河南省“7.20”洪水灾害时空动态分析*

王莉红，黄泓杰，崔胜辉，方雪娟

(1.中国科学院城市环境研究所 城市环境与健康重点实验室，福建 厦门 361021；2.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049；3.厦门市城市代谢重点实验室，福建 厦门 361021)

随着极端降雨强度增加，降雨引发的洪水灾害成为世界上最危险的自然灾害之一，与此同时，未来不同排放情景下百年一遇以上洪水影响范围内的人口数量和资产暴露也将越来越多[1-3]。紧急灾难数据库(EM-DAT)中记录了2000—2019年全球发生的7 348次灾害事件中洪涝灾害占44.28%，给全球造成的经济损失高达2.97万亿美元[4]。中国1950—2016年，洪灾导致年均4 327人死亡，1990—2017年间年均因灾损失200亿美元[5]。全球气候变化背景下强降雨等极端天气气候事件的增加，将导致世界许多地区出现更强烈的降水，洪水事件发生的频率和规模都将增加[6-7]。在未来气温升高1.5℃的情况下,河流洪水造成的人员损失将增加70%～83%，直接洪水损失将增加160%～240%[8]。

随着全球极端降雨事件的频繁发生，近年来我国洪水灾害问题凸显，河岸决堤，城市“看海”也成为城市规划建设领域的痛点。2021年7月20日，河南省大范围极端降雨事件给河南省造成了严重损失，其中农作物受灾面积1 048.5 khm2，成灾面积527.3 khm2，绝收面积198.2 khm2；房屋倒塌1.80万户，严重损坏房屋4.64万户，一般损坏房屋13.54万户；302人死亡，50人失踪，其中，郑州市遇难292人，失踪47人；新乡市遇难7人，失踪3人[9]。

城市地区的人口密度大，资产密集，短历时局地性大暴雨和长历时大范围的持续性降雨对流域造成的巨大损失都不容忽视。其次，城市化也加剧了极端降雨发生的频率和洪水的响应[10-13]，城市化可对局地气候产生强烈影响，如城市“热岛效应”与城市“雨岛效应”突出[14]，暴雨发生时城市防洪排涝建设决定城市内涝情况，另一方面通过调整城市自然和社会状态可以缓解城市内涝[15]。为了缓解城市内涝灾害对城市的影响，不同国家针对内涝问题，实施了一系列雨洪管理措施，如中国的实施海绵城市，美国实施的工程和非工程最佳管理措施(BMP)、低影响开发(LID)、绿色基础设施(GI)，英国实施的可持续排水系统(SUDS)，德国实施的雨水利用(SWH)，澳大利亚实施的水敏感性城市设计(WSUD)，新西兰实施的低影响城市设计与开发(LIUDD)，新加披实施的“活力、美观、清洁”水计划(ABC)，日本实施的雨水贮留渗透等[16-19]。

河流给人类社会提供资源的同时也伴随着河水泛滥、河岸决堤，为了降低河流洪灾给人类财产和生命安全带来的灾难，人类历经几千年的治水经验，通过工程措施不断提高防洪标准，让水远离人类，通过非工程措施让人类远离水，但是洪涝灾害造成的经济损失并没有减少。为了降低洪水灾害对人类生命财产的影响，提高人类应对洪水的预防、响应与适应能力，加强城市应对自然灾害的韧性建设，提高城市对洪涝灾害防御能力，快速准确地获取洪水淹没区域范围，进行实时洪水灾情评估、救援以及人力、物资调配。吴绍洪等基于灾害抵御、受损恢复、应急管控三个方面评价自然灾害韧性弹性社会指标并提出了未来自然灾害韧性社会建设的途径[20]。孔锋用综合指标体系评估我国气象灾害的综合防御能力，结果认为我国综合灾害防御能力整体水平偏低，并且未来仍有提升空间[21]。周帆等通过对比国产高分3号卫星与欧洲的哨兵1号卫星提取斯里兰卡 2017年5月30日马塔勒市洪水淹没面积表明GF-3 卫星提取结果的准确性和稳定性以及在实际应用中更好[22]。因此本文通过分析河南省“7.20”极端降雨事件发生的原因、频率以及时空变化特征，基于GF-3 卫星和地理信息系统技术提取此次极端降雨引起的郑州市涝灾、新乡市卫河两岸洪灾的淹没面积时空变化特征，最后提出了在未来城市发展与建设过程中应对洪涝灾害的建议。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

