黃丹萍，白 龍

(廣西南寧市氣象局，廣西 南寧 530029)

0 引言

我國(guó)氣象災(zāi)害頻發(fā)，其中城市暴雨造成的內(nèi)澇災(zāi)害是影響城市安全建設(shè)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與居民生活安定的重要?dú)庀鬄?zāi)害之一。因此，暴雨內(nèi)澇氣象災(zāi)害防御工作事關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全，做好暴雨內(nèi)澇防御工作刻不容緩［1－3］，如何加速完善城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害防御機(jī)制也是當(dāng)前城市建設(shè)亟待解決的重要問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多城市的氣象專(zhuān)家先后探討了城市內(nèi)澇成因及研究模型，并逐步建立了暴雨瀝澇仿真模擬系統(tǒng)，在推動(dòng)抗洪搶險(xiǎn)救災(zāi)和恢復(fù)重建中發(fā)揮了重要作用［4－7］。

廣西南寧地處北回歸線附近，氣候多變，災(zāi)害性天氣頻繁，突出表現(xiàn)在暴雨過(guò)于集中，常發(fā)生洪澇災(zāi)害。2016年6月14日，暴雨引發(fā)南寧所轄區(qū)縣發(fā)生洪澇災(zāi)害，造成近10 萬(wàn)人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)1人死亡、1 人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失5572 萬(wàn)元。近年來(lái)，由于南寧城市規(guī)?？焖贁U(kuò)大，城市不透水地表面積迅速擴(kuò)張，導(dǎo)致了南寧相對(duì)于其他城市的內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生頻率更頻繁，城市對(duì)內(nèi)澇及其衍生災(zāi)害的脆弱性也相對(duì)其他城市更加明顯，對(duì)氣象服務(wù)工作提出了更高的要求。因此，建立完善的城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)迫在眉睫，本文對(duì)南寧城市內(nèi)澇分布特征進(jìn)行分析，利用南寧市城市內(nèi)澇氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)2015年南寧市短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程進(jìn)行模擬分析［8－10］。

1 資料來(lái)源及研究方法

利用2009—2017年南寧城管局實(shí)測(cè)內(nèi)澇資料(含內(nèi)澇隱患點(diǎn)名稱(chēng)、經(jīng)緯度、內(nèi)澇開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間、積水深度和積澇程度等)及南寧自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降雨資料，對(duì)南寧市39 個(gè)易澇點(diǎn)進(jìn)行等級(jí)分類(lèi)，并用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行內(nèi)澇深度與降雨關(guān)系分析。南寧城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)引入的是由德國(guó)Geomer 公司開(kāi)發(fā)的FLOORAREA模式，該模型以城市排水系統(tǒng)為基礎(chǔ)，模擬城市降雨地表徑流和內(nèi)澇的形成過(guò)程。模型的輸入量主要為降水量，輸出量為積水深度，模型所需的其它輸入數(shù)據(jù)從國(guó)土資源局或其他方式獲取，主要包括市區(qū)數(shù)字地形圖、水系圖(包含所有水面)、道路信息圖、土地利用圖和數(shù)字高程數(shù)據(jù)，城市排水工程信息通過(guò)城市排水管理處獲取。河道地形信息通過(guò)城建部門(mén)和普查獲取。

2 內(nèi)澇等級(jí)劃分

根據(jù)2009—2017年間南寧市出現(xiàn)的歷史內(nèi)澇積水信息及積澇形成的難易進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合易澇點(diǎn)的社會(huì)性質(zhì)和實(shí)際的影響大小(包含易澇點(diǎn)類(lèi)型、人口密集程度、財(cái)產(chǎn)價(jià)值等)［11－12］，對(duì)市區(qū)12 個(gè)一級(jí)深度易澇點(diǎn)、15 個(gè)二級(jí)中度易澇點(diǎn)、12 個(gè)三級(jí)輕度易澇點(diǎn)再次進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)積水深度達(dá)到5cm 以上時(shí)，就會(huì)對(duì)城市的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，具體劃分如表1 所示。

