楊慧燕，王婷，高美譚，吳堅(jiān)鈴，李黎微

（1.廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430；2.廣州市荔灣區(qū)氣象局，廣東廣州 511430；3.廣州市黃埔區(qū)氣象局，廣東廣州 511430）

氣象災(zāi)害是一種最為常見的自然災(zāi)害，粵港澳地處珠江三角洲平原，受熱帶天氣系統(tǒng)影響頻繁，暴雨、強(qiáng)對(duì)流等氣象及其衍生災(zāi)害尤為突出［1-3］。近年來，廣州暴雨強(qiáng)度增大、極端暴雨日數(shù)增多，加上廣州城市化進(jìn)程的加速，加劇了城市內(nèi)澇的發(fā)生，并極易在地勢(shì)低洼處、立交橋底、交通隧道地段產(chǎn)生積水內(nèi)澇［4-8］。統(tǒng)計(jì)指出，發(fā)生在廣州的短時(shí)強(qiáng)降水事件中93%的短時(shí)強(qiáng)降水屬于局地性強(qiáng)降水，75%左右的內(nèi)澇過程最大積水時(shí)間在3 h以內(nèi)，可見廣州城市內(nèi)澇與暴雨，特別是短歷時(shí)強(qiáng)降水有著密切的聯(lián)系。

為做好暴雨致澇的研究工作，國內(nèi)外不少學(xué)者開始研究降水閾值和其致澇的特征［9-14］。史軍等［15］利用2007—2012年的暴雨過程，對(duì)上海暴雨強(qiáng)度和內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果表明，暴雨積水與暴雨發(fā)生時(shí)間相比有明顯的滯后效應(yīng)，應(yīng)該關(guān)注暴雨出現(xiàn)初始的1 h降水強(qiáng)度和2 h累計(jì)雨量；姜曉芩等［16］利用2017—2019期間發(fā)生的內(nèi)澇事件，對(duì)內(nèi)澇特征及內(nèi)澇與降雨的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)澇事件多發(fā)生在前汛期，以5月最多，短時(shí)強(qiáng)降雨比長(zhǎng)時(shí)間降雨更容易導(dǎo)致城區(qū)發(fā)生內(nèi)澇；楊帆等［17］統(tǒng)計(jì)了佛山1980—2010年的最大1 h地面平均降雨量，得到年最大1 h降雨序列，采用序列趨勢(shì)變化分析和暴雨頻率變化統(tǒng)計(jì)，對(duì)暴雨和潮位的概率進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)果表明，佛山城區(qū)暴雨次數(shù)呈增大趨勢(shì)，且暴雨和高潮位遭遇的可能性較大，風(fēng)險(xiǎn)概率較高。

上述研究結(jié)果集中表明，暴雨（尤其是短歷時(shí)的強(qiáng)降水）是造成內(nèi)澇災(zāi)害的重要原因，暴雨過程對(duì)內(nèi)澇災(zāi)情的貢獻(xiàn)作用明顯，而內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)與暴雨過程雨量、雨強(qiáng)顯著相關(guān)，但目前，尚缺乏針對(duì)不同強(qiáng)降水頻率下廣州市各區(qū)內(nèi)澇災(zāi)情的發(fā)生頻率及特點(diǎn)的研究，未能很好反映降水與致澇的相關(guān)性，因此，本研究利用近10年暴雨過程致澇的個(gè)例和自動(dòng)氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)，分析短時(shí)強(qiáng)降水特征與內(nèi)澇災(zāi)情的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系，了解致災(zāi)性強(qiáng)降水的主要特點(diǎn)，從而給出廣州暴雨內(nèi)澇雨量閾值。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本研究主要采用的信息來源主要是水務(wù)部門排水管理中心提供的2010—2020年內(nèi)澇災(zāi)情信息。通過整理排水中心的暴雨防御簡(jiǎn)報(bào)和一雨一報(bào)表，獲取了廣州市內(nèi)澇隱患點(diǎn)及每次內(nèi)澇過程的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、積水深度、積水原因、搶險(xiǎn)措施等信息。對(duì)各內(nèi)澇點(diǎn)與附近自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，收集內(nèi)澇過程發(fā)生時(shí)自動(dòng)氣象站的降水時(shí)間、降雨量等數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，主要針對(duì)異常值進(jìn)行查找剔除，如個(gè)例中最大降水量超過了自動(dòng)站數(shù)據(jù)，則回查該記錄的原始數(shù)據(jù)，并查找當(dāng)天實(shí)況記錄，如確定異常則進(jìn)行剔除；針對(duì)內(nèi)澇個(gè)例數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間連續(xù)性檢查，必須確保該過程有連續(xù)記錄，以保證個(gè)例的完整性和準(zhǔn)確性。

