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引言
近日,一場罕見暴雨引發(fā)的城市澇災災害話題受到全社會的高度關注。面對慘痛的現(xiàn)實，業(yè)界紛紛研究和反思。我們學到了什么？有什么教訓需要吸取？
本文在收集網(wǎng)上公布的“7·20鄭州特大暴雨”事件的降雨、地形高程、排水格局、洪澇災情等大量公開信息的基礎上，通過計算機模擬，分析鄭州7·20暴雨洪水實際情形，評估風險特征。研究以專業(yè)視角，從城市洪澇安全需求出發(fā)，審視城市排水防澇系統(tǒng)應對極端暴雨實際表現(xiàn)，從而獲得有價值的啟發(fā)。
一、 鄭州主城區(qū)排水特征
1.1 城市地形地勢與排水格局
根據(jù)由此次專門收集的地形資料繪制而成的鄭州市區(qū)域地形和水系圖（圖1），鄭州中心城區(qū)在西南、西部低山丘陵和黃河之間呈西高東低，西南部整體地勢由西南向東北傾斜，逐漸向東北過渡為黃土傾斜平原和黃淮沖擊平原。河流包含源于西南山部區(qū)的索須河、金水河、十八里河、七里河、潮河和賈魯河。平原區(qū)的熊耳河、魏河、東風渠等，均為市區(qū)內的泄洪排澇骨干河道。所有河道最終排向賈魯河，因此賈魯河承擔著城市防洪排澇的重要功能。上游建有10余座中小型水庫，包括常莊和尖崗水庫。賈魯河自尖崗水庫至京港澳高速地面坡降估計（見圖2），城區(qū)段上游坡度大，約為3‰，坡面匯流流速大，上游來水速度快；下游區(qū)域相對平緩，約為0.66‰。
圖 1鄭州市地形高程及水系分布圖
圖 2 賈魯河（尖崗水庫-京港澳高速）河道縱斷面沿線高程（m）
1.2 7·20降雨事件情勢分析
根據(jù)從“生態(tài)水文遙感”團隊公眾號獲得的降雨資料，對比鄭州市內2021年7月18日20時21日15時段內，自西向東5個國家級氣象站點的降雨過程時空分布（圖3），鄭州發(fā)生一小時極端暴雨前，7月18日20時-20日15時，位于鄭州主城上游的嵩山站、鞏義站和新密站發(fā)生高強度降雨，累積降雨量分別已經達到515mm、464.5mm和476mm（圖4）。
鄭州站位于主城區(qū)偏東北，暴雨主要集中在20日15時~17時，最大小時降雨量達到201.9 mm，最大24h總降雨量超過622 mm。
7·20暴雨中心由西南山區(qū)逐漸向東北鄭州市區(qū)發(fā)展，導致城市河道由于山區(qū)暴雨徑流和水庫安全下泄，水位快速抬升，在市區(qū)發(fā)生特大暴雨時，城區(qū)河道排水條件不利。
圖 3 鄭州市國家級氣象站點分布圖
（圖片來源：生態(tài)水文遙感前沿公眾號，北京師范大學地理科學學部“生態(tài)水文遙感”團隊）
圖 4 鄭州市及西部國家雨量站7.20暴雨逐時和累積降雨量（制圖：宜水環(huán)境）
（數(shù)據(jù)來源：生態(tài)水文遙感前沿公眾號，北京師范大學地理科學學部“生態(tài)水文遙感”團隊）
1.3 7·20鄭州暴雨重現(xiàn)期
7·20暴雨到底是多少年一遇？
暴雨發(fā)生頻率或重現(xiàn)期是由水文統(tǒng)計分析得出。這是在水文學科又下分的非常專業(yè)的研究方向。水文事件（如暴雨）重現(xiàn)期，是基于對隨機樣本分析基礎上，得出對隨機事件發(fā)生的可能性進行量化的一種表達方式，以便應用和研究中可以比較、分析、決策。城市對暴雨的研究基本仍局限于通過站點觀察記錄推求暴雨公式和100年一遇以下的范圍。由于水庫等重要水利安全要求很高，水利上對于極端事件的應用很普遍，如三峽大壩設計是萬年一遇，荷蘭有些堤壩是幾百年到十萬年一遇設計標準。由于頻率成果的敏感性和重要性，極端頻率的分析不是僅僅靠幾年觀察數(shù)據(jù)排位計算所得。極端事件頻率分析需要利用歷史調查、考古、洪水遺跡等大量研究所得。
另一方面，對于極端頻率，其成果正確性沒法衡量，只是在現(xiàn)有認知和科學水平基礎上的估計。鄭州7·20暴雨打破了太多的認知。到底多少年一遇由水文氣象學術專家們研究。不過從“75·8駐馬店特大暴雨”，“ 7·20 南方多地洪災”的兩次極端事件的來看，這些確實挑戰(zhàn)了水文統(tǒng)計的對極端事件分析。根據(jù)張建云院士報告解釋，這個地區(qū)的地形條件與特殊氣候的組合可能是促成極端降雨的主因。因而，這些極端事件與常規(guī)事件來比，由于成因和工程目標不同，可能需要分類研究。