表1 南寧市易澇點(diǎn)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分Tab．1 Grading classification of waterlogging risk in Nanning

3 分布特征

3.1 空間分布

2009—2017年南寧市共發(fā)生城市內(nèi)澇104例，平均每年14.9 次。涉及內(nèi)澇點(diǎn)39 個(gè)。其中青秀區(qū)19 個(gè)，西鄉(xiāng)塘區(qū)10 個(gè)，興寧區(qū)4 個(gè)，良慶區(qū)3 個(gè)，江南區(qū)3 個(gè)，邕寧區(qū)2 個(gè)，以中心城區(qū)即青秀區(qū)最多，內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的頻數(shù)占到全市的51%。整體來(lái)看，內(nèi)澇點(diǎn)分布極不均勻。排水能力的強(qiáng)弱是內(nèi)澇發(fā)生頻率高低的關(guān)鍵因素［5，7］，從內(nèi)澇發(fā)生頻率來(lái)看，最高是五一路，頻率為12.5%，其次是北湖秀廂立交，頻率為10.5%，東葛路及明秀西路并排第三，頻率為6.7%。根據(jù)此等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)南寧39 個(gè)內(nèi)澇點(diǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分，一級(jí)深度易澇點(diǎn):有12 個(gè)易澇點(diǎn)，這些站點(diǎn)在50mm/h以上降雨時(shí)，出現(xiàn)25cm 以上內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)極大，甚至出現(xiàn)積水深度達(dá)50cm 以上的積澇。二級(jí)中度易澇點(diǎn):有15 個(gè)站點(diǎn)，50mm/h 以上降雨時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)10cm 以上積澇，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)30cm 以上積水。三級(jí)輕度易澇點(diǎn):有12 個(gè)站點(diǎn)，當(dāng)50mm/h 降水時(shí)，容易出現(xiàn)3～10cm 的積水，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)25cm以上的積水。

3.2 時(shí)間分布

如圖1 所示，內(nèi)澇災(zāi)害主要出現(xiàn)在短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)的4－10月，內(nèi)澇過(guò)程從5月開(kāi)始迅速增大，5－7月處于高峰期，占內(nèi)澇總次數(shù)的69%，8月份開(kāi)始減少，10月份的內(nèi)澇次數(shù)增加是由于秋季臺(tái)風(fēng)所造成。

圖1 南寧市4－10月的內(nèi)澇發(fā)生次數(shù)Fig．1 Number of waterlogging events in Nanning from April to October

如圖2 所示，對(duì)104 例內(nèi)澇個(gè)例統(tǒng)計(jì)分析得出:內(nèi)澇主要發(fā)生時(shí)段為05－08 時(shí)、08－10 時(shí)、13－14 時(shí)、16－18 時(shí)、20－23 時(shí)。可以看出，城市內(nèi)澇的日變化有兩個(gè)明顯的高發(fā)時(shí)段，第一時(shí)段為16－18 時(shí)，此時(shí)正值交通運(yùn)行高峰期，這與南寧多發(fā)午后對(duì)流相對(duì)應(yīng);第二時(shí)段為20－23 時(shí)。

圖2 南寧市內(nèi)澇發(fā)生時(shí)段分布Fig．2 Distribution of waterlogging periods in Nanning

4 南寧市暴雨內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

城市暴雨內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型是建立城市防汛信息系統(tǒng)、模擬出預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)的暴雨內(nèi)澇積水過(guò)程的重要研究手段。引入天津市城市內(nèi)澇模型的算法［8－9］，該模型以城市地表與明渠河道水流運(yùn)動(dòng)為模擬對(duì)象，應(yīng)用有限體積法，采用無(wú)結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格設(shè)計(jì)計(jì)算區(qū)域。地表模擬采用簡(jiǎn)化的二維非恒定流方程，河道和排水灌網(wǎng)則采用一維非恒定流方程。堤壩采用的是寬定堰溢流公式。

