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中山市城市內澇預警等級劃分的初步探究

2021-01-06 03:32李穎昕肖巧潔李毅恒施含冰
廣東氣象 2020年6期
關鍵詞:水尺內澇中山市

李穎昕,肖巧潔,李毅恒,施含冰

(中山市氣象局,廣東中山 528400)

隨著社會城市化不斷發(fā)展,當城市在不合理的發(fā)展時,地表的吸水能力和排水能力被削弱,容易出現(xiàn)城市內澇。2008—2010年全國62%的城市發(fā)生過城市內澇,2012—2014年廣東沿海地區(qū)出現(xiàn)了城市內澇災害[1]。

通過對國內城市內澇的研究,表明影響城市內澇的主要因素有地表徑流,地下滲透,城市排水能力等。地表徑流主要受降水影響的因素有降雨級別、降雨時間、降雨強度、累積雨量。陳曉燕等[2]運用雨洪模型模擬降雨事件下的地表徑流深度,在暴雨、大暴雨和特大暴雨時,滲透面積比例對地表徑流的影響更大;尤鳳春等[3]研究北京市汛期的積水與降水強度進行相關統(tǒng)計分析,得出道路積水臨界預警指標建立暴雨積澇風險等級預警模型;郭廣芬等[4]利用耿貝爾極值I型分布和百分位法分析研究湖北省暴雨洪澇各等級的閾值;史軍等[5]研究上海市暴雨積水與降水強度以及累積雨量的關系,得出城市暴雨積水程度與累積雨量的密切相關和暴雨內澇閾值;李蘭等[6]利用GIS暴雨洪澇淹沒模型計算城市10年一遇小時雨量的分布情況,得出致災因素是地表流經(jīng)、地下滲透、城市排水管網(wǎng)、排水能力;呂玉環(huán)等[7]研究降水強度在不同時長的平均降水量得出道路積水臨界預警指標;戴晶晶等[8]利用InfoWorks ICM建立防洪、除澇、排水的數(shù)學模型模擬24 h降雨量分析城市內澇的風險等級;錢津[9]利用氣象、水文、地理數(shù)據(jù)再用GIS對城市內澇的數(shù)值模擬數(shù)值模擬,得出城市內澇災害積水的分布、深度等特征;尹志聰?shù)龋?0]等利用城市內澇數(shù)值模型模擬積水深度變化情況,根據(jù)地表、河道溝渠、排水管網(wǎng)等數(shù)據(jù)模擬出積水深度。

近年來中山市多個地區(qū)發(fā)生了由短時強降水過程引起的城市內澇。本研究以中山市為例,利用中山市東區(qū)自動氣象站的降雨數(shù)據(jù)與電子水尺監(jiān)測的積水數(shù)據(jù),布設15個電子水尺實現(xiàn)實時監(jiān)測積水深度的目的(圖略),分析研究降雨量與積水深度的關系得出城市內澇的預警等級劃分。

1 資料與方法

本研究利用中山市國家基準觀測站歷史暴雨數(shù)據(jù),得出中山市各級別雨量出現(xiàn)概率、汛期(4—9月)降雨特點、暴雨日數(shù)以及暴雨日數(shù)和暴雨雨量的關系;利用分類整理降水小時數(shù)據(jù),得出中山市極端降水氣候閾值特征。積水數(shù)據(jù)包括2019年4—9月電子水尺逐日的積水數(shù)據(jù);市政排水所積水排水的資料,包括時間、地點、重點地區(qū)技術深度以及影響等。

考慮降雨數(shù)據(jù)與電子水尺時間和位置的一致性,本研究采用電子水尺監(jiān)測系統(tǒng)所在的東區(qū)自動氣象站2019年4—9月的小時降雨數(shù)據(jù)序列,匹配分析15個電子水尺監(jiān)測系統(tǒng)的積水數(shù)據(jù)和自動站降水數(shù)據(jù),研究雨量與各地點積水深度的關系以及道路通行情況,從而確定中山市內澇預警閾值指標。

