鄭州大學校園積水原因和降水特征分析★

趙佳慧 王 晨 郭孟津 黃景媛 胡曉涵 陶 潔

(鄭州大學水利科學與工程學院 水利與環境國家級實驗教學示范中心，河南 鄭州 450001)

隨著全球氣候變暖和人類活動的影響，區域降雨特性發生改變，極端天氣事件增加；與此同時，隨著經濟的不斷發展，城市的現代化進程越來越快，大量人口向城市遷移，城市區域用地面積急劇增加，地面硬化程度大幅度增加，對徑流形成過程造成了很大影響[1]。當發生強降雨時，不透水面積的增加導致入滲量下降，產生的大量地表徑流不能及時疏通排放帶來嚴重的內澇積水問題。據不完全統計，自2006年開始鄭州市平均每年遭遇嚴重暴雨內澇災害(降雨量大于100 mm)次數為15次，平均每年的暴雨內澇災害損失超過2億元[2]。一方面城市積水過多不僅阻礙城市交通正常運行，影響居民正常的生產、生活，甚至危害到居民的生命和財產安全，而且制約城市綠色健康發展；另一方面，高校作為城市中重要的大型生活居住區，不可避免受到內澇影響，造成車輛行駛困難，妨礙師生行走及正常上課，所以校園積水問題應當引起重視。此次研究選取鄭州大學新校區柳園作為研究區域，針對校園積水問題展開深入調查和分析研究，通過搜集相關降雨資料進行降雨特征分析以及制定合理化的監測方案分析形成內澇的原因，并在此基礎上提出部分合理化建議，為學校建設發展提供參考。

1 研究區域概況

鄭州大學新校區位于鄭州市高新技術開發區西北部，距鄭洛高速公路西入口1.5 km，南臨科學大道，北臨蓮花街，東臨石楠路，西四環穿區而過。整個新校區由長椿路劃分為東西兩個地塊。西側地塊南北長約2 100 m，東西寬約1 100 m；東側地塊南北長約600 m，東西長約840 m。主要包括教學區、辦公區、生活區、體育活動區、綠地、道路等，總面積284.4 hm2，其中綠地總面積113.4 hm2，綠地率約為40%[2]。鄭州市屬暖溫帶—北亞熱帶過渡型大陸性季風氣候，冷暖適中、四季分明、雨熱同期、干冷同季。隨著四季的明顯交替，依次呈現為春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雨的特點。一年四季降水量變化比較大，汛期降水集中，汛期四個月的降水占全年64.0%～66.6%。同時，夏季天氣多變，出現強降水特別是局地性強降水的概率很大。

鄭州大學新校區柳園生活園區為研究區域(見圖1)，其中主要積水區為泊月路段、厚德大道柳園路段及泊月路和厚德大道的十字交叉口，這些區域積水問題十分突出，幾乎逢大雨必澇，一定程度影響了校內交通及學生正常生活。

2 積水成因分析

2.1 氣候原因

1)全球變暖。在全球氣候變暖背景下，極端氣候頻發，導致氣象災害頻發，局部地區雨情、汛情、旱情、災情超過歷史記錄，因災直接經濟損失達2 363億元，甚至于2020年6月2日，中國氣象局啟動重大氣象災害(暴雨)四級應急響應。鄭州雨熱同期，時有內澇發生。在夏季突發暴雨時，鄭州大學新校區校園極易產生積水，甚至形成雨季校園“看海”的情況。

2)熱島效應。鄭州大學新校區位于高新技術開發區西北部，該地區近年來經濟發展迅速，城市化進程不斷加快，硬化地面面積占比不斷加大，城市綠地面積占比降低。此外，由于高層建筑物的增加，導致熱量散失受阻，空氣循環不暢，形成了城市熱島效應，對區域小氣候產生了一定的影響。城區空氣中凝結核充足，有利于城市局部暴雨形成。在雨季，城市重力式的排水方式根本不能完成正常排水需求，城市基礎設施建設與城市發展的速度不相匹配，易引發城市內澇和積水問題。

2.2 區域建設規劃

1)下墊面硬化率高。鄭州大學新校區柳園宿舍園區，道路大多以柏油路、水泥路為主，透水路面面積小，極大地改變了天然情況的下墊面條件，導致雨水下滲受阻，產匯流時間縮短，洪峰形成時間縮短以及排雨量增大，加劇了排水管道工作壓力，更容易產生內澇積水問題。

2)雨水管網設計標準低。鄭州大學新校區初建于2000年，隨著氣候條件的改變、校園規劃面積的增大和基礎設施的完善，地面不透水率有了很大的變化，早期的排水系統規劃標準低、管徑小，無法滿足現在的需求。