經(jīng)整理排水中心提供的內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)廣州各區(qū)內(nèi)澇點(diǎn)的空間分布特征，目前廣州全市共有474個(gè)內(nèi)澇隱患點(diǎn)，主要分布在廣州中部的白云、天河、越秀、荔灣、海珠、黃埔等各區(qū)；而北部的從化及南部的南沙地區(qū)內(nèi)澇點(diǎn)較少。近年來內(nèi)澇過程次數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中發(fā)生內(nèi)澇次數(shù)最多的是市政道路，其次是涵隧立交。

1.2 研究方法

本研究基于2010—2020年廣州發(fā)生內(nèi)澇個(gè)例和氣象站逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，首先，將內(nèi)澇個(gè)例數(shù)據(jù)按3種不同道路類型進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，通過分析不同降水強(qiáng)度和降水持續(xù)時(shí)間對(duì)城市內(nèi)澇的影響，分析前期降雨速率與內(nèi)澇的關(guān)系；然后，按照城鎮(zhèn)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)選取3種不同道路類型（涵隧立交、市政道路和內(nèi)巷小區(qū)）的內(nèi)澇個(gè)例數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析并驗(yàn)證內(nèi)澇過程與降水強(qiáng)度和積水深度的時(shí)空動(dòng)態(tài)關(guān)系；最后，基于前面綜合暴雨過程和單個(gè)內(nèi)澇個(gè)例的分析結(jié)果，采用線性回歸和概率密度法給出各內(nèi)澇點(diǎn)不同內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)內(nèi)澇雨量閾值指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣州內(nèi)澇特征分析

1）暴雨內(nèi)澇與降雨開始后累計(jì)雨量的關(guān)系。

圖1是2010—2020年涵隧立交、市政道路、內(nèi)巷小區(qū)發(fā)生內(nèi)澇時(shí)自動(dòng)氣象站最大累計(jì)降雨量，從圖1可以看出，涵隧立交發(fā)生內(nèi)澇時(shí)主要是由1～2 h的集中降水導(dǎo)致的；而市政道路和內(nèi)巷小區(qū)除了1～2 h的強(qiáng)降水造成，還有部分個(gè)例包括了3 h的累計(jì)雨量。因此，造成內(nèi)澇的降水主要特點(diǎn)是短歷時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度大、持續(xù)降水累計(jì)雨量大。涵隧立交主要考慮1～2 h最大累計(jì)降雨量與內(nèi)澇的關(guān)系密切；市政道路和內(nèi)巷小區(qū)在選擇內(nèi)澇雨量閾值指標(biāo)時(shí)，不僅要考慮1 h降水強(qiáng)度，還要考慮2～3 h累計(jì)雨量。

圖1 廣州市不同道路類型的內(nèi)澇過程最大累計(jì)雨量

2）暴雨內(nèi)澇與前期降水及降水速率的關(guān)系。

進(jìn)一步分析內(nèi)澇與降水強(qiáng)度和前期降水的關(guān)系特征，圖2a結(jié)果表明，暴雨內(nèi)澇與暴雨發(fā)生時(shí)間相比，具有明顯的滯后性，滯后降水時(shí)間在2 h以內(nèi)的占61%以上。確定暴雨內(nèi)澇閾值，除關(guān)注內(nèi)澇與降雨發(fā)生的時(shí)間外，還應(yīng)關(guān)注發(fā)生內(nèi)澇前的降水速率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)滯后時(shí)間與降水速率成反比關(guān)系，降水速率越強(qiáng)則滯后時(shí)間越短，30 min以內(nèi)發(fā)生內(nèi)澇的降雨速率為1.5 mm／min，60 min以內(nèi)發(fā)生內(nèi)澇的降雨速率為1 mm／min，120min以內(nèi)發(fā)生內(nèi)澇的降雨速率為0.5 mm／min，120 min以后發(fā)生內(nèi)澇的降雨速率在0.5 mm／min以下（圖2b）。