郑州市分属黄河和淮河两大水系，新乡市分属黄河、海河两大流域，两座城市位于黄河中游南北两侧的平原地区，其中郑州市中心城区建成区面积651.35 km2，根据第七次人口普查数据，郑州市常住人口为1 260万人，全年平均气温15.6℃，全年平均降雨量542.15 mm，地势西南高、东北低，属北温带大陆性季风气候，四季分明，流经主城区的河流主要为黄河、索须河、贾鲁河、金水河、熊耳河、七里河、十八里河、东风渠、以及南水北调运河，河流流向为自西向东南。主城区周围水库包括邙山水库、唐岗水库、河王水库、常庄水库、丁店水库、尖岗水库、罗垌水库。新乡市辖12个县(市、区)，根据第七次人口普查数据，新乡市常住人口为625万人，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，历年平均气温14℃，年均降水量为573.4 mm。流经新乡市的河流主要为黄河、沙河、共产主义渠、卫河、东孟姜女河、百泉河、文岩渠、人民胜利渠以及南水北调运河，其中，共产主义渠、卫河、东孟姜女河自西南向东北并行流经获嘉县、新乡县、卫辉市，地势西北高、东南低，西北部山区有三郊口水库、宝泉水库、石门水库、狮豹头水库、塔岗水库，平原占全市土地总面积的78%。

图1 研究区概况(审图号：GS(2022)3995号)

1.2 数据来源

本文选用的资料为郑州站和新乡站1951—2020年逐日降水观测资料；2021年7月17—24日郑州市巩义、荥阳、登封、郑州、嵩山、新密、新郑、中牟，8个气象站，新乡市封丘、辉县、新乡、原阳、获嘉、卫辉、延津、长垣，8个气象站逐小时降水量资料，数据均来源于中国气象局国家气象信息中心。

本文选用高分3号L1A级别SAR图像，成像模式为精细条带2(FSⅡ)，时间为7月20日、7月22日、7月24日，数据来源于国家综合地球观测数据共享平台、国家对地观测科学数据中心，具体参数如表1所示。

2 研究方法

2.1 降雨重现期模拟

本文采用P-III进行降水频率拟合，推求不同重现期对应降水量。首先根据已有逐日的历史降雨量数据，提取年最大日降雨量数值，提取1951—2020年共计69个样本，将样本按照顺序排列，其次计算样本的均值、均方差、变差系数、偏态系数以及P-Ⅲ概率分布的3个参数α、β、b，最后根据伽马分布计算给定重现期的年最大日降雨量或求某一年最大日降雨量所对应的概率P，具有如下概率分布函数[23]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：α、β、b为皮尔逊Ⅲ型分布的形状、尺度和位置参数，Cv、Cs分别为变差系数和偏态系数。

表1 高分3号L1A级别SAR图像参数

可以在EXCLE中根据降雨重现期计算最大日降雨量(Rmax)，也可以根据日最大降雨量(Rmax)计算降雨重现期，输入公式如下：

Rmax=GAMMAINV(1-P,α,1/β)+b;

(6)

P=1-GAMMADIST(Rmax-b,α,1/β,TRUE)。

(7)

2.2 水体提取

雷达影像的穿透能力强，不受天气和时间的影响，水体提取结果相对光学影像较好，因此选择国产高分3号L1A级别数据雷达影像数据，并基于国产PIE-SAR6.1平台进行影像处理，国产PIE-SAR6.1平台对提取水体速度快，操作简单，即使非专业人员也可以高效率提取水体，具体处理过程依次为多视处理、Frost滤波、地理编码，处理后分辨率为10 m，最后在行业应用里选择水体提取，将水体提取结果在GIS平台中进行栅格转矢量、裁剪以及出图[22, 24]。

3 “7.20”降雨事件分析

根据郑州市和新乡市16个气象站，2021年7月17—24日逐小时降水量资料(图2)，可以发现新乡市与郑州市此次降雨事件持续时间长，降雨强度大，强降水范围广、强降水时段集中、极端性突出，新乡市7月20—21日降雨强度最大，郑州市7月19—20日降雨强度最大。其中辉县最大日降雨量446.6 mm，7月17—24日累积降雨量762.4 mm，卫辉最大日降雨量336 mm，7月17—24日累积降雨量748.8 mm，郑州站日降雨量达627.4 mm，7月17—24日累积降雨量820.5 mm，新密站日降雨量达376.3 mm，7月17—24日累积降雨量723.7 mm。

