短時強降水對劍河縣城市內澇風險影響分析

舒子倩,石 宇,吳 慮,楊勝忠,李舒穎

(1.貴州省劍河縣氣象局,貴州 劍河 556400;2.貴州省貴陽市環境信息中心,貴州 貴陽 550002;3.貴州省凱里市氣象局,貴州 凱里 556000;4.貴州省黔東南苗族侗族自治州氣象局,貴州 凱里 556000)

0 引言

城市化發展和氣候變化使得城市洪澇災害問題日益嚴重[1],城市內澇已成為中國城市防災減災體系和城市水資源管理中亟待解決的問題,并制約著社會可持續發展[2]。全球變暖引起氣候變化,區域氣候變化和城市化發展也同時改變了城市降水格局,城市化引起的城市“熱島效應”和“雨島效應”增加了城市降雨頻率與強度,直接誘發了城市暴雨內澇,而造成內澇的客觀原因是大強度的降雨[3-4]。

劍河縣城在2007年建成搬遷,隨著縣城的發展和人民生活需求的日益增長,劍河縣城管網排水能力已逐漸無法滿足當前的排水需求,特別是當強降水發生時,地表徑流超過城市管網排水能力,就會導致城市內澇災害的發生,造成不同程度的人員傷亡和城市基礎設施的損壞,嚴重影響著城市運行及人民生活[5-10]。

通過分析劍河縣城降雨變化趨勢,結合城區的易澇點及歷史積水資料,得出內澇災害風險的分布特征及演變規律,開展氣象條件致災關鍵環節的研究,有助于劍河縣內澇災害氣象決策服務更加精細化,為加強城市災害的應急處置和應對防范能力體系建設提供氣象服務支撐。

1 資料與方法

采用2007—2021年劍河縣國家氣象觀測站臺站降水數據、DEM數字高程數據地理資料及2019—2021年劍河縣城易澇點道路積水觀測數據。利用趨勢分析方法、回歸分析法分析降水季節變化、降雨日數、雨強等特征;使用ArcGIS對劍河縣城高程數據DEM進行道路積水區的提取;結合降雨分析、道路積水區分析、歷史積水資料[11],研究短時強降水對劍河城區的積水影響。

2 強降水變化特征

2.1 降水季節變化

研究逐月降水變化趨勢發現(圖1),近15 a來降水主要集中在4—9月,占全年降水的74.5%,該時段也是劍河縣城短時強降水、大雨、暴雨的集中高發期(如圖2所示)。

圖1 劍河縣降水量逐月變化

圖2 2007—2021年劍河縣各月短時強降水(a)、大雨級別以上(b)和暴雨級別以上(c)出現總日數

2.2 降雨日數及雨強變化

據統計,2007—2021年劍河出現大雨(降雨量≥25 mm)的日數為175 d,出現暴雨(降雨量≥50 mm)的日數為42 d,其中4—9月大雨以上量級天數為151 d,占比86%,暴雨級別以上天數為39 d,占93%,說明在4—9月為劍河降水主要時期。如圖3所示,4—9月暴雨以上級別出現日數呈逐年減少趨勢,但大雨出現日數呈增多趨勢。經統計,在大雨級別以上降水天數中,3 h內達到大雨及以上量級的天數為77 d,占比44%,而1 h內達到大雨及以上的天數為35 d,占比20%。

圖3 劍河縣2007—2021年4—9月大雨、暴雨以上級別天數及線性趨勢

在降雨量方面,近15 a來1 h最大降水量呈逐年波動增加趨勢,且主要發生在4—9月,與劍河主要降雨期相一致,其中達到20 mm降水集中發生在20～45 min時段的發生頻次最高(表1及圖4、圖5所示)。

表1 劍河縣城歷年各短歷時強降水最大值及各歷時短時強降水出現次數

圖4 2007—2021年1 h最大降雨量變化趨勢

圖5 2007—2021年短時強降水(降水量20 mm·h-1以上)出現次數統計

從短時強降水量逐年變化來看,短時強降水量逐年波動增加,加之強降水發生的時間短,降水匯流造成城市管道排水壓力大,導致排水不及時低洼地帶積水現象。當積水深度達到20 cm時,步行困難;積水深度超過30 cm時,自行車、小汽車行進困難,交通受阻。因此,短時強降水與城市積水內澇緊密相關。

3 城市內澇風險評估

3.1 道路積水區提取

使用ArcGIS對劍河縣城高程數據DEM進行道路積水區的提取,地理信息數據處理技術路線如圖6所示。

圖7為重分類后的高程差圖,圖中顏色越深、圖例上數字越大,代表道路積水的可能性越大。由圖所示,劍河城區可能出現的道路積水區有:仰阿莎西大道至汽車站門口一帶、民族醫院至荷花小區之間道路、體育館西側、廣場路兩側、中國農行門口、常馳溫泉大酒店門口、城關一小門口至老客車站、革東大道。