圖2 廣州市內(nèi)澇與降水時(shí)間（a）及降水速率（b）的關(guān)系

2.2 廣州市歷史內(nèi)澇過程累計(jì)雨量和積水深度的特征

1）致澇的雨量特征和內(nèi)澇等級(jí)。

分析近10年（2010—2020年）內(nèi)澇過程對(duì)應(yīng)的最大積水深度和自動(dòng)氣象站的降雨量，發(fā)現(xiàn)內(nèi)澇過程中最大小時(shí)雨量在19.2～125.8 mm，過程累計(jì)雨量在27.2～322.7 mm。最大小時(shí)雨量主要集中在20～50 mm，占60%；過程累計(jì)雨量最多是在50～85 mm，占37.5%；100 mm以上的累計(jì)雨量占35%（圖3a-b）。

圖3 廣州市致澇的雨量特征

根據(jù)廣州市城鎮(zhèn)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將輕度內(nèi)澇對(duì)應(yīng)Ⅳ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，中度內(nèi)澇對(duì)應(yīng)Ⅲ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，重度內(nèi)澇對(duì)應(yīng)Ⅱ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，因水務(wù)局內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)中未有（Ⅰ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，參考國家標(biāo)準(zhǔn)將＞120 cm積水深度定為Ⅰ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)［18］。從圖3c可以發(fā)現(xiàn)不同的道路類型主要發(fā)生的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是有所區(qū)別的，涵隧立交積水深度主要是集中在Ⅲ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)應(yīng)35～40 cm的積水深度；而市政道路則是集中發(fā)生在Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)應(yīng)30～120 cm的積水深度；而內(nèi)巷小區(qū)主要集中發(fā)生在Ⅱ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的是40～120 cm的積水深度，由此可知，3種道路類型在Ⅰ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)發(fā)生的占比是最少的，而主要集中Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的占比較多。

2）不同道路類型個(gè)例1～3 h降雨量與內(nèi)澇關(guān)系。

為了進(jìn)一步了解積水深度和降水的關(guān)系，選取了涵隧立交中的天河立交、市政道路中的中新鎮(zhèn)國道G324線、內(nèi)巷小區(qū)中的黃村片區(qū)作為個(gè)例來進(jìn)行分析，其中天河立交累計(jì)雨量達(dá)15 mm，小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到12mm／h時(shí)就開始發(fā)生積澇；中新鎮(zhèn)國道G324線累計(jì)雨量達(dá)25 mm，小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到20 mm／h時(shí)就開始發(fā)生積澇；黃村片區(qū)累計(jì)雨量達(dá)20 mm，小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到15 mm／h時(shí)就開始發(fā)生積澇。從圖4可以看出，雖然不同內(nèi)澇點(diǎn)致澇的降水強(qiáng)度有所不同，但隨著降水強(qiáng)度的增大，內(nèi)澇積水深度緩慢上升。中新鎮(zhèn)國道G324線積水深度在20～60 cm之間，黃村片區(qū)積水深度則在20～40 cm之間，天河立交的積水深度相比其他兩種道路類型，更容易發(fā)生內(nèi)澇積水，其積水深度在10～60 cm之間。

圖4 廣州市不同道路類型內(nèi)澇過程1～3 h雨量與內(nèi)澇積水程度關(guān)系

內(nèi)澇不僅與降水強(qiáng)度相關(guān)，也與降水持續(xù)過程的雨量相關(guān)，為了更直觀地了解不同類型的致澇降水特征，取涵隧立交、市政道路和內(nèi)巷小區(qū)中3個(gè)個(gè)例來進(jìn)行分析。綜合分析各內(nèi)澇點(diǎn)對(duì)應(yīng)發(fā)生的歷史內(nèi)澇過程降水量，采用概率密度統(tǒng)計(jì)方法取雨量值中位數(shù)確定各內(nèi)澇點(diǎn)的1～6 h降水閾值，從圖5中可以看出，3種不同類型內(nèi)澇點(diǎn)Ⅱ～Ⅳ級(jí)不同內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的致澇雨量閾值，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：1～3 h雨量閾值呈上升趨勢(shì)，4～6 h后雨量閾值基本持平，這也說明3 h以內(nèi)的降水是造成內(nèi)澇的關(guān)鍵因素。

圖5 廣州市1～6 h內(nèi)澇臨界雨量閾值

3 廣州暴雨內(nèi)澇閾值的建立及業(yè)務(wù)檢驗(yàn)

