中山市城市内涝预警等级划分的初步探究

李颖昕，肖巧洁，李毅恒，施含冰

（中山市气象局，广东中山 528400）

随着社会城市化不断发展，当城市在不合理的发展时，地表的吸水能力和排水能力被削弱，容易出现城市内涝。2008—2010年全国62%的城市发生过城市内涝，2012—2014年广东沿海地区出现了城市内涝灾害［1］。

通过对国内城市内涝的研究，表明影响城市内涝的主要因素有地表径流，地下渗透，城市排水能力等。地表径流主要受降水影响的因素有降雨级别、降雨时间、降雨强度、累积雨量。陈晓燕等［2］运用雨洪模型模拟降雨事件下的地表径流深度，在暴雨、大暴雨和特大暴雨时，渗透面积比例对地表径流的影响更大；尤凤春等［3］研究北京市汛期的积水与降水强度进行相关统计分析，得出道路积水临界预警指标建立暴雨积涝风险等级预警模型；郭广芬等［4］利用耿贝尔极值I型分布和百分位法分析研究湖北省暴雨洪涝各等级的阈值；史军等［5］研究上海市暴雨积水与降水强度以及累积雨量的关系，得出城市暴雨积水程度与累积雨量的密切相关和暴雨内涝阈值；李兰等［6］利用GIS暴雨洪涝淹没模型计算城市10年一遇小时雨量的分布情况，得出致灾因素是地表流经、地下渗透、城市排水管网、排水能力；吕玉环等［7］研究降水强度在不同时长的平均降水量得出道路积水临界预警指标；戴晶晶等［8］利用InfoWorks ICM建立防洪、除涝、排水的数学模型模拟24 h降雨量分析城市内涝的风险等级；钱津［9］利用气象、水文、地理数据再用GIS对城市内涝的数值模拟数值模拟，得出城市内涝灾害积水的分布、深度等特征；尹志聪等［10］等利用城市内涝数值模型模拟积水深度变化情况，根据地表、河道沟渠、排水管网等数据模拟出积水深度。

近年来中山市多个地区发生了由短时强降水过程引起的城市内涝。本研究以中山市为例，利用中山市东区自动气象站的降雨数据与电子水尺监测的积水数据，布设15个电子水尺实现实时监测积水深度的目的（图略），分析研究降雨量与积水深度的关系得出城市内涝的预警等级划分。

1 资料与方法

本研究利用中山市国家基准观测站历史暴雨数据，得出中山市各级别雨量出现概率、汛期（4—9月）降雨特点、暴雨日数以及暴雨日数和暴雨雨量的关系；利用分类整理降水小时数据，得出中山市极端降水气候阈值特征。积水数据包括2019年4—9月电子水尺逐日的积水数据；市政排水所积水排水的资料，包括时间、地点、重点地区技术深度以及影响等。

考虑降雨数据与电子水尺时间和位置的一致性，本研究采用电子水尺监测系统所在的东区自动气象站2019年4—9月的小时降雨数据序列，匹配分析15个电子水尺监测系统的积水数据和自动站降水数据，研究雨量与各地点积水深度的关系以及道路通行情况，从而确定中山市内涝预警阈值指标。

本研究利用百分位数法确定中山市区域内暴雨气候极端降水阈值。百分位数是一种未知指标，常用于表示一组样本值在某百分位置上的水平，多个百分位结合使用，可全面地描述资料的分布特征。百分位数法的计算采用以下的经验公式：

其中，Hi（p）为第i个百分位置；X为顺序排列后的样本序列；p为百分位数；n为序列总数；j为第j个序列数；y为第j＋1个序列数权重。

2 中山市城市内涝预警阈值

2.1 降水气候特征

中山市每年4—9月降水频繁，称为雨季，或称为“汛期”。中山市汛期降雨量占全年总雨量的82%。由于雨季前期和后期造成的降雨天气系统不一样，分为前汛期（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%。汛期期间中山市降水频发，城市内涝也随之增加。

2.2 暴雨内涝气候极端降水特征

统计中山市国家级观测站1995—2019年的汛期（4—9月）观测数据进行分类整理降水小时数据，采用百分位数法，统计分析出中山市极端降水特征，得到小时降水强度的极端降水阈值。运用IPCC对极端降水事件的定义，以年为时限，对中山站的小时降水量通过升序排列，采用不同的百分位点（99%、95%、90%、80%、60%）的累积分布函数值为中山市极端天气事件的阈值。把研究城市内涝洪涝的等级设定分为5级，分别将不同百分位对应的降水量作为洪涝指标的临界值，介于60% ～80%为渍涝，80% ～90%为轻涝，90%～95%为一般洪涝，95% ～99%为较重洪涝，＞99%为严重洪涝。分析可以看出，中山市小时降水量严重洪涝气候临界阈值在32～38 mm之间。

