南宁城市内涝分布特征及其监测预警系统应用分析

黄丹萍，白 龙

(广西南宁市气象局，广西 南宁 530029)

0 引言

我国气象灾害频发，其中城市暴雨造成的内涝灾害是影响城市安全建设、经济社会发展与居民生活安定的重要气象灾害之一。因此，暴雨内涝气象灾害防御工作事关社会经济可持续发展和人民生命财产安全，做好暴雨内涝防御工作刻不容缓［1－3］，如何加速完善城市暴雨内涝灾害防御机制也是当前城市建设亟待解决的重要问题。针对这一问题，国内很多城市的气象专家先后探讨了城市内涝成因及研究模型，并逐步建立了暴雨沥涝仿真模拟系统，在推动抗洪抢险救灾和恢复重建中发挥了重要作用［4－7］。

广西南宁地处北回归线附近，气候多变，灾害性天气频繁，突出表现在暴雨过于集中，常发生洪涝灾害。2016年6月14日，暴雨引发南宁所辖区县发生洪涝灾害，造成近10 万人受灾，因灾1人死亡、1 人失踪，直接经济损失5572 万元。近年来，由于南宁城市规模快速扩大，城市不透水地表面积迅速扩张，导致了南宁相对于其他城市的内涝灾害发生频率更频繁，城市对内涝及其衍生灾害的脆弱性也相对其他城市更加明显，对气象服务工作提出了更高的要求。因此，建立完善的城市内涝监测预警系统迫在眉睫，本文对南宁城市内涝分布特征进行分析，利用南宁市城市内涝气象监测预警系统对2015年南宁市短时强降雨过程进行模拟分析［8－10］。

1 资料来源及研究方法

利用2009—2017年南宁城管局实测内涝资料(含内涝隐患点名称、经纬度、内涝开始及结束时间、积水深度和积涝程度等)及南宁自动气象站逐小时降雨资料，对南宁市39 个易涝点进行等级分类，并用数理统计方法进行内涝深度与降雨关系分析。南宁城市内涝监测预警系统引入的是由德国Geomer 公司开发的FLOORAREA模式，该模型以城市排水系统为基础，模拟城市降雨地表径流和内涝的形成过程。模型的输入量主要为降水量，输出量为积水深度，模型所需的其它输入数据从国土资源局或其他方式获取，主要包括市区数字地形图、水系图(包含所有水面)、道路信息图、土地利用图和数字高程数据，城市排水工程信息通过城市排水管理处获取。河道地形信息通过城建部门和普查获取。

2 内涝等级划分

根据2009—2017年间南宁市出现的历史内涝积水信息及积涝形成的难易进行对比分析，并结合易涝点的社会性质和实际的影响大小(包含易涝点类型、人口密集程度、财产价值等)［11－12］，对市区12 个一级深度易涝点、15 个二级中度易涝点、12 个三级轻度易涝点再次进行内涝风险等级划分。经验表明，当积水深度达到5cm 以上时，就会对城市的正常运行产生一定影响，具体划分如表1 所示。

表1 南宁市易涝点内涝风险等级划分Tab．1 Grading classification of waterlogging risk in Nanning

3 分布特征

3.1 空间分布

2009—2017年南宁市共发生城市内涝104例，平均每年14.9 次。涉及内涝点39 个。其中青秀区19 个，西乡塘区10 个，兴宁区4 个，良庆区3 个，江南区3 个，邕宁区2 个，以中心城区即青秀区最多，内涝灾害发生的频数占到全市的51%。整体来看，内涝点分布极不均匀。排水能力的强弱是内涝发生频率高低的关键因素［5，7］，从内涝发生频率来看，最高是五一路，频率为12.5%，其次是北湖秀厢立交，频率为10.5%，东葛路及明秀西路并排第三，频率为6.7%。根据此等级划分标准并结合实际情况，对南宁39 个内涝点进行等级划分，一级深度易涝点:有12 个易涝点，这些站点在50mm/h以上降雨时，出现25cm 以上内涝风险极大，甚至出现积水深度达50cm 以上的积涝。二级中度易涝点:有15 个站点，50mm/h 以上降雨时，将会出现10cm 以上积涝，有时会出现30cm 以上积水。三级轻度易涝点:有12 个站点，当50mm/h 降水时，容易出现3～10cm 的积水，有时会出现25cm以上的积水。

3.2 时间分布

如图1 所示，内涝灾害主要出现在短时强降水多发的4－10月，内涝过程从5月开始迅速增大，5－7月处于高峰期，占内涝总次数的69%，8月份开始减少，10月份的内涝次数增加是由于秋季台风所造成。

图1 南宁市4－10月的内涝发生次数Fig．1 Number of waterlogging events in Nanning from April to October

如图2 所示，对104 例内涝个例统计分析得出:内涝主要发生时段为05－08 时、08－10 时、13－14 时、16－18 时、20－23 时。可以看出，城市内涝的日变化有两个明显的高发时段，第一时段为16－18 时，此时正值交通运行高峰期，这与南宁多发午后对流相对应;第二时段为20－23 时。

图2 南宁市内涝发生时段分布Fig．2 Distribution of waterlogging periods in Nanning

4 南宁市暴雨内涝监测预警系统构建

城市暴雨内涝数学模型是建立城市防汛信息系统、模拟出预报和监测的暴雨内涝积水过程的重要研究手段。引入天津市城市内涝模型的算法［8－9］，该模型以城市地表与明渠河道水流运动为模拟对象，应用有限体积法，采用无结构不规则网格设计计算区域。地表模拟采用简化的二维非恒定流方程，河道和排水灌网则采用一维非恒定流方程。堤坝采用的是宽定堰溢流公式。

