城市街道暴雨洪水的成因浅析与预警.doc

城市街道暴雨洪水的成因浅析与预警周国良 黄昌兴 周建刚 （水利部水文局、广东省水文局江门分局）摘要：作者以近年媒体报道的几次重大的城市雨涝为线索，简要分析了形成雨涝的水文 气象成因，表明人类不当活动是致灾的重要因素，并提出了相应的具体减灾建议1 引言 近年，我国城市街道的暴雨洪水或严重积水事件频繁发生，且似乎呈日益增多的趋势， 造成的灾害影响极为惊人，如 2004 年 7 月 10～13 日，北京、上海和广州这三个特大型城 市相继发生严重城区暴雨积水，2007 年 7 月中旬，重庆和济南两城市发生城区严重暴雨洪 水或积水，其中济南仅 2h 的特大暴雨，就造成 20 余人死亡和巨大的财产损失 这些事件增多，既有气候变化因素，极端气候事件发生频率增加，也有城市自身的水 文气象因素，包括密集的人类生活影响和不当的城市建设因素本文将浅要分析城市自身 暴雨洪涝形成的水文气象因素，并提出可能的减灾措施建议 2 街道积水的水文气象因素浅析 众所周知，城市是高密集的钢筋混凝土建筑集群的构建体，也是高密度人类生活区 城市形成的热岛效应，使夏季大气对流活动在城区附近得以加强，大大增加了局部大暴雨 发生的机率。

在我国，随着城市化的高速发展，这一效应越来越明显，比西方国家更为突 出[5]关于城市的影响，在 Google 网站的遥感图中，能非常直观和明显地看到城区与非 城区的差异了 城市街道暴雨积水或洪水的雨强有多大呢？由于降水空间分布的高度不均匀性，观测 难度也大，收集完整的资料也很困难作者借助新闻媒体披露的不完全信息，将近 4 年有 较大影响的几次典型的暴雨资料，整理列于表 1表 1 我国近年城市典型暴雨降雨量（mm）发生城市及地区 发生时间 主要降雨历时(h) 对应雨量折合 1h 雨强 备注济南市区 2007.7.18 1 151 151 2h 雨量 168重庆沙坪坝 2007.7.17 1 56 56 日雨量 262.8北京北三环 2007.8.6 1.5 91 61 北京玉渊潭 2004.7.10 2 105 53 1h 雨量 60上海市区 2004.7.12 1 20 20 静安 2h 雨量 26广州五山 2004.7.13 2 62 31 一般的城市暴雨，历时大多在 2h 以内，即足以构成重大影响。

从发生时间看，绝大部 分发生在 7 月份，表 1 中实例几乎都在 7 月中旬；最大 1h 雨强多在 30mm 以上，其中济 南 1h 雨量竟高达 151mm实际上，昆明暴雨特性实例分析表明，24h 的暴雨量，其中 46～71%即集中于 1h 内[4] 除了气象的热岛效应之外，城市水文因素更为重要城市的大规模建设和快速扩展， 显著改变了原有的下垫面，使得不透水层面比例增长，绝对面积增长更快[1][6] 图 1 为我国一典型城市街区示意图，其中 A 为房屋1980s 前不仅房屋相对稀疏，且 房屋周边的 B 区多为草地或裸地，房屋上的雨水落地后，也在 B 区渗入泥土，部分再经土 壤流入河道，补充径流，这样仅 C 区为不透水面近 10 余年，B 区大规模改造为不透水 的水泥面，即使有些细小的缝隙，对于较强的夏季暴雨，基本是全部形成城市街区径流， 即产汇流面积显著扩大，不透水面包括 A、B、C 这 3 个区假定不透水面以前约占整个城区面积的 10%，目前为 80%，则同一城区，不透水面面积是以前的 8 倍，或者说产汇流 区面积是原来的 8 倍这使得同样密度分布的下水道口 D，承负了原来 8 倍的汇流，从而 更易造成城区积水或者雨涝。