二、 暴雨洪水風險分析
2.1 暴雨積水模擬
為了評估鄭州市暴雨水情形勢和淹沒風險，分析洪澇災情成因，本研究構建了鄭州市主城區(qū)水文水動力2D洪澇模型，模型范圍1057.8 km2，包含主要城區(qū)范圍和鄭州市泄洪排澇骨干河道。
模型降雨采用北京師范大學地理科學學部“生態(tài)水文遙感”團隊根據(jù)中國地面氣象站逐小時觀測資料數(shù)據(jù)分析梳理的鄭州市國家級氣象站點降雨資料，選用鄭州站2021年7月19日20時~7月21日0時之間的小時級降雨數(shù)據(jù)進入模型計算，總降雨量約為640 mm，最大1小時降雨量為 201.9 mm，徑流系數(shù)取值0.9。模型地面高程采用美國NASA，Shuttle Radar Topography Mission雷達高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為30m*30m。
根據(jù)洪澇模型結果繪制最大積水水深分布圖（圖5）。水深風險圖大多與新聞描述相符（請見圖例，藍色深淺代表積水深淺）。
結果表明，鄭州城區(qū)總體積水形勢嚴峻，大片區(qū)域最大積水深度超過城市內澇防治要求的0.25m，部分區(qū)域最大積水深度甚至在2m以上。城區(qū)東北部的金水區(qū)和惠濟區(qū)地勢較低處積水最為嚴重；主城區(qū)內鄭州北站至鄭州站沿線、圃田西站周邊、鄭州地鐵5號線沿線范圍廣、水深也較大。
進一步統(tǒng)計淹沒水深面積占比，最大積水深度超過 0.25m的面積為 479.1 km2，占總面積的 45.3%，其中，0.5~2m的面積為272.4 km2，占比25.8%；2m以上的面積達到116.0 km2。
圖 5 鄭州市洪澇淹沒水深分布圖
表 1 主城區(qū)洪澇模型積水范圍統(tǒng)計表
圖 6主城區(qū)內澇模型積水淹沒深度面積占比
2.2 洪澇水量分析
根據(jù)鄭州市政府2017年發(fā)布《鄭州市海綿城市專項規(guī)劃（2017~2030年）》，在水安全方面，標準為：城區(qū)與航空城的內澇防治設計重現(xiàn)期為50年一遇。鄭州市5年、50一遇重現(xiàn)期24h設計暴雨量分別為119.0m、199.4mm。
表 2 鄭州市設計暴雨雨量
根據(jù)上述特征暴雨雨量分析，管網(wǎng)在設計能力條件下排水量（含海綿設施）占本次極端降雨總雨量的19%，50年一遇防澇系統(tǒng)排水量（含管網(wǎng)）約占32%，超標雨水占比達到68%，大量超出內澇防治體系能力標準的雨水將形成快速的地表坡面匯流，流向地勢低洼區(qū)域。
主城區(qū)1057.8 km2模型范圍內水量平衡分析及各部分百分比結果如下：
表 3 模型分析水量平衡分析表
圖 7 鄭州主城區(qū)水量占比分析圖
2.3 淹沒風險分析
洪澇能量大的區(qū)域代表受影響大、危險性高。而水深與流速決定洪水能量，因此根據(jù)模型得出的地面淹沒最大水深及最大流速，對研究區(qū)域淹沒范圍的洪澇風險性進行評估。
風險評估因子F公式如下：
此外，賈魯河、金水河、十八里河和七里河等河道中上游兩岸也存在中、高淹沒風險區(qū)，此次鄭州暴雨導致城區(qū)內河道遠超其排水能力。大部分區(qū)域淹沒水深大于0.5米，甚至1-2米，流速大于0.8米/秒，水流風險極大，嚴重影響城市安全。
圖 8 鄭州市主城區(qū)洪澇淹沒分布圖
2.4 代表點淹沒水位過程
暴雨期間，鄭州市阜外華中心血管病醫(yī)院（簡稱阜外醫(yī)院）因暴雨積水，停水斷電、道路受淹、交通受阻，導致近5000人被困。阜外醫(yī)院所在的城東中牟處于鄭州地勢最低處，賈魯河、魏河、龍湖等水體交匯處下游，暴雨后河水暴漲導致大量積水倒灌，導致路面水位上升速度快、漲幅高，但受地形影響退水速度較慢。通過模擬2021年7月20日15時~7月20日21時間鄭州站實際降雨，結果顯示阜外醫(yī)院周邊區(qū)域水位6小時水位上升可達到2.25m左右。
圖 9鄭州阜外醫(yī)院水情及積水現(xiàn)場圖（來源：澎湃新聞）
圖 10 模擬積水變化過程曲線（鄭州阜外醫(yī)院）
三、 城市排水防澇體系的關鍵解析
鄭州特大暴雨事件的主因，顯然是由于超出安全標準二倍多的澇水出路受阻。然而，盡管量級特征不同，超標暴雨任何城市都可能發(fā)生。其他城市怎樣才能吸取教訓？