南寧市暴雨內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)基于南寧市區(qū)內(nèi)澇隱患點(diǎn)信息以及氣象站雨量信息，能夠?qū)崟r(shí)更新各隱患點(diǎn)的內(nèi)澇氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，具備直觀、高效的圖形展示和方便快捷的一鍵式內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品制作、發(fā)布功能，利用此系統(tǒng)能夠進(jìn)行南寧市城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。主要技術(shù)原理是將強(qiáng)降雨天氣中自動(dòng)氣象站的逐小時(shí)雨量數(shù)據(jù)插值得到的面雨量數(shù)據(jù)，與用FloorArea 水文模型模擬出的各隱患點(diǎn)不同內(nèi)澇等級(jí)臨界面雨量閾值進(jìn)行對(duì)比［10，12］，當(dāng)氣象站實(shí)時(shí)雨量差值得到的面雨量達(dá)到各隱患點(diǎn)對(duì)應(yīng)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的臨界面雨量閾值時(shí)，即提示該隱患點(diǎn)發(fā)生城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到相對(duì)級(jí)別。其具體方法為:通過(guò)暴雨強(qiáng)度公式得到南寧市出現(xiàn)內(nèi)澇的7 個(gè)重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)3 小時(shí)的逐小時(shí)雨量，將內(nèi)澇重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)雨量數(shù)據(jù)及各隱患點(diǎn)排水管網(wǎng)減排能力數(shù)據(jù)代入FloorArea 模式以小時(shí)為步長(zhǎng)計(jì)算淹沒(méi)速度，并采用反距離加權(quán)(Inverse Distance Weighted，IDW)方法，得到隱患點(diǎn)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的臨界面雨量值，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象站雨量數(shù)據(jù)，當(dāng)由實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)計(jì)算得到面雨量大于某隱患點(diǎn)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)臨界面雨量閾值，即提示該處有發(fā)生對(duì)應(yīng)等級(jí)城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險(xiǎn)，并整合積水網(wǎng)格、監(jiān)測(cè)預(yù)警和影響預(yù)估等產(chǎn)品寫(xiě)入業(yè)務(wù)產(chǎn)品庫(kù)，實(shí)現(xiàn)FTP、手機(jī)短信、電子郵件、官方微博等多途徑的快速發(fā)布。

5 南寧市2015年“5.04”短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程模擬驗(yàn)證與誤差分析

選擇南寧市2015年5月4日的一次短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程為例子，對(duì)南寧市主城區(qū)各自動(dòng)站實(shí)況雨量進(jìn)行插值計(jì)算，得到面雨量，并基于實(shí)際降水對(duì)積水深度進(jìn)行模擬。強(qiáng)降雨過(guò)程最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在4日下午16－17 時(shí)，最大小時(shí)雨量出現(xiàn)在青秀區(qū)人民公園36.1mm，面雨量計(jì)算結(jié)果如圖3 所示，南寧主城區(qū)都有不同程度的降水，大于30mm 的強(qiáng)降雨區(qū)比較分散，主要分布在人民公園、高速公路管理處附近，快環(huán)東北部的藥用植物園，南寧西部的石埠鎮(zhèn)等，小時(shí)雨量均在20mm 以上。

相應(yīng)的，出現(xiàn)積水較大的地方為明秀路中醫(yī)藥大學(xué)門(mén)口、衡陽(yáng)園湖路口、地鐵2 號(hào)線秀廂站、中馬桂花路口、仙葫大道天池山門(mén)前等地。

圖3 小時(shí)面雨量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig．3 Monitoring results of hourly surface rainfall