3)排水口數量少且經常淤積堵塞。路面排水能力與排水口的數量有很大關系，本研究區域的道路排水口的數量不足，且排水口直接暴露于路面，容易被落葉等一些垃圾堵塞，如厚德大道與泊月路交匯處就存在此種情況，導致排水嚴重不暢，形成下雨必積水的情況。

4)路面低洼不平，地勢高低不平。研究區域主干道由于車輛和人的長期通行以及道路旁植物根系生長的影響，造成了路面不平整，使雨水集中在低洼處，部分路段的少量雨水滿溢過雨水口，最終聚集在地勢相對較低的區域。研究區主要積水路段為厚德大道與泊月路交匯處、4號宿舍樓東南側道路以及其他路面低洼不平路段。道路旁的花壇草地地勢高于路面，雖有路肩石減少行車道雨水滲透，但由于部分草地植被稀疏，無法攔蓄多余雨水，導致雨水沿坡流向道路，形成積水。

3 降水特征分析

研究區位于鄭州市西邊的高新技術開發區，選取賈魯河中牟站1997年—2008年降水數據進行降水時間特征分析。賈魯河發源于新密市白寨鄉,向東北流經鄭州市,至市區北郊折向東流,經中牟,入開封,過尉氏縣、扶溝縣、西華縣,后至周口市入沙潁河,最終注入淮河,屬于淮河的二級支流[3]。中牟縣位于東經113.98°，北緯34.72°，屬典型的中緯度暖溫帶大陸性季風氣候，氣候溫和，四季分明，雨熱同期。

3.1 降水量年際變化特征

鄭州大學新校區1997年—2008年共12年來降水量變化如圖2所示，多年平均年降水量為585.4 mm，降雨量最大值和最小值分別是915.3 mm(2003年)和317.3 mm(1997年)。12年中降水量低于平均值有7年,在-45.8%～-4.9%之間,降水量高于平均值有5年在24.8%～56.3%之間，說明鄭州大學新校區多年平均降雨量降水差異較大，時空分布不均，存在明顯的豐水年和枯水年[4]。

3.2 降水量年內變化特征

月平均降水量如圖3所示，降水年內分配不均勻，隨季節變化起伏較大，降水量在1月～5月呈現為持續增長趨勢，6月略有下降，6月～7月降水量的增長十分明顯，自7月開始，降水量逐月下降。月平均降水量的最大值和最小值分別為147.17 mm(7月，占全年的25.67%)和7.62 mm(1月，占全年的1.33%)。

各季節平均降水量分布如表1所示，可以看出研究區域的降水量隨季節變化大，季度平均降水量最大值和最小值分別為312.77 mm(夏季)和26.05 mm(冬季)，全年降水主要集中在夏季，降水量占全年的半數以上，春季降水量略多于秋季，冬季最少。春、夏、秋、冬四季降水量占全年降水量的百分比分別為21.59%，54.56%，19.31%，4.54%[5]。

表1 1997年—2008年四季平均降水量

圖4是1997年—2008年十年間日降水量大于50 mm的暴雨發生次數統計，結果表明，研究區域的暴雨主要集中在7月、8月份，7月、8月份的暴雨次數占10年的76.2%。總體來說，研究區域的降水主要集中在春夏秋三季，夏季最多，降水量占到全年的半數以上，暴雨主要發生在7月、8月份[6]。

4 解決方案研究

1)減少地表徑流。鄭州大學新校區柳園地面平坦、硬化程度高、透水性較差，地面徑流大。當發生較大降雨時，下滲量和截留量較小，容易產生較大的路面徑流，給排水管道造成較大的壓力，積水不能及時排出。為此，可以增大園區的綠化面積，增加下滲量和截留量。在地表適當增加排水井口，促進地表積水順利排出，減少積水和徑流。

2)增大地面下滲能力。研究園區地面多以水泥、瀝青、不透水磚構成，地面硬化程度高，下滲量極小。我們建議，對于宿舍樓之間空地可采用透水磚重新鋪裝，或者也可采用透水性較好的地面材料，以增大地面下滲能力，補充地下水并能削減一定量的峰值流量。

3)合理布設綠化。宿舍周圍的綠色植被不僅可以美化環境、隔聲降噪、凈化空氣、愉悅身心，在降雨過程中還能起到截留蓄洪的作用。因此在宿舍周圍應該增大綠地花壇面積，合理規劃，組合種植各類植被。此外還可以布置低勢綠地和植草溝，增大填洼率，分擔排水系統的部分輸送雨水徑流的壓力[7]。