南宁市暴雨内涝监测预警系统基于南宁市区内涝隐患点信息以及气象站雨量信息，能够实时更新各隐患点的内涝气象风险等级，具备直观、高效的图形展示和方便快捷的一键式内涝风险预警产品制作、发布功能，利用此系统能够进行南宁市城市内涝气象风险精细化预报预警服务。主要技术原理是将强降雨天气中自动气象站的逐小时雨量数据插值得到的面雨量数据，与用FloorArea 水文模型模拟出的各隐患点不同内涝等级临界面雨量阈值进行对比［10，12］，当气象站实时雨量差值得到的面雨量达到各隐患点对应内涝风险等级的临界面雨量阈值时，即提示该隐患点发生城市内涝气象风险达到相对级别。其具体方法为:通过暴雨强度公式得到南宁市出现内涝的7 个重现期对应3 小时的逐小时雨量，将内涝重现期对应雨量数据及各隐患点排水管网减排能力数据代入FloorArea 模式以小时为步长计算淹没速度，并采用反距离加权(Inverse Distance Weighted，IDW)方法，得到隐患点内涝风险等级的临界面雨量值，系统实时监测气象站雨量数据，当由实时雨量数据计算得到面雨量大于某隐患点内涝风险临界面雨量阈值，即提示该处有发生对应等级城市内涝气象风险，并整合积水网格、监测预警和影响预估等产品写入业务产品库，实现FTP、手机短信、电子邮件、官方微博等多途径的快速发布。

5 南宁市2015年“5.04”短时强降雨过程模拟验证与误差分析

选择南宁市2015年5月4日的一次短时强降雨过程为例子，对南宁市主城区各自动站实况雨量进行插值计算，得到面雨量，并基于实际降水对积水深度进行模拟。强降雨过程最强时段出现在4日下午16－17 时，最大小时雨量出现在青秀区人民公园36.1mm，面雨量计算结果如图3 所示，南宁主城区都有不同程度的降水，大于30mm 的强降雨区比较分散，主要分布在人民公园、高速公路管理处附近，快环东北部的药用植物园，南宁西部的石埠镇等，小时雨量均在20mm 以上。

相应的，出现积水较大的地方为明秀路中医药大学门口、衡阳园湖路口、地铁2 号线秀厢站、中马桂花路口、仙葫大道天池山门前等地。

图3 小时面雨量监测结果Fig．3 Monitoring results of hourly surface rainfall

选取有实测积水深度的易涝点与模拟积水深度进行对比(表2)。其中，明秀路中医药大学门口实测积水深度20cm，模拟深度15m，实际的内涝风险等级和模拟得到的内涝风险等级都是四级，模拟结果与实际基本相符;地铁2号线秀厢站实测积水深度22cm，模拟深度96m，结果存在较大偏差，模拟的内涝风险等级为二级，明显偏高与实际的内涝风险等级四级。中马桂花路实测积水深度20cm，模拟深度21m，实际的内涝风险等级和模拟得到的内涝风险等级都是四级，模拟结果与实际非常吻合。

表2 实际积水深度与模拟积水深度对比Tab．2 Comparison of actual and simulated depths of water accumulation

由上述结果发现，系统对于不同的内涝点，模拟能力偏差很大。原因在于，一是城市降水空间分布不均，由自动气象观测点雨量值来计算面雨量，并不能细致反映降雨的空间分布特征;二是由于城市快速发展，城市化建设进程突飞猛进，建筑密度和地面硬化面更新快，其次是随着城市化建设，地下排水管网的管径和管长也不断更新，管网局地排水能力也不尽相同，本模型的模拟并没有获得最新的实际管网数据和路面属性数据;三是由于标本的数量、暴雨强度公式等因素就导致城市内涝模型系统存在一定的误差。这些因素都可能是造成个别点的模拟结果与实际产生偏差所致。例如地铁2 号线秀厢站的小时积水量模拟结果明显偏高，主要是由于该结果主要依赖于地形和产流的计算结果，但未能准确的描述该地点的渗水能力和排水能力能力所致。

6 结论与讨论

通过对2009—2017年南宁市城市内涝资料及其自动气象站逐小时降雨资料，对城内104 例内涝过程进行了时空特征分析，并对39 个内涝点进行了内涝等级划分;在介绍南宁市内涝监测预警和风险评估系统基础上，基于精细化数值预报产品和城市密集自动雨量观测站数据，对2015年5月4日的短时强降雨造成城市内涝过程进行了验证分析，结果表明:(1)模拟结果与历史描述基本相符，最大积水深度和位置基本一致，表明该系统具备一定的暴雨内涝动态监测预报能力，对提高城市暴雨内涝灾害的监测预警和风险评估起到了一定作用;(2)由于标本数量过少以及缺乏城市最新实际管网数据等信息，对于个别点预警值与实测值存在偏差，在系统运行过程中，部分参数和致灾阀值需进一步调整，比如可以不断增加标本以及更新城市最新实际管网数据等信息;(3)文中使用的是自动气象观测点实况雨量模拟积水状况，虽然积水过程存在一定滞后性，下一步考虑结合雷达估测降水QPE 资料，预警时间将大大提前。