3.1 內(nèi)澇臨界雨量閾值制定

通過分析發(fā)現(xiàn)，短歷時(shí)強(qiáng)降水是廣州城市內(nèi)澇的主要誘因，故將降水開始至水浸發(fā)生時(shí)的累計(jì)雨量定義為內(nèi)澇致災(zāi)臨界雨量。通過統(tǒng)計(jì)歷史內(nèi)澇過程，發(fā)現(xiàn)內(nèi)澇發(fā)生時(shí)平均有60%過程雨量集中在1 h內(nèi)，80%的過程雨量集中2 h內(nèi)，即內(nèi)澇與2 h內(nèi)的短歷時(shí)強(qiáng)降水密切相關(guān)，故選取1和2 h雨量作為內(nèi)澇雨量閾值。另外，由于廣州珠江水系為感潮水系，高潮位會(huì)對(duì)內(nèi)河涌形成頂托，影響排澇能力，進(jìn)而對(duì)內(nèi)澇的形成和嚴(yán)重程度產(chǎn)生重要影響，標(biāo)準(zhǔn)在統(tǒng)計(jì)內(nèi)澇降雨等級(jí)時(shí)分為高潮期（含天文大潮和風(fēng)暴潮影響時(shí)段）和非高潮期兩類。故本研究采用概率密度統(tǒng)計(jì)方法，通過分析歷史內(nèi)澇個(gè)例，按不同內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同道路類型取25%百分位對(duì)應(yīng)的雨量值確定為致澇雨量閾值，并分為高潮期和非高潮期，具體雨量閾值如表1所示。

表1 廣州市高潮期、非高潮期內(nèi)澇降雨閾值

3.2 廣州暴雨內(nèi)澇閾值業(yè)務(wù)檢驗(yàn)

為了更深入對(duì)內(nèi)澇點(diǎn)閾值進(jìn)行檢驗(yàn)，選擇廣州市2022年出現(xiàn)的內(nèi)澇過程數(shù)據(jù)，對(duì)暴雨內(nèi)澇閾值指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。2022年水務(wù)部門共提供了11次內(nèi)澇過程數(shù)據(jù)，根據(jù)過程暴雨內(nèi)澇雨量閾值，對(duì)應(yīng)為內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，內(nèi)澇點(diǎn)預(yù)警命中率有8次是100%，5次是70%～80%之間，預(yù)警等級(jí)與實(shí)況等級(jí)一致的最高達(dá)50%，預(yù)警等級(jí)與實(shí)況等級(jí)誤差1級(jí)的最高達(dá)67%，預(yù)警提前量一般在0.5～2 h之間。因此，本研究所選取的內(nèi)澇閾值指標(biāo)對(duì)暴雨內(nèi)澇預(yù)報(bào)、預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有較好的參考價(jià)值。

表2 2022年廣州市內(nèi)澇預(yù)警與實(shí)況等級(jí)對(duì)比

4 結(jié)論

1）廣州市內(nèi)澇過程次數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，發(fā)生內(nèi)澇次數(shù)最多的是市政道路，其次是涵隧立交。

2）近10年（2010—2020年）廣州市內(nèi)澇過程統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)澇過程中最大小時(shí)雨量主要集中在20～50 mm，占60%；過程累計(jì)雨量最多是在50～85 mm，占37.5%；100 mm以上的累計(jì)雨量占35%，這也說明降雨量的大小是致澇的關(guān)鍵因素。

3）不同的道路類型主要發(fā)生的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是有所區(qū)別的，3種不同道路類型在Ⅰ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)發(fā)生的占比是最少的；而主要集中Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的占比較多。

4）涵隧立交發(fā)生內(nèi)澇時(shí)主要是由1～2 h的集中降水導(dǎo)致的，而市政道路和內(nèi)巷小區(qū)除了1～2 h的強(qiáng)降水造成，還有部分個(gè)例包括3 h的累計(jì)雨量。因此，造成內(nèi)澇的降水主要特點(diǎn)是：短歷時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度大、持續(xù)降水累計(jì)雨量大。

5）暴雨內(nèi)澇與暴雨發(fā)生時(shí)間相比，具有明顯的滯后性，滯后降水時(shí)間在2 h以內(nèi)的占61%以上。

6）3種不同道路類型的不同內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：1～3 h雨量閾值呈上升趨勢(shì)，4～6 h后雨量閾值基本持平，這也說明3 h以內(nèi)的降水是造成內(nèi)澇的關(guān)鍵因素。

7）內(nèi)澇與兩個(gè)小時(shí)內(nèi)的短歷時(shí)強(qiáng)降水密切相關(guān)，選取1和2 h雨量作為內(nèi)澇雨量閾值，并通過歷史內(nèi)澇過程分析不同道路類型的高潮期和非高潮期的致澇雨量閾值。