鄭州市及西部國(guó)家雨量站7.20暴雨逐時(shí)和累積降雨量（制圖：宜水環(huán)境）

（數(shù)據(jù)來(lái)源：生態(tài)水文遙感前沿公眾號(hào)，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部“生態(tài)水文遙感”團(tuán)隊(duì)）

 

1.3 7·20鄭州暴雨重現(xiàn)期
       7·20暴雨到底是多少年一遇？
      暴雨發(fā)生頻率或重現(xiàn)期是由水文統(tǒng)計(jì)分析得出。這是在水文學(xué)科又下分的非常專(zhuān)業(yè)的研究方向。水文事件（如暴雨）重現(xiàn)期，是基于對(duì)隨機(jī)樣本分析基礎(chǔ)上，得出對(duì)隨機(jī)事件發(fā)生的可能性進(jìn)行量化的一種表達(dá)方式，以便應(yīng)用和研究中可以比較、分析、決策。城市對(duì)暴雨的研究基本仍局限于通過(guò)站點(diǎn)觀察記錄推求暴雨公式和100年一遇以下的范圍。由于水庫(kù)等重要水利安全要求很高，水利上對(duì)于極端事件的應(yīng)用很普遍，如三峽大壩設(shè)計(jì)是萬(wàn)年一遇，荷蘭有些堤壩是幾百年到十萬(wàn)年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。由于頻率成果的敏感性和重要性，極端頻率的分析不是僅僅靠幾年觀察數(shù)據(jù)排位計(jì)算所得。極端事件頻率分析需要利用歷史調(diào)查、考古、洪水遺跡等大量研究所得。
      另一方面，對(duì)于極端頻率，其成果正確性沒(méi)法衡量，只是在現(xiàn)有認(rèn)知和科學(xué)水平基礎(chǔ)上的估計(jì)。鄭州7·20暴雨打破了太多的認(rèn)知。到底多少年一遇由水文氣象學(xué)術(shù)專(zhuān)家們研究。不過(guò)從“75·8駐馬店特大暴雨”，“ 7·20 南方多地洪災(zāi)”的兩次極端事件的來(lái)看，這些確實(shí)挑戰(zhàn)了水文統(tǒng)計(jì)的對(duì)極端事件分析。根據(jù)張建云院士報(bào)告解釋?zhuān)�這個(gè)地區(qū)的地形條件與特殊氣候的組合可能是促成極端降雨的主因。因而，這些極端事件與常規(guī)事件來(lái)比，由于成因和工程目標(biāo)不同，可能需要分類(lèi)研究。

 

二、 暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)分析
2.1 暴雨積水模擬
      為了評(píng)估鄭州市暴雨水情形勢(shì)和淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)，分析洪澇災(zāi)情成因，本研究構(gòu)建了鄭州市主城區(qū)水文水動(dòng)力2D洪澇模型，模型范圍1057.8 km2，包含主要城區(qū)范圍和鄭州市泄洪排澇骨干河道。
      模型降雨采用北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部“生態(tài)水文遙感”團(tuán)隊(duì)根據(jù)中國(guó)地面氣象站逐小時(shí)觀測(cè)資料數(shù)據(jù)分析梳理的鄭州市國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)降雨資料，選用鄭州站2021年7月19日20時(shí)~7月21日0時(shí)之間的小時(shí)級(jí)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)入模型計(jì)算，總降雨量約為640 mm，最大1小時(shí)降雨量為 201.9 mm，徑流系數(shù)取值0.9。模型地面高程采用美國(guó)NASA，Shuttle Radar Topography Mission雷達(dá)高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為30m*30m。
      根據(jù)洪澇模型結(jié)果繪制最大積水水深分布圖（圖5）。水深風(fēng)險(xiǎn)圖大多與新聞描述相符（請(qǐng)見(jiàn)圖例，藍(lán)色深淺代表積水深淺）。
      結(jié)果表明，鄭州城區(qū)總體積水形勢(shì)嚴(yán)峻，大片區(qū)域最大積水深度超過(guò)城市內(nèi)澇防治要求的0.25m，部分區(qū)域最大積水深度甚至在2m以上。城區(qū)東北部的金水區(qū)和惠濟(jì)區(qū)地勢(shì)較低處積水最為嚴(yán)重；主城區(qū)內(nèi)鄭州北站至鄭州站沿線、圃田西站周邊、鄭州地鐵5號(hào)線沿線范圍廣、水深也較大。
進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)淹沒(méi)水深面積占比，最大積水深度超過(guò) 0.25m的面積為 479.1 km2，占總面積的 45.3%，其中，0.5~2m的面積為272.4 km2，占比25.8%；2m以上的面積達(dá)到116.0 km2。