本研究利用百分位數(shù)法確定中山市區(qū)域內暴雨氣候極端降水閾值。百分位數(shù)是一種未知指標,常用于表示一組樣本值在某百分位置上的水平,多個百分位結合使用,可全面地描述資料的分布特征。百分位數(shù)法的計算采用以下的經(jīng)驗公式:

其中,Hi(p)為第i個百分位置;X為順序排列后的樣本序列;p為百分位數(shù);n為序列總數(shù);j為第j個序列數(shù);y為第j+1個序列數(shù)權重。

2 中山市城市內澇預警閾值

2.1 降水氣候特征

中山市每年4—9月降水頻繁,稱為雨季,或稱為“汛期”。中山市汛期降雨量占全年總雨量的82%。由于雨季前期和后期造成的降雨天氣系統(tǒng)不一樣,分為前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月)。中山市降雨量主要集中在夏季,其中月平均降雨量最多的是6月,占全年平均雨量的18%,其次是8月,占全年雨量的15%。汛期期間中山市降水頻發(fā),城市內澇也隨之增加。

2.2 暴雨內澇氣候極端降水特征

統(tǒng)計中山市國家級觀測站1995—2019年的汛期(4—9月)觀測數(shù)據(jù)進行分類整理降水小時數(shù)據(jù),采用百分位數(shù)法,統(tǒng)計分析出中山市極端降水特征,得到小時降水強度的極端降水閾值。運用IPCC對極端降水事件的定義,以年為時限,對中山站的小時降水量通過升序排列,采用不同的百分位點(99%、95%、90%、80%、60%)的累積分布函數(shù)值為中山市極端天氣事件的閾值。把研究城市內澇洪澇的等級設定分為5級,分別將不同百分位對應的降水量作為洪澇指標的臨界值,介于60% ~80%為漬澇,80% ~90%為輕澇,90%~95%為一般洪澇,95% ~99%為較重洪澇,>99%為嚴重洪澇。分析可以看出,中山市小時降水量嚴重洪澇氣候臨界閾值在32~38 mm之間。

2.3 城市內澇風險預警等級劃分

城市內澇風險預警等級需要制定一個清晰可分的標準。內澇風險預警等級以積水深度和一定時間內的降雨量組合標準進行劃分是一個比較合理的辦法,根據(jù)中山市城區(qū)內的電子水尺的歷史積水數(shù)據(jù),結合實際本研究將城市內澇風險等級劃分為4級:有一定風險、風險較高、風險高、風險很高,依次用藍、黃、橙、紅顏色預警表示。對應積水深度分別為:有一定風險,積水深度小于0.05 m;風險較高,積水深度在0.05~0.10 m;風險高,積水深度在0.10~0.15m;風險很高,積水深度大于0.15 m。為了驗證該分級的合理性,選取中山市2019年4—9月電子水尺積水數(shù)據(jù)進行排序,發(fā)現(xiàn)其99%分位為0.18 m、95%分位為0.12 m、90%分位為0.08 m、80%分位為0.06 m,說明以上基于積水深度的內澇風險等級劃分在本地有一定的合理性。

統(tǒng)計2019年汛期(4—9月)電子水尺監(jiān)測系統(tǒng)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù),定義內澇風險較高(任意一個電子水尺積水>0.05 m)為一次積水事件,并統(tǒng)計對應積水事件發(fā)生時的多小時最大累計降雨量占6 h總累計雨量的比例(圖1)可見,1 h最大雨量占6 h最大累計雨量超過60%的個例為41個(47%),2 h累計最大雨量占6 h最大累計雨量超過60%的個例數(shù)為62個(71%),3 h累計最大雨量站6 h最大累計雨量超過60%的個數(shù)為73個(84%)。由此可見,在引起內澇時間的強降雨個例中,前3 h,尤其是1 h最大雨量和2 h最大累計雨量占有較大比重。因此在選擇內澇預警等級指標的雨量指標時,應重點考慮1~2 h內的降水量。