在一些起伏较大的路段或街区，在排水不及或排水系统不完 善时，有时甚至会产生严重的街道洪水，如 2004 年 9 月初重庆开县县城发生的历时超过 10h 的城区洪水，城区最大积水深度超过 6m，积水 1.0～1.2m 的主街道，目测的洪水流速 超过 2m/s 从城市整体考虑，城市建设范围扩展的结果，使原来的农村郊区变为城区假定城区 半径扩大 1 倍，面积即为原来的 4 倍，使得城市总体效应更为明显，估计不透水水面积绝 对量可达原来的 32 倍[1]不透水面积比例的增加，使得可能经泥土净化而补充为河道径 流的有用的水资源，直接转化为城市排涝的压力，增大了排水的压力，增大了城市雨涝的 可能性 此外，有些县城或新城区，排水设施根本就未建或虽建但迟迟不能运行，更易遭受城 区雨涝袭击，2007 年 8 月 19 日福州市大学城受“圣帕”台风登陆影响而被淹，就是典型 的一例3 城市雨洪的评估和预警预报3.1 城市雨涝的分析评估 现在，媒体中动不动就写“百年不遇” 但是，从专业角度，客观、科学地看待城市暴 雨洪水的发生频率，对灾害的防治很有必要 近年，我国水文气象部门开展了如下几个与之相关的重要研究工作：①设计暴雨点面 关系研究；②气候变化问题；③极端气候事件及其引发的灾害影响评估。

这些科研工作开展的必要性论证中，有许多与本文相关的值得关注的信息简言之， ①暴雨空间分布极不均匀，凡与洪水相关的问题，都要考虑暴雨的点面关系，城市积水与 洪水问题也不例外随着站点的加密，能捕捉到以前难以捕捉的大雨量点，以点带面的分 析，将会显著高估其真实的重现期②气候永远处于变化之中，不同时期灾害发生频率和 影响程度差异较大近 10 余年，我国气候极端事件发生频率显著增加——例如，在有 50 年资料的今天，极端最高温度的极值，80～90%都是近 20 年内出现的——导致气象灾害发 生频率明显增加，在为进行防灾准备时，应充分考虑气候变化的趋势③灾害与人类活动 密不可分，城市是人类居住的密集区，灾害造成的人民生命财产与经济损失的影响更为巨 大，应是减灾关注的重点，必须从技术措施上得到加强3.2 城市雨涝的监测 目前，大多数城市都有多个暴雨监测点，象北京市城区，水文部门至少有 10 个以上的 雨量点由于暴雨雨量的空间分布差异极大，仅靠布设密集的雨量点监测，既不经济，对 面雨量把握还很不够，且较为被动——降雨在落点本地开始才开始观测，预警的预见期较 短 美国等发达国家经过多年的探索研究，除继续使用自动雨量站信息外，目前已在业务 中已广泛扩展应用了实时卫星和雷达探测信息，即以卫星探测和雷达探测测的雨量空间分 布为基础，以地面自动雨量站观测数据进行实时校正，得到较密集的各格点面雨量的分布， 为预警服务。

卫星、雷达和雨量站这三种不同信息源的监测也有机结合，以卫星做大范围监测，了 解降雨的云系范围，判断可能的影响历时，且预见期较长；雷达信息在降雨云系比较接近 预警的城市附近开始分析应用，判断是否影响该城市，何时开始，主要是哪一片城区或街 道，路径如何其中，在雷达监测应用中，雨量站信息已融入其中对城市雨涝或雨洪预 警有价值的几种降雨监测信息源，其监测空间范围、时间提前量或预见期也有差异，因而 其价值也不同按一般理解，其差异见表 2表 2 降雨量监测几种信息源的差异信息源 监测空间范围 预警的预见期气象卫星 >500km >10h天气雷达 150km 1h雨 量 站 <5km <10min 目前，美国已布设完成覆盖全境的雷达监测网，并投入业务应用；中国规划的含 150 多部气象雷达的监测网络尚在布设之中，将于近年完成可以预见，随着雷达逐步投入生 产应用，在未来 5 年内，我国城市暴雨积水和山洪预警的手段和水平都将得到实质性改善3.3 城市雨涝的预警预报 针对日益频发、日益受到社会广泛关注的城市雨涝或雨洪，我国气象部门目前也在尝 试开展预警服务不过，离社会所期望的真正意义上的预警目标，显而易见还有很大差距。