圖 5 鄭州市洪澇淹沒(méi)水深分布圖

 

表 1 主城區(qū)洪澇模型積水范圍統(tǒng)計(jì)表

圖 6主城區(qū)內(nèi)澇模型積水淹沒(méi)深度面積占比

 

2.2 洪澇水量分析
      根據(jù)鄭州市政府2017年發(fā)布《鄭州市海綿城市專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃（2017~2030年）》，在水安全方面，標(biāo)準(zhǔn)為：城區(qū)與航空城的內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年一遇。鄭州市5年、50一遇重現(xiàn)期24h設(shè)計(jì)暴雨量分別為119.0m、199.4mm。

表 2 鄭州市設(shè)計(jì)暴雨雨量

 

 

 

 

       根據(jù)上述特征暴雨雨量分析，管網(wǎng)在設(shè)計(jì)能力條件下排水量（含海綿設(shè)施）占本次極端降雨總雨量的19%，50年一遇防澇系統(tǒng)排水量（含管網(wǎng)）約占32%，超標(biāo)雨水占比達(dá)到68%，大量超出內(nèi)澇防治體系能力標(biāo)準(zhǔn)的雨水將形成快速的地表坡面匯流，流向地勢(shì)低洼區(qū)域。
       主城區(qū)1057.8 km2模型范圍內(nèi)水量平衡分析及各部分百分比結(jié)果如下：

表 3 模型分析水量平衡分析表

 

圖 7 鄭州主城區(qū)水量占比分析圖

 

2.3 淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析
       洪澇能量大的區(qū)域代表受影響大、危險(xiǎn)性高。而水深與流速?zèng)Q定洪水能量，因此根據(jù)模型得出的地面淹沒(méi)最大水深及最大流速，對(duì)研究區(qū)域淹沒(méi)范圍的洪澇風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估。

       風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因子F公式如下：

       計(jì)算得出鄭州市主城區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)分布圖（如圖8），可以看出，淹沒(méi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于鄭州金水區(qū)，金水區(qū)位于主城區(qū)地勢(shì)最低洼處，區(qū)內(nèi)水系縱橫連通，是城區(qū)主要的行洪區(qū)段，主干排洪河包括賈魯河、東風(fēng)渠、熊耳河、金水河、魏河等均在金水區(qū)交匯，造成區(qū)內(nèi)水量持續(xù)累積、水位壅高，遠(yuǎn)超內(nèi)澇安全調(diào)蓄量。
       此外，賈魯河、金水河、十八里河和七里河等河道中上游兩岸也存在中、高淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，此次鄭州暴雨導(dǎo)致城區(qū)內(nèi)河道遠(yuǎn)超其排水能力。大部分區(qū)域淹沒(méi)水深大于0.5米，甚至1-2米，流速大于0.8米/秒，水流風(fēng)險(xiǎn)極大，嚴(yán)重影響城市安全。

圖 8 鄭州市主城區(qū)洪澇淹沒(méi)分布圖

 

2.4 代表點(diǎn)淹沒(méi)水位過(guò)程
      暴雨期間，鄭州市阜外華中心血管病醫(yī)院（簡(jiǎn)稱(chēng)阜外醫(yī)院）因暴雨積水，停水?dāng)嚯姟⒌缆肥苎�、交通受阻，�?dǎo)致近5000人被困。阜外醫(yī)院所在的城東中牟處于鄭州地勢(shì)最低處，賈魯河、魏河、龍湖等水體交匯處下游，暴雨后河水暴漲導(dǎo)致大量積水倒灌，導(dǎo)致路面水位上升速度快、漲幅高，但受地形影響退水速度較慢。通過(guò)模擬2021年7月20日15時(shí)~7月20日21時(shí)間鄭州站實(shí)際降雨，結(jié)果顯示阜外醫(yī)院周邊區(qū)域水位6小時(shí)水位上升可達(dá)到2.25m左右。