選取有實(shí)測(cè)積水深度的易澇點(diǎn)與模擬積水深度進(jìn)行對(duì)比(表2)。其中，明秀路中醫(yī)藥大學(xué)門(mén)口實(shí)測(cè)積水深度20cm，模擬深度15m，實(shí)際的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和模擬得到的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)都是四級(jí)，模擬結(jié)果與實(shí)際基本相符;地鐵2號(hào)線秀廂站實(shí)測(cè)積水深度22cm，模擬深度96m，結(jié)果存在較大偏差，模擬的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)，明顯偏高與實(shí)際的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)四級(jí)。中馬桂花路實(shí)測(cè)積水深度20cm，模擬深度21m，實(shí)際的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和模擬得到的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)都是四級(jí)，模擬結(jié)果與實(shí)際非常吻合。

表2 實(shí)際積水深度與模擬積水深度對(duì)比Tab．2 Comparison of actual and simulated depths of water accumulation

由上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)對(duì)于不同的內(nèi)澇點(diǎn)，模擬能力偏差很大。原因在于，一是城市降水空間分布不均，由自動(dòng)氣象觀測(cè)點(diǎn)雨量值來(lái)計(jì)算面雨量，并不能細(xì)致反映降雨的空間分布特征;二是由于城市快速發(fā)展，城市化建設(shè)進(jìn)程突飛猛進(jìn)，建筑密度和地面硬化面更新快，其次是隨著城市化建設(shè)，地下排水管網(wǎng)的管徑和管長(zhǎng)也不斷更新，管網(wǎng)局地排水能力也不盡相同，本模型的模擬并沒(méi)有獲得最新的實(shí)際管網(wǎng)數(shù)據(jù)和路面屬性數(shù)據(jù);三是由于標(biāo)本的數(shù)量、暴雨強(qiáng)度公式等因素就導(dǎo)致城市內(nèi)澇模型系統(tǒng)存在一定的誤差。這些因素都可能是造成個(gè)別點(diǎn)的模擬結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生偏差所致。例如地鐵2 號(hào)線秀廂站的小時(shí)積水量模擬結(jié)果明顯偏高，主要是由于該結(jié)果主要依賴(lài)于地形和產(chǎn)流的計(jì)算結(jié)果，但未能準(zhǔn)確的描述該地點(diǎn)的滲水能力和排水能力能力所致。

6 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)2009—2017年南寧市城市內(nèi)澇資料及其自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降雨資料，對(duì)城內(nèi)104 例內(nèi)澇過(guò)程進(jìn)行了時(shí)空特征分析，并對(duì)39 個(gè)內(nèi)澇點(diǎn)進(jìn)行了內(nèi)澇等級(jí)劃分;在介紹南寧市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)基礎(chǔ)上，基于精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和城市密集自動(dòng)雨量觀測(cè)站數(shù)據(jù)，對(duì)2015年5月4日的短時(shí)強(qiáng)降雨造成城市內(nèi)澇過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證分析，結(jié)果表明:(1)模擬結(jié)果與歷史描述基本相符，最大積水深度和位置基本一致，表明該系統(tǒng)具備一定的暴雨內(nèi)澇動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)能力，對(duì)提高城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估起到了一定作用;(2)由于標(biāo)本數(shù)量過(guò)少以及缺乏城市最新實(shí)際管網(wǎng)數(shù)據(jù)等信息，對(duì)于個(gè)別點(diǎn)預(yù)警值與實(shí)測(cè)值存在偏差，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，部分參數(shù)和致災(zāi)閥值需進(jìn)一步調(diào)整，比如可以不斷增加標(biāo)本以及更新城市最新實(shí)際管網(wǎng)數(shù)據(jù)等信息;(3)文中使用的是自動(dòng)氣象觀測(cè)點(diǎn)實(shí)況雨量模擬積水狀況，雖然積水過(guò)程存在一定滯后性，下一步考慮結(jié)合雷達(dá)估測(cè)降水QPE 資料，預(yù)警時(shí)間將大大提前。