图2 新乡市、郑州市7月17—22日降水量

基于GIS平台使用反距离加权插值(IDW)方法对郑州市和新乡市逐日降水量数据进行插值，生成覆盖郑州市和新乡市降水量数据(图3、图4)。发现郑州市降雨中心自7月18日开始由西向东移动，7月19日的强降水中心为嵩山站，7月20日的强降水中心为郑州站和新密站；新乡市降雨中心自7月18日开始由西向东移动，7月19日的强降水中心为嵩山站，7月20日的强降水中心为郑州站和新密站。新乡市7月20日降雨中心集中原阳，7月21日降雨中心集中于辉县、卫辉。

图3 郑州市7月17—22日降水

图4 新乡市7月17—22日降水

此次“7.20”降雨时间被广泛关注，河南省气象局将此次降雨事件的原因总结为4点：①稳定的大气环流，造成长时间降水；②台风“烟花”远程控制，为河南强降雨提供了充沛的水汽来源；③地势西高东低，地形降水效应显著；④“列车效应”降水积少成多[25]。

4 结果与分析

4.1 降雨重现期分析

降雨重现期并非降雨周期，从数学概率的角度来说，“百年一遇降水”就是每年发生的几率是1% ，而不是百年里只发生一次或每隔百年就要发生一次，它可能在百年内发生多次，在水文统计中，重现期即在一定年代的雨量记录资料统计期间内，大于或等于某暴雨强度的降雨出现一次的平均间隔时间，一般以年表示[26-28]。根据郑州站和新乡站1951—2020年，逐年最大日降水量序列(图5)，用P-III分布拟合得到郑州站、新乡站，不同重现期的最大日降水量(表2)，其中郑州站在百年一遇的降水量约为174 mm，千年一遇的降水量约为221 mm，其中新乡站在百年一遇的降水量约为311 mm，千年一遇的降水量约为499 mm。基于郑州站和新乡站近69年的数据拟合“7.20”降雨事件的最大日降雨重现期，其中郑州站的降雨重现期超千年一遇，新乡站的降雨重现期为65年一遇，但是由于模拟结果受历史数据的影响较大，因此随着记录数据的变化，模拟值变化较大，毕竟相对于1 000年，69年的记录仅占6.9%。此外，新乡站和郑州站的模拟结果相差巨大的原因是2016年7月9日新乡站最大日降雨量414 mm，因此会产生较大差异，并且2016年据今只有5年时间，郑州站与新乡站仅相距85.46 km，高程相差37.2 m，因此表2中计算的不同重现期最大日降雨量仅基于1951—2020年历时数据。

表2 郑州站、新乡站不同重现期最大日降雨量

4.2 水体面积变化分析

通过对比郑州市主城区与卫河两岸此次洪水灾害，发现郑州市主城区为由于本地降雨事件持续时间长、降雨强度大、强降水范围广、强降水时段集中，地表径流不能及时排出城市或农田所引发的涝灾，卫河两岸为是由于共产主义渠右堤漫决下泄，卫河南堤溃口，新乡市西北部山区水库的水位暴涨、泄洪，使客水入境而造成的洪灾。

图5 郑州站、新乡站1951—2020年最大日降水量序列与不同重现期最大日降雨量

图6 郑州市主城区水体变化

图7 郑卫河两岸水体变化

图8 郑州市主城区、卫河两岸水体变化

通过高分3号SAR图像提取郑州市主城区和卫河两岸7月20日、7月22日、7月24日的水体(图7、图8)，本文中的卫河两岸仅包含新乡市部分区县(表3)，其次统计郑州市主城区和卫河两岸各区7月20日、7月22日、7月24日的水体面积的变化(图8)，结果发现降雨结束后随着时间的推移郑州市主城区水体面积不断减少，其中7月20日的水体面积最大，其次是7月22日、7月24日；郑州市主城区水体面积在空间上表现为惠济区水体面积最大，其次是金水区、管城区、中原区、二七区。结合时间尺度和空间尺度上的变化发现7月20—22日，惠济区和金水区的水体消减面积最大，7月22—24日管城和二七区的消减面积最大，而7月20—24日水体面积变化最大的是管城区，其次是金水区、惠济区、中原区、二七区，因此从城市内涝面积上看管城区内涝程度大于金水区、惠济区、中原区、二七区，从城市排水能力上看惠济区和金水区优于其他区。

表3 卫河两岸区县乡镇

卫河两岸在降雨结束后随着时间的推移水体的面积呈现增加趋势，7月24日、7月22日的水体面积均大于7月20日的水体面积；其次，7月24日辉县不仅有无法排出的蓄水，加上从山上、河渠、水库溢出来的水，还会让水位不断上涨，因此在空间上辉县和卫辉的水体面积变化最突出，危险性也最大。河南省第七场防汛救灾新闻发布会指出卫辉积水严重主要有四个方面原因：①卫辉市地势低洼，位于卫河和东孟姜女河的交汇地带，容易积水；②本次降雨量大，历时长且产生的积水多；③卫河卫辉段水位居高不下，排水不畅；④共产主义渠右堤漫决下泄，卫河南堤溃口，河水漫灌[29]。