為此，我們需要首先理解排水防澇系統(tǒng)的功能設計。本質上排水防澇體系是關于城市雨水的滯蓄排放的空間平衡和有序布置。澇水量的時空估計以及風險管控，是解決城市洪澇問題的重要內容。
從系統(tǒng)角度，不同工程手段實現(xiàn)不同的設計目標。工程手段包括源頭減排與排水管渠系統(tǒng)、內澇防治系統(tǒng)，和超標降雨應急防控和響應系統(tǒng)。下圖展示了各個系統(tǒng)層級設計應對不同的暴雨特征，主要功能有所不同。
- 排水管（圖A）-設計標準多介于5年及5年一遇以下。主要設施包括：源頭海綿設施、地表導流、管網(wǎng)、調蓄設施、城市河湖等
- 內澇防治系統(tǒng)（圖B）-主要應對超出管網(wǎng)能力的設計暴雨（如5-50年一遇），設施主要包括：管網(wǎng)、調蓄設施、城市河湖、泄流通道、地表的安全積水區(qū)域。
- 超標系統(tǒng)（圖C）-（如大于50年一遇）的降雨事件，主要設施包括：調蓄設施、城市河湖、超標泄流通道、地表淹沒區(qū)域,預案以及應急響應非工程減災手段。
任一排水系統(tǒng)（或子系統(tǒng)），降雨徑流進入系統(tǒng)后，是排水能力與系統(tǒng)調蓄量之間的平衡。當排水能力受限，系統(tǒng)調蓄量超過防洪排澇設計標準安全蓄量時，發(fā)生內澇（見圖11）。
排水防澇規(guī)劃對管渠道、內澇防治標準和海綿城市有明確的設計標準和指標要求。在內澇防治體系中，設計標準內超過管渠能力的地表徑流空間組織、安全調蓄，以及標準外澇水的風險評估與對策，是工程規(guī)劃與管理的重點。這些地表徑流組織與澇水出路，需要城市的空間。
這項工作，業(yè)界常常通過洪澇風險的識別與評估，為城市規(guī)劃和排水防澇提供非常重要的洪澇風險圖成果。風險圖可為防洪排澇設施空間布局提供依據(jù)，識別淹沒對象，評估發(fā)生后果，以便在工程上布置合理的避險措施，在空間上與城市規(guī)劃銜接。
圖 11 典型系統(tǒng)逐時入出流量-蓄量平衡示意圖
根據(jù)上述研究，得到如下啟發(fā)：
- 模型推演表明，鄭州7·20暴雨主城區(qū)受災的主因是由上游始發(fā)暴雨洪水與市中心極端小時暴雨疊加，城區(qū)形成大面積水深不等的快速坡面匯流導致。該暴雨量遠遠超過城市河道防洪標準和城市的排水防澇標準。城市是否具有標準內的洪、澇風險圖？是否有超標準暴雨研究和預案的風險圖？超標準洪水或澇水在規(guī)劃工程中會淹哪些地方？怎么調蓄？如何排放？恐怕許多城市對這些問題都仍缺乏準備；
- 澇災害怎么管？鄭州暴雨事件暴露了一個非常普遍的風險管理問題。流域防洪工程管河道堤防和泵站等，但不關注城市細節(jié)；城市排水防澇關注城市細節(jié)，但只假設河道安全，且只局限于管渠和內澇防治標準內；
- 是洪？是澇？或洪澇？城市是源頭產水、匯水、地表坡面匯流，而又期望被保護的對象，既非防洪工程可以保護，又非通常的澇水現(xiàn)象，也遠遠超出了排水防澇的能力范圍。其實概念并不重要，重要的是對風險特征，如暴雨量級、淹沒水深、流速、淹沒對象等的判斷、識別和評估。隨著全球變暖，氣候不確定性加大，點暴雨公式的局限性、超標事件研究不足和洪澇風險評估的薄弱，可能是當今城市規(guī)劃與管理不小的技術風險。極端氣象條件研究、可靠的精細化的標準內和標準外洪澇風險評估與風險圖，為識別風險源與重要保護對象，為城市空間規(guī)劃、重大工程避險、應急響應管理提供重要依據(jù)。城市排水防澇規(guī)劃是彌補當今技術體系局限，有條件提供這些成果的技術途徑；
- 本研究基于大量公開信息構建洪澇模型，得出較為符合實際的專業(yè)分析成果，表明在具有較好基礎資料的條件下，通過專業(yè)模型技術支撐排水防澇規(guī)劃或內澇治理的技術手段，應是基本要求。再進一步，氣象信息與洪澇系統(tǒng)模擬技術的集成，能為城市快速高效的工程決策、預警預報和應急響應提供輔助。隨著系統(tǒng)應用檢驗和糾錯能力提高，這種以實時模擬為支撐的預警預報和應急決策技術將會越來越成熟，是必然趨勢。
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致謝
本文特別鳴謝：中國水利水電科學研究院教授級高工、國家減災委專家委員、水利學會城市水利專委會主任委員程曉陶和中國城市規(guī)劃設計研究院教授級高工、中國城市供水排水協(xié)會副秘書長謝映霞為本文的改進提供了專業(yè)指導和建議。