 

 

圖 9鄭州阜外醫(yī)院水情及積水現(xiàn)場(chǎng)圖（來(lái)源：澎湃新聞）

圖 10 模擬積水變化過(guò)程曲線（鄭州阜外醫(yī)院）

 

三、 城市排水防澇體系的關(guān)鍵解析
       鄭州特大暴雨事件的主因，顯然是由于超出安全標(biāo)準(zhǔn)二倍多的澇水出路受阻。然而，盡管量級(jí)特征不同，超標(biāo)暴雨任何城市都可能發(fā)生。其他城市怎樣才能吸取教訓(xùn)？
       為此，我們需要首先理解排水防澇系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。本質(zhì)上排水防澇體系是關(guān)于城市雨水的滯蓄排放的空間平衡和有序布置。澇水量的時(shí)空估計(jì)以及風(fēng)險(xiǎn)管控，是解決城市洪澇問(wèn)題的重要內(nèi)容。
      從系統(tǒng)角度，不同工程手段實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)。工程手段包括源頭減排與排水管渠系統(tǒng)、內(nèi)澇防治系統(tǒng)，和超標(biāo)降雨應(yīng)急防控和響應(yīng)系統(tǒng)。下圖展示了各個(gè)系統(tǒng)層級(jí)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)不同的暴雨特征，主要功能有所不同。

 

• 排水管（圖A）-設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)多介于5年及5年一遇以下。主要設(shè)施包括：源頭海綿設(shè)施、地表導(dǎo)流、管網(wǎng)、調(diào)蓄設(shè)施、城市河湖等
• 內(nèi)澇防治系統(tǒng)（圖B）-主要應(yīng)對(duì)超出管網(wǎng)能力的設(shè)計(jì)暴雨（如5-50年一遇），設(shè)施主要包括：管網(wǎng)、調(diào)蓄設(shè)施、城市河湖、泄流通道、地表的安全積水區(qū)域。
• 超標(biāo)系統(tǒng)（圖C）-（如大于50年一遇）的降雨事件，主要設(shè)施包括：調(diào)蓄設(shè)施、城市河湖、超標(biāo)泄流通道、地表淹沒(méi)區(qū)域,預(yù)案以及應(yīng)急響應(yīng)非工程減災(zāi)手段。

 

       任一排水系統(tǒng)（或子系統(tǒng)），降雨徑流進(jìn)入系統(tǒng)后，是排水能力與系統(tǒng)調(diào)蓄量之間的平衡。當(dāng)排水能力受限，系統(tǒng)調(diào)蓄量超過(guò)防洪排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)安全蓄量時(shí)，發(fā)生內(nèi)澇（見(jiàn)圖11）。
       排水防澇規(guī)劃對(duì)管渠道、內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)和海綿城市有明確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)要求。在內(nèi)澇防治體系中，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)超過(guò)管渠能力的地表徑流空間組織、安全調(diào)蓄，以及標(biāo)準(zhǔn)外澇水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與對(duì)策，是工程規(guī)劃與管理的重點(diǎn)。這些地表徑流組織與澇水出路，需要城市的空間。
      這項(xiàng)工作，業(yè)界常常通過(guò)洪澇風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別與評(píng)估，為城市規(guī)劃和排水防澇提供非常重要的洪澇風(fēng)險(xiǎn)圖成果。風(fēng)險(xiǎn)圖可為防洪排澇設(shè)施空間布局提供依據(jù)，識(shí)別淹沒(méi)對(duì)象，評(píng)估發(fā)生后果，以便在工程上布置合理的避險(xiǎn)措施，在空間上與城市規(guī)劃銜接。

圖 11 典型系統(tǒng)逐時(shí)入出流量-蓄量平衡示意圖

 

