广州暴雨内涝-雨量关系与阈值研究

2023-12-28杨慧燕王婷高美谭吴坚铃李黎微

广东气象 2023年6期

杨慧燕，王婷，高美谭，吴坚铃，李黎微

（1.广州市气象台，广东广州 511430；2.广州市荔湾区气象局，广东广州 511430；3.广州市黄埔区气象局，广东广州 511430）

气象灾害是一种最为常见的自然灾害，粤港澳地处珠江三角洲平原，受热带天气系统影响频繁，暴雨、强对流等气象及其衍生灾害尤为突出［1-3］。近年来，广州暴雨强度增大、极端暴雨日数增多，加上广州城市化进程的加速，加剧了城市内涝的发生，并极易在地势低洼处、立交桥底、交通隧道地段产生积水内涝［4-8］。统计指出，发生在广州的短时强降水事件中93%的短时强降水属于局地性强降水，75%左右的内涝过程最大积水时间在3 h以内，可见广州城市内涝与暴雨，特别是短历时强降水有着密切的联系。

为做好暴雨致涝的研究工作，国内外不少学者开始研究降水阈值和其致涝的特征［9-14］。史军等［15］利用2007—2012年的暴雨过程，对上海暴雨强度和内涝灾情数据进行关联度分析，结果表明，暴雨积水与暴雨发生时间相比有明显的滞后效应，应该关注暴雨出现初始的1 h降水强度和2 h累计雨量；姜晓芩等［16］利用2017—2019期间发生的内涝事件，对内涝特征及内涝与降雨的关系进行分析，发现内涝事件多发生在前汛期，以5月最多，短时强降雨比长时间降雨更容易导致城区发生内涝；杨帆等［17］统计了佛山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，采用序列趋势变化分析和暴雨频率变化统计，对暴雨和潮位的概率进行系统分析，结果表明，佛山城区暴雨次数呈增大趋势，且暴雨和高潮位遭遇的可能性较大，风险概率较高。

上述研究结果集中表明，暴雨（尤其是短历时的强降水）是造成内涝灾害的重要原因，暴雨过程对内涝灾情的贡献作用明显，而内涝灾情数与暴雨过程雨量、雨强显著相关，但目前，尚缺乏针对不同强降水频率下广州市各区内涝灾情的发生频率及特点的研究，未能很好反映降水与致涝的相关性，因此，本研究利用近10年暴雨过程致涝的个例和自动气象站降水数据，分析短时强降水特征与内涝灾情的动态变化关系，了解致灾性强降水的主要特点，从而给出广州暴雨内涝雨量阈值。

1 资料与方法

1.1 数据资料

本研究主要采用的信息来源主要是水务部门排水管理中心提供的2010—2020年内涝灾情信息。通过整理排水中心的暴雨防御简报和一雨一报表，获取了广州市内涝隐患点及每次内涝过程的开始时间、结束时间、积水深度、积水原因、抢险措施等信息。对各内涝点与附近自动气象站数据进行匹配，收集内涝过程发生时自动气象站的降水时间、降雨量等数据，并对数据进行质量控制，主要针对异常值进行查找剔除，如个例中最大降水量超过了自动站数据，则回查该记录的原始数据，并查找当天实况记录，如确定异常则进行剔除；针对内涝个例数据进行时间连续性检查，必须确保该过程有连续记录，以保证个例的完整性和准确性。

经整理排水中心提供的内涝灾情数据，可以发现广州各区内涝点的空间分布特征，目前广州全市共有474个内涝隐患点，主要分布在广州中部的白云、天河、越秀、荔湾、海珠、黄埔等各区；而北部的从化及南部的南沙地区内涝点较少。近年来内涝过程次数呈现增长趋势，其中发生内涝次数最多的是市政道路，其次是涵隧立交。

1.2 研究方法

本研究基于2010—2020年广州发生内涝个例和气象站逐时降水数据，首先，将内涝个例数据按3种不同道路类型进行分类统计，通过分析不同降水强度和降水持续时间对城市内涝的影响，分析前期降雨速率与内涝的关系；然后，按照城镇内涝风险等级划分标准选取3种不同道路类型（涵隧立交、市政道路和内巷小区）的内涝个例数据，进一步分析并验证内涝过程与降水强度和积水深度的时空动态关系；最后，基于前面综合暴雨过程和单个内涝个例的分析结果，采用线性回归和概率密度法给出各内涝点不同内涝风险等级内涝雨量阈值指标。

2 结果与分析

2.1 广州内涝特征分析

1）暴雨内涝与降雨开始后累计雨量的关系。

图1是2010—2020年涵隧立交、市政道路、内巷小区发生内涝时自动气象站最大累计降雨量，从图1可以看出，涵隧立交发生内涝时主要是由1～2 h的集中降水导致的；而市政道路和内巷小区除了1～2 h的强降水造成，还有部分个例包括了3 h的累计雨量。因此，造成内涝的降水主要特点是短历时强降水强度大、持续降水累计雨量大。涵隧立交主要考虑1～2 h最大累计降雨量与内涝的关系密切；市政道路和内巷小区在选择内涝雨量阈值指标时，不仅要考虑1 h降水强度，还要考虑2～3 h累计雨量。