2.3 城市内涝风险预警等级划分

城市内涝风险预警等级需要制定一个清晰可分的标准。内涝风险预警等级以积水深度和一定时间内的降雨量组合标准进行划分是一个比较合理的办法，根据中山市城区内的电子水尺的历史积水数据，结合实际本研究将城市内涝风险等级划分为4级：有一定风险、风险较高、风险高、风险很高，依次用蓝、黄、橙、红颜色预警表示。对应积水深度分别为：有一定风险，积水深度小于0.05 m；风险较高，积水深度在0.05～0.10 m；风险高，积水深度在0.10～0.15m；风险很高，积水深度大于0.15 m。为了验证该分级的合理性，选取中山市2019年4—9月电子水尺积水数据进行排序，发现其99%分位为0.18 m、95%分位为0.12 m、90%分位为0.08 m、80%分位为0.06 m，说明以上基于积水深度的内涝风险等级划分在本地有一定的合理性。

统计2019年汛期（4—9月）电子水尺监测系统的在线监测数据，定义内涝风险较高（任意一个电子水尺积水＞0.05 m）为一次积水事件，并统计对应积水事件发生时的多小时最大累计降雨量占6 h总累计雨量的比例（图1）可见，1 h最大雨量占6 h最大累计雨量超过60%的个例为41个（47%），2 h累计最大雨量占6 h最大累计雨量超过60%的个例数为62个（71%），3 h累计最大雨量站6 h最大累计雨量超过60%的个数为73个（84%）。由此可见，在引起内涝时间的强降雨个例中，前3 h，尤其是1 h最大雨量和2 h最大累计雨量占有较大比重。因此在选择内涝预警等级指标的雨量指标时，应重点考虑1～2 h内的降水量。

根据前述的积水深度对应的内涝风险等级，将资料期内内涝个例按照4个等级进行分级，得出每个级别中短时强降水累计雨量序列，并剔除其中异常值，统计其上下限，得出相对应内涝风险等级中的雨量阈值（图2），与电子水尺的积水深度一起构成内涝风险预警级别的划分标准，如表1所示。

图1 2019年4—9月，各积水事件对应1～6 h降雨量占累计雨量比例

图2 四个内涝等级对应1或2 h降雨量分布

表1 中山市城市内涝预警等级划分

为了验证该级别划分的合理性，分析2019年汛期（4—9月）电子水尺监测系统的在线监测数据和中山市东区自动气象站的数据，研究1或2 h雨量与东区15个电子水尺的积水深度的关系。4—9月共有183 d，统计每天15个电子水尺的积水深度，得出对应阈值的积水点个数序列。序列表明，电子水尺的积水个数与积水深度程递减关系，如表2所示。

表2 2019年4—9月中山市东区15个电子水尺每月各等级积水点的个数

另根据位于电子水尺系统监控区内的东区气象自动站（G2006）的数据，统计2019年汛期相应阈值的1或2 h降雨量满足上述阈值所出现的个数的时间系列（表略）。计算满足阈值降雨量序列和积水点序列的相关系数，发现对于＜0.05 m积水点与（5.0 mm＞1 h雨量＞3.0 mm或7.0 mm＞2 h雨量＞3.0 mm）雨量出现个数、0.05～0.10 m的积水点与（18.0 mm＞1 h雨量＞5.0mm或22.0mm＞2 h雨量＞7.0mm）雨量出现个数、0.10～0.15 m的积水点与（1 h雨量＞18.0 mm或2 h雨量＞22.0 mm）雨量出现个数、＞0.15 m的积水点与（1 h雨量＞18.0 mm或2 h雨量＞22.0 mm）雨量出现个数相关性最高，相关系数为0.6～0.8。该结果说明初步的内涝灾害预警等级有一定的合理性。

3 结论

本研究利用中山国家观测站降雨数据，统计分析得出中山市小时降水量的严重洪涝气候临界阈值在32～38 mm之间。通过对中山市雨量和积水点的匹配分析，得出由积水深度和1或2 h降雨量组合而成的中山市城市内涝风险预警等级划分指标（4个等级）：有一定风险，为积水深度在0.05m以下并且1 h降雨量＜3.0mm且2 h降雨量＜3.0 mm；风险较高，积水深度在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；风险高，积水深度在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；风险很高，积水深度＞0.15 m并且1 h降雨量＞18.0 mm或2 h降雨量＞22.0 mm，依次用蓝、黄、橙、红色预警表示。

研究阈值的小时雨量序列和积水点序列的相关系数，发现对于＜0.05 m积水点与5.0 mm＞1 h雨量＞3.0 mm或7.0 mm＞2 h雨量＞3.0 mm雨量出现个数、0.05～0.10 m的积水点与18.0 mm＞1 h雨量＞5.0 mm或22.0mm＞2 h雨量＞7.0 mm雨量出现个数、0.10～0.15 m的积水点与1 h雨量＞18.0 mm或2 h雨量＞22.0 mm雨量出现个数、＞0.15 m的积水点与1 h雨量＞18.0mm或2 h雨量＞22.0 mm雨量出现个数相关性最高，相关系数为0.6～0.8。该结果说明初步的内涝灾害预警等级有一定的合理性。中山市城市内涝预警等级划分可以应用在实际中。