四、 認(rèn)知與啟發(fā)
      根據(jù)上述研究，得到如下啟發(fā)：

• 模型推演表明，鄭州7·20暴雨主城區(qū)受災(zāi)的主因是由上游始發(fā)暴雨洪水與市中心極端小時(shí)暴雨疊加，城區(qū)形成大面積水深不等的快速坡面匯流導(dǎo)致。該暴雨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)城市河道防洪標(biāo)準(zhǔn)和城市的排水防澇標(biāo)準(zhǔn)。城市是否具有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪、澇風(fēng)險(xiǎn)圖？是否有超標(biāo)準(zhǔn)暴雨研究和預(yù)案的風(fēng)險(xiǎn)圖？超標(biāo)準(zhǔn)洪水或澇水在規(guī)劃工程中會(huì)淹哪些地方？怎么調(diào)蓄？如何排放？恐怕許多城市對(duì)這些問(wèn)題都仍缺乏準(zhǔn)備；
• 澇災(zāi)害怎么管？鄭州暴雨事件暴露了一個(gè)非常普遍的風(fēng)險(xiǎn)管理問(wèn)題。流域防洪工程管河道堤防和泵站等，但不關(guān)注城市細(xì)節(jié)；城市排水防澇關(guān)注城市細(xì)節(jié)，但只假設(shè)河道安全，且只局限于管渠和內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)；
• 是洪？是澇？或洪澇？城市是源頭產(chǎn)水、匯水、地表坡面匯流，而又期望被保護(hù)的對(duì)象，既非防洪工程可以保護(hù)，又非通常的澇水現(xiàn)象，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了排水防澇的能力范圍。其實(shí)概念并不重要，重要的是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)特征，如暴雨量級(jí)、淹沒(méi)水深、流速、淹沒(méi)對(duì)象等的判斷、識(shí)別和評(píng)估。隨著全球變暖，氣候不確定性加大，點(diǎn)暴雨公式的局限性、超標(biāo)事件研究不足和洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的薄弱，可能是當(dāng)今城市規(guī)劃與管理不小的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。極端氣象條件研究、可靠的精細(xì)化的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)和標(biāo)準(zhǔn)外洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)圖，為識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)源與重要保護(hù)對(duì)象，為城市空間規(guī)劃、重大工程避險(xiǎn)、應(yīng)急響應(yīng)管理提供重要依據(jù)。城市排水防澇規(guī)劃是彌補(bǔ)當(dāng)今技術(shù)體系局限，有條件提供這些成果的技術(shù)途徑；
• 本研究基于大量公開(kāi)信息構(gòu)建洪澇模型，得出較為符合實(shí)際的專(zhuān)業(yè)分析成果，表明在具有較好基礎(chǔ)資料的條件下，通過(guò)專(zhuān)業(yè)模型技術(shù)支撐排水防澇規(guī)劃或內(nèi)澇治理的技術(shù)手段，應(yīng)是基本要求。再進(jìn)一步，氣象信息與洪澇系統(tǒng)模擬技術(shù)的集成，能為城市快速高效的工程決策、預(yù)警預(yù)報(bào)和應(yīng)急響應(yīng)提供輔助。隨著系統(tǒng)應(yīng)用檢驗(yàn)和糾錯(cuò)能力提高，這種以實(shí)時(shí)模擬為支撐的預(yù)警預(yù)報(bào)和應(yīng)急決策技術(shù)將會(huì)越來(lái)越成熟，是必然趨勢(shì)。

 

五、 參考文獻(xiàn)
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[7] 程曉陶.中國(guó)科學(xué)報(bào).鄭州暴雨引發(fā)沉重思考：如何更好應(yīng)對(duì)城市型水災(zāi)害？2021.7
[8] 張建云.科學(xué)網(wǎng).全球變暖+城市化，城市洪澇越發(fā)突變.2021.7.22

致謝
      本文特別鳴謝：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院教授級(jí)高工、國(guó)家減災(zāi)委專(zhuān)家委員、水利學(xué)會(huì)城市水利專(zhuān)委會(huì)主任委員程曉陶和中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院教授級(jí)高工、中國(guó)城市供水排水協(xié)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)謝映霞為本文的改進(jìn)提供了專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)和建議。