图1 广州市不同道路类型的内涝过程最大累计雨量

2）暴雨内涝与前期降水及降水速率的关系。

进一步分析内涝与降水强度和前期降水的关系特征，图2a结果表明，暴雨内涝与暴雨发生时间相比，具有明显的滞后性，滞后降水时间在2 h以内的占61%以上。确定暴雨内涝阈值，除关注内涝与降雨发生的时间外，还应关注发生内涝前的降水速率。经统计发现滞后时间与降水速率成反比关系，降水速率越强则滞后时间越短，30 min以内发生内涝的降雨速率为1.5 mm／min，60 min以内发生内涝的降雨速率为1 mm／min，120min以内发生内涝的降雨速率为0.5 mm／min，120 min以后发生内涝的降雨速率在0.5 mm／min以下（图2b）。

图2 广州市内涝与降水时间（a）及降水速率（b）的关系

2.2 广州市历史内涝过程累计雨量和积水深度的特征

1）致涝的雨量特征和内涝等级。

分析近10年（2010—2020年）内涝过程对应的最大积水深度和自动气象站的降雨量，发现内涝过程中最大小时雨量在19.2～125.8 mm，过程累计雨量在27.2～322.7 mm。最大小时雨量主要集中在20～50 mm，占60%；过程累计雨量最多是在50～85 mm，占37.5%；100 mm以上的累计雨量占35%（图3a-b）。

图3 广州市致涝的雨量特征

根据广州市城镇内涝风险等级划分标准，将轻度内涝对应Ⅳ级内涝风险等级，中度内涝对应Ⅲ级内涝风险等级，重度内涝对应Ⅱ级内涝风险等级，因水务局内涝风险等级划分标准中未有（Ⅰ级内涝风险等级，参考国家标准将＞120 cm积水深度定为Ⅰ级内涝风险等级［18］。从图3c可以发现不同的道路类型主要发生的内涝风险等级是有所区别的，涵隧立交积水深度主要是集中在Ⅲ级内涝风险等级，对应35～40 cm的积水深度；而市政道路则是集中发生在Ⅱ级和Ⅲ级内涝风险等级，对应30～120 cm的积水深度；而内巷小区主要集中发生在Ⅱ级内涝风险等级，对应的是40～120 cm的积水深度，由此可知，3种道路类型在Ⅰ级内涝风险等级发生的占比是最少的，而主要集中Ⅱ级和Ⅲ级内涝风险等级的占比较多。

2）不同道路类型个例1～3 h降雨量与内涝关系。

为了进一步了解积水深度和降水的关系，选取了涵隧立交中的天河立交、市政道路中的中新镇国道G324线、内巷小区中的黄村片区作为个例来进行分析，其中天河立交累计雨量达15 mm，小时雨强达到12mm／h时就开始发生积涝；中新镇国道G324线累计雨量达25 mm，小时雨强达到20 mm／h时就开始发生积涝；黄村片区累计雨量达20 mm，小时雨强达到15 mm／h时就开始发生积涝。从图4可以看出，虽然不同内涝点致涝的降水强度有所不同，但随着降水强度的增大，内涝积水深度缓慢上升。中新镇国道G324线积水深度在20～60 cm之间，黄村片区积水深度则在20～40 cm之间，天河立交的积水深度相比其他两种道路类型，更容易发生内涝积水，其积水深度在10～60 cm之间。

图4 广州市不同道路类型内涝过程1～3 h雨量与内涝积水程度关系

内涝不仅与降水强度相关，也与降水持续过程的雨量相关，为了更直观地了解不同类型的致涝降水特征，取涵隧立交、市政道路和内巷小区中3个个例来进行分析。综合分析各内涝点对应发生的历史内涝过程降水量，采用概率密度统计方法取雨量值中位数确定各内涝点的1～6 h降水阈值，从图5中可以看出，3种不同类型内涝点Ⅱ～Ⅳ级不同内涝风险等级的致涝雨量阈值，都有一个共同的特点：1～3 h雨量阈值呈上升趋势，4～6 h后雨量阈值基本持平，这也说明3 h以内的降水是造成内涝的关键因素。

图5 广州市1～6 h内涝临界雨量阈值

3 广州暴雨内涝阈值的建立及业务检验

3.1 内涝临界雨量阈值制定

通过分析发现，短历时强降水是广州城市内涝的主要诱因，故将降水开始至水浸发生时的累计雨量定义为内涝致灾临界雨量。通过统计历史内涝过程，发现内涝发生时平均有60%过程雨量集中在1 h内，80%的过程雨量集中2 h内，即内涝与2 h内的短历时强降水密切相关，故选取1和2 h雨量作为内涝雨量阈值。另外，由于广州珠江水系为感潮水系，高潮位会对内河涌形成顶托，影响排涝能力，进而对内涝的形成和严重程度产生重要影响，标准在统计内涝降雨等级时分为高潮期（含天文大潮和风暴潮影响时段）和非高潮期两类。故本研究采用概率密度统计方法，通过分析历史内涝个例，按不同内涝风险等级不同道路类型取25%百分位对应的雨量值确定为致涝雨量阈值，并分为高潮期和非高潮期，具体雨量阈值如表1所示。

表1 广州市高潮期、非高潮期内涝降雨阈值

3.2 广州暴雨内涝阈值业务检验

为了更深入对内涝点阈值进行检验，选择广州市2022年出现的内涝过程数据，对暴雨内涝阈值指标进行检验，结果见表2。2022年水务部门共提供了11次内涝过程数据，根据过程暴雨内涝雨量阈值，对应为内涝风险等级指标进行检验，内涝点预警命中率有8次是100%，5次是70%～80%之间，预警等级与实况等级一致的最高达50%，预警等级与实况等级误差1级的最高达67%，预警提前量一般在0.5～2 h之间。因此，本研究所选取的内涝阈值指标对暴雨内涝预报、预警和风险评估有较好的参考价值。