圖7 重分類后的道路高程差DEM

經與歷史實況核對,仰阿莎西大道至汽車站門口一帶、民族醫院至荷花小區之間道路、體育館西側、廣場路兩側、城關一小門口至老客車站、革東大道等路段,確實存在強降雨時道路積水情況。

3.2 降雨對縣城積水的影響

短時強降水造成劍河縣城積水內澇的詳細記錄并不多。對劍河縣城易澇區域開展積水監測,并選定城關一小門口至老客車站積水點的積水數據作為主要內澇分析數據(見表2)。例如2018年4月13日劍河縣城出現強降雨天氣,5 min降水22.1 mm,20 min降水52.7 mm,造成縣城嚴重內澇,城關一小旁積水深度超過30 cm,對居民工作生活出行都造成了嚴重影響。2020年5月11日早上劍河縣城同樣出現短時強降雨天氣,降水僅造成道路積水,積水深度約10 cm,并未造成嚴重內澇,但仍需要將易積水路段路邊排水溝的雨水篦子打開加速排水。

表2 劍河縣城關一小積水點積水內澇記錄各短歷時降水量及積水深度

幾次積水內澇記錄表明,當短時強降水發生時,易造成縣城易積水路段積水[11],需要采取相應措施加速排水;短時強降水發生的時間越短,積水嚴重程度深,甚至會演變成內澇,需要及時采取抽水排水等措施,避免對居民生產生活造成嚴重影響。

由于目前歷史積水內澇記錄較為缺乏,僅可初步確定當小時雨強達到20 mm以上時,劍河縣易澇路段將出現10～20 cm積水,對居民出行影響較大,需加強監測并提示相關部門注意易積水路段可能出現積水風險;當小時雨強超過30 mm時,將出現20 cm以上積水,對過往車輛及低洼段建筑影響較大,需及時聯系相關部門建議在易積水路段采取相應排水措施,避免出現積水內澇情況影響居民工作生活,同時開展公眾服務提醒居民注意出行安全[11];當小時雨強超過50 mm時,將出現30 cm以上積水,對過往車輛及低洼段建筑影響很大,行駛車輛應當就近到安全區域暫避,避免將車輛停放在低洼易澇等危險區域,如遇嚴重水浸等危險情況應立即棄車逃生。相關應急處置部門和搶險單位應當嚴密監視災情,做好內澇可能引發的其他災害應急搶險救災工作。

根據以上結論,劍河縣氣象局初步制定了內澇風險預警服務指標(表3)并運用于本地氣象服務業務,由于積水內澇記錄較為匱乏,后續需繼續加強對短時強降水造成城市積水內澇的相關觀測記錄,進一步優化預警服務內容。

表3 劍河縣城市內澇氣象風險預警指標及其服務流程

4 結論

劍河縣城降水主要集中在4—9月,占全年降水的74.5%,該時段也是劍河縣城短時強降水、大雨、暴雨的集中高發期。

4—9月暴雨以上級別出現日數呈逐年減少趨勢,但大雨出現日數呈增多趨勢。近15 a來1 h最大降水量呈逐年波動增加趨勢,且主要發生在4—9月,與劍河主要降雨期相一致,其中短時強降水集中發生在20～45 min時段的發生頻次最高。

利用ArcGIS系統并結合實際城市地形,提取劍河易積水路段,結合歷史信息確定易對居民生活造成影響的積水點為:仰阿莎西大道至汽車站門口一帶、民族醫院至荷花小區之間道路、體育館西側、廣場路兩側、城關一小門口至老客車站、革東大道。

積水內澇記錄表明,當短時強降水發生時,易造成縣城易積水路段積水,需要采取相應措施加速易積水路段排水;短時強降水發生的時間越短,積水嚴重程度會逐步加深,甚至會演變成內澇,需要及時采取抽水排水等措施,避免對居民生產生活造成嚴重影響[11]。根據目前積水內澇記錄,當小時雨強達到20 mm且未來降水持續時,有積水達到10～20 cm的風險,對行人過往造成影響,需加強監測并提示相關部門注意易積水路段可能出現積水風險;小時雨強超過30 mm時,有積水超過20 cm以上的風險,對車輛及低洼路段建筑影響較大,需及時聯系相關部門建議在易積水路段采取相應排水措施,避免出現積水內澇情況影響居民工作生活,同時開展公眾服務提醒居民注意出行安全;當小時雨強超過50 mm時,有積水超過30 cm以上的風險,對過往車輛及低洼段建筑影響很大,行駛車輛應當就近到安全區域暫避,避免將車輛停放在低洼易澇等危險區域,如遇嚴重水浸等危險情況應當立即棄車逃生。相關應急處置部門和搶險單位應當嚴密監視災情,做好內澇可能引發的其他災害應急搶險救災工作。