根據(jù)前述的積水深度對應的內澇風險等級,將資料期內內澇個例按照4個等級進行分級,得出每個級別中短時強降水累計雨量序列,并剔除其中異常值,統(tǒng)計其上下限,得出相對應內澇風險等級中的雨量閾值(圖2),與電子水尺的積水深度一起構成內澇風險預警級別的劃分標準,如表1所示。

圖1 2019年4—9月,各積水事件對應1~6 h降雨量占累計雨量比例

圖2 四個內澇等級對應1或2 h降雨量分布

表1 中山市城市內澇預警等級劃分

為了驗證該級別劃分的合理性,分析2019年汛期(4—9月)電子水尺監(jiān)測系統(tǒng)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和中山市東區(qū)自動氣象站的數(shù)據(jù),研究1或2 h雨量與東區(qū)15個電子水尺的積水深度的關系。4—9月共有183 d,統(tǒng)計每天15個電子水尺的積水深度,得出對應閾值的積水點個數(shù)序列。序列表明,電子水尺的積水個數(shù)與積水深度程遞減關系,如表2所示。

表2 2019年4—9月中山市東區(qū)15個電子水尺每月各等級積水點的個數(shù)

另根據(jù)位于電子水尺系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)內的東區(qū)氣象自動站(G2006)的數(shù)據(jù),統(tǒng)計2019年汛期相應閾值的1或2 h降雨量滿足上述閾值所出現(xiàn)的個數(shù)的時間系列(表略)。計算滿足閾值降雨量序列和積水點序列的相關系數(shù),發(fā)現(xiàn)對于<0.05 m積水點與(5.0 mm>1 h雨量>3.0 mm或7.0 mm>2 h雨量>3.0 mm)雨量出現(xiàn)個數(shù)、0.05~0.10 m的積水點與(18.0 mm>1 h雨量>5.0mm或22.0mm>2 h雨量>7.0mm)雨量出現(xiàn)個數(shù)、0.10~0.15 m的積水點與(1 h雨量>18.0 mm或2 h雨量>22.0 mm)雨量出現(xiàn)個數(shù)、>0.15 m的積水點與(1 h雨量>18.0 mm或2 h雨量>22.0 mm)雨量出現(xiàn)個數(shù)相關性最高,相關系數(shù)為0.6~0.8。該結果說明初步的內澇災害預警等級有一定的合理性。

3 結論

本研究利用中山國家觀測站降雨數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析得出中山市小時降水量的嚴重洪澇氣候臨界閾值在32~38 mm之間。通過對中山市雨量和積水點的匹配分析,得出由積水深度和1或2 h降雨量組合而成的中山市城市內澇風險預警等級劃分指標(4個等級):有一定風險,為積水深度在0.05m以下并且1 h降雨量<3.0mm且2 h降雨量<3.0 mm;風險較高,積水深度在0.05~0.10 m并且5.0 mm>1 h降雨量>3.0 mm或7.0 mm>2 h降雨量>3.0 mm;風險高,積水深度在0.10~0.15 m并且18.0 mm>1 h降雨量>5.0 mm或22.0 mm>2 h降雨量>7.0 mm;風險很高,積水深度>0.15 m并且1 h降雨量>18.0 mm或2 h降雨量>22.0 mm,依次用藍、黃、橙、紅色預警表示。

研究閾值的小時雨量序列和積水點序列的相關系數(shù),發(fā)現(xiàn)對于<0.05 m積水點與5.0 mm>1 h雨量>3.0 mm或7.0 mm>2 h雨量>3.0 mm雨量出現(xiàn)個數(shù)、0.05~0.10 m的積水點與18.0 mm>1 h雨量>5.0 mm或22.0mm>2 h雨量>7.0 mm雨量出現(xiàn)個數(shù)、0.10~0.15 m的積水點與1 h雨量>18.0 mm或2 h雨量>22.0 mm雨量出現(xiàn)個數(shù)、>0.15 m的積水點與1 h雨量>18.0mm或2 h雨量>22.0 mm雨量出現(xiàn)個數(shù)相關性最高,相關系數(shù)為0.6~0.8。該結果說明初步的內澇災害預警等級有一定的合理性。中山市城市內澇預警等級劃分可以應用在實際中。

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