我们现在在这方面到底能做些什么？作者一先后于 2006 年初和 2008 年初分别在美国 进行过一个月的水文气象培训与业务考察，从美国的业务预报警报服务中可以得到一些启 示 美国 NOAA 中的河流预报中心实时提供突发雨洪临界雨量指标 FFG 分布图，气象预报中 心（NWS）结合 FFG 发布洪水预警其做法中与我国现有临界雨量不同之处主要在于， 考虑当前土壤湿度，即以已发生的降水量，依据水文模型分析，得到实时土壤湿度，反推 要达到产流所需的降雨量 FFG当实时或预报降雨量达到 FFG 时，即发布预报或预警概 言之，在分析当前的土壤湿度时，因为时间允许，运用了水文模型，得到了 FFG；在发布 未来预报或预警时，因时间仓促，不运行水文模型，只对比当点（或小范围的面）雨量是 否达到及超过 FFG，决定是否发布预警对于城市暴雨积涝或街区洪水，我们可以分析各区域的不透水面积比，分别计算在完 全不透水的混凝土街道或道路，可以近似看作土壤湿度 100%，即 FFG=0如果道路或街 道有排水系统，应在分析的基础上做相应的扣除在透水区域，可以常规的 FFG 计算方法 得到预警雨量综合的预报，应是考虑两者结合体的。

由于城市暴雨洪水或雨涝积水发生 非常局部，要提前 1～2 天作出较准确的定点、定时预报，从技术上看，目前没有实现的可 能但从美国对突发洪水预报预警业务建设来看，利用多种雨量监测信息源，特别是利用 雷达连续运转的探测雨量和雨量站监测信息，进行 0.5～1h 预见期的较准确的预警，完全 可能4 减灾对策建议 综上所述，城市暴雨洪水发生突然，灾害影响严重，应对极为困难国内外许多大城 市在遭受雨洪积水灾害后也进行过反思和研究[2][3]随着认识的提高和水文气象技术手段 的改进，许多工作从以前的不可能变成了现今的可能从减灾对策方面，我们建议如下：①在城市建设中，尽可能注意人与自然的和谐具体来说，减少不透水层面，从而减 少城区雨涝的可能性②在城区下垫面有明显改造后，应从城市水文角度，及时进行排水设计的计算复核， 保证排水设施能满足城区变化后的排水需要考虑气候极端事件处于增强阶段的因素，在 暴雨强度公式计算中，要用近年的暴雨资料复核，并考虑参数略微放大，适当留有余地③城市建设应保证足够的绿化率，城区钢筋混凝土建筑物布局相对分散（如美国） ，并 尽可能采取节能措施，如建筑保暖，太阳能利用等，最大限度地减少城市热岛效应影响。

④大力加强预警预报业务系统的建设和应用，提高预测减灾水平参考文献：[1]周国良，袁德辉. 中国城市暴雨洪水浅析. 中国气象学会 2005 年年会文集[2]程晓陶. 城市型水灾害挑战传统治水理念. 科学时报，2008 年 2 月 14 日[3]化全利等. 2004 年 7 月 10 日北京城区暴雨分析及减灾措施. 水文，2005 年 6 月[4]黄英，王宇. 昆明城市暴雨特性分析. 水文，2004 年 12 月5]解以扬等. 天津市暴雨内涝灾害风险分析. 气象科学，Vol.24，No.3[6]李树平，黄廷林. 城市化对城市降雨径流的影响及城市雨洪控制. 中国市政工程， 2002 年 9 月。