5 洪水灾害对未来城市发展的启示

河南省“7.20”洪水灾害事件中郑州市最大一小时降雨量达203 mm，同时引起了郑州市主城区严重的涝灾，郑州市主城区的交通、网络、供水、供电等都受到了很大影响。此次降雨事件对新乡市造成了严重的洪灾，造成卫河决堤，因此，导致此次降雨事件结束后，城市水位不降反增，对城市的正常运转影响巨大。此次极端降雨事件发生后，引起了国内外人们的广泛关注，成为了互联网的热点话题之一，同时也给我们在今后的防洪实践中，如何科学应对城市“看海”与河岸决堤带来了更多的启示。

5.1 防洪规划与建设

防洪规划可以指导防洪建设，防洪建设直接关系到人们的生命财产安全，而灾害发生后的反馈结果能够检验防洪规划，因此防洪规划与防洪建设都相当重要。

防洪规划设计中除了考虑流域的自然社会经济基础、投入成本与历史资料外，还要充分利用流域的基础条件和设施，让乡村、社区、城市在应对洪涝灾害时具有更好的弹性[30-31]。此外，要在针对流域、城市、社区、乡村的特征以及不同地区的洪水风险程度构建相应的韧性评价体系和洪水风险图，而不是采用统一的衡量标准[32]。

5.2 洪水管理

未来洪水管理中应重视流域综合管理，构建灾害发生前—灾害发生—灾害结束后的全过程管理。比如，灾前侧重流域内高、中风险区管理，灾中开通灾害应急专线，实时更新最新灾情，统一协调调度物资、人力，根据灾情状况分区进行救助，其次充分调动社会管理收集灾情、安置安抚灾民、灾后重建的力量，并且能够合理利用洪水，使洪水变成有效的水资源。

由于灾害发生的动态性和不确定性，因此给灾害预报、警报增加了难度。然而，天气预报受制于科学认识和技术手段等因素，不可能完全准确，因此灾害预警并没有发挥出最佳效果。未来防汛将不仅局限在做好洪水预报、警报、防洪调度、防汛抢险这些常规工作，随着现代防洪科学技术的迅速发展。如何科学有效的避免灾害预警在传达过程中、传达后没有得到有效反馈等问题，同时防汛抢险工作和防洪调度与其他社会组织、民间救援重叠或遗漏也要被考虑到。因此，必须健全实时更新的灾害应急管理平台与相关部门的互通互联，确保相关信息发布的可达性、及时性和有效性。

6 结论

本文通过分析河南省“7.20”极端降雨事件发生的原因，频率以及引起的洪涝灾害的淹没时空变化特征，提出了应付洪涝灾害的洪水管理措施。

(1)本文通过分析郑州市与新乡市16个气象站点，2021年7月17—24日逐小时降雨量，发现郑州市降雨集中在19—20日，新乡市集中在20—21日。基于GIS平台使用反距离加权插值(IDW)方法对郑州市和新乡市7月17—24日逐小时降雨量进行插值，发现此次降雨事件的降雨中心由西向东移动，由南向北移动。

(2)基于郑州站与新乡站1951—2020年的历史降水数据用P-Ⅲ分布拟合郑州站与新乡站此次降雨事件的最大日降雨量的重现期，结果表明郑州站降雨重现期超千年一遇，新乡站约65年一遇。

(3)基于PIE-SAR6.1平台对GF-3 SAR L1A级别SAR图像提取7月20日、7月22日、7月24日郑州市主城区涝灾和卫河两岸洪灾的淹没范围，结果表明郑州市主城区在时间尺度上表现为7月20—24日水体面积呈减少趋势，在空间上看管城区内涝程度大于金水区、惠济区、中原区、二七区，从城市排水能力上看惠济区和金水区优于其他区。卫河两岸在时间尺度上表现为7月20—24日水体面积呈增加趋势，在空间上辉县和卫辉的水体面积变化最突出。

(4)未来应对洪水灾害不仅要制定超标准洪水防御措施与行动方案，建立综合洪水预报、预警、调度、应急救灾、撤离计划、灾后重建系统，而且要统筹协调防洪规划、防洪建设、洪水管理与城市规划建设的关系。

致谢：感谢国家综合地球观测数据共享平台、国家对地观测科学数据中心提供的7月20日、7月22日、7月24日，高分3号SAR图像；感谢李元征博士给予的帮助。