濟南市降雨徑流演變規律及洪澇災害成因分析

0 引言

城市化速度的不斷加快使城區不透水面積迅速增加，顯著影響了城市產匯流過程，城市面臨的洪澇災害問題日趨嚴重[1]。濟南市地勢呈南高北低，是典型的山前平原型城市，小清河是城區唯一的排洪通道，防洪壓力大。特殊的地形地貌使得濟南面臨著復雜嚴峻的洪澇災害問題[2]。2007年7月18日，濟南市發生了洪澇災害，給當地社會經濟及生命安全造成了巨大損失。這場200a一遇的特大暴雨在濟南市歷史上也十分罕見[3]。由于濟南市南北高程落差較大，南部區域的山洪沿坡度較大的道路迅速宣泄至市區，形成獨特的“南洪北澇”“馬路行洪”現象。據有關部門統計， 洪澇災害事件致使208人傷亡，超33萬人不同程度受災，間接經濟損失超數百億元[3-4]。本文以濟南市主城區為例，采用Mann-Kendall、Morlet小波和Sen's坡度估計法探究濟南市主城區約70a長序列降雨徑流演變規律，并分析年暴雨變化特征，揭示濟南市城市洪澇形成機制，同時基于濟南市公布的積水路段及點位等數據，從氣候、地形及人為等多角度分析城市洪澇成因，研究成果可為防洪減災提供參考。

1 研究區域概況

濟南市位于黃河中下游，屬溫帶季風性氣候，地處36^°10^′～37^°40^′N 和 116^°12^′～117^°44^′E 。濟南市多年平均氣溫 13.8^°C ，多年平均降雨量 647mm ，具有冬冷夏熱和雨熱同期的氣候特征[5-6]。地勢呈南高北低，南部地區多呈丘陵地帶，中部區域多為受山前平原侵蝕影響的堆積地帶，北部基本是黃河和小清河長期沖積形成的平原地帶，南北高差可達 140m ，屬典型山前平原型城市[5]。本文選擇的研究區為高度城鎮化區域的濟南市主城區，主城區流域邊界主要參考黃臺橋水文站控制流域邊界，并依據地形圖和實地調研資料對邊界進行修正，修正后流域面積約為 322km² ，基本覆蓋整個濟南市主城區，并涵蓋部分西北郊區，主城區水系情況如圖1所示。主城區水系大多隸屬于小清河水系，主要包含小清河及其主要支流（東西洛河、東西工商河及興濟河等諸多河流）。境內河流水系多為羽狀雨源型山系河流，河道坡陡流急，北岸支流受人類活動影響較大，水系多為灌溉尾水渠，坡度小且流速緩慢[4，6] O

2 洪澇災害問題

濟南市面臨的洪澇災害問題主要有兩種：洪水災害和雨澇災害。洪澇災害問題具有明顯的季節性、區域性和反復性等特征。從季節性特征來看，旱季時，長清與平陰地區河流匯入黃河，然而在雨季時則會因黃河來水頂托等原因，積水難以外排，易形成澇災。洪澇災害問題主要集中發生在降雨高度集中的7＼～8月，短歷時強降雨可直接引發洪澇災害[2]。從區域性特征來看，濟南市主城區河道地形多為南高北低，河道兩岸多受暴雨洪水災害侵襲，且經常出現洪水猛漲緩落現象，北部小清河兩岸及中部低洼地帶由于城市管網系統排澇能力弱，低洼地帶很快淹沒，極易遭受雨澇災害，而高架橋立交橋下積水澇災也會經常使交通要道阻塞[4-5]。濟南市的洪水災害多由暴雨和黃河來水引發，雨澇災害則因城區排水管網系統排水不暢所致，小清河及其支流是濟南市城區主要排水通道，但其泄洪能力十分有限。雨季時，沿河兩岸極易出現逢雨必澇、逢水必淹等現象[2]

3 數據與方法

3.1 基礎數據

氣象水文數據主要包括主城區流域內各站點小時尺度降雨數據和黃臺橋站逐年徑流數據。降雨主要選取流域內黃臺橋、東紅廟、燕子山、劉家莊、興隆等5座雨量站 1950～2020 年的逐時降雨數據，并采用泰森多邊形法推求流域平均降雨量。徑流數據選取主城區流域唯一排水出口黃臺橋站 1951～2019 年的年徑流數據。降雨徑流數據主要用于分析主城區降雨徑流演變規律，探究城市洪澇成因。以上數據均來源于濟南市水文中心。

3.2 研究方法

3.2.1 Mann-Kendall法

Mann-Kendall法（簡稱M-K法）是一種非參數

檢驗法，該方法在分析診斷水文氣象序列的趨勢變化方面應用廣泛[6-7]。M－K法主要通過計算正態分布統計量 Z 來判斷序列 X 趨勢變化情況。

定義正態分布統計量 Z ，并假設 Z 服從均值為0、方差為 var（S） 的正態分布。

Z 值大小可指示序列趨勢與顯著水平， Zgt;0 表示序列呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢， Z=0 表示無明顯變化趨勢。在給定置信水平下，若IZ|≥Z1-，則表示序列趨勢變化顯著。當 |Z|gt;1.96 和2.58時，表示序列分別在 95% 和 99% 的置信水平上變化趨勢顯著。

當進行突變檢驗時，定義 m_i 為樣本 x_jgt;x_i 的累積數， k（2?k?n） 為代表序列中的第 k 個數據。

E（d_k） 和 var（d_k） 為 d_k 的期望和方差，定義統計量UF（k） ：

通過式（3）可以換算得到 UF^′（k） ，令：

UB（k）=-UF^′（k）

式中： UF^′ 為數據序列按照時間逆序根據式（3）計算的結果。

繪制 UF（k） 和 UB（k） 曲線。若 UFgt;0 或 UBgt;0 則表示序列呈現上升趨勢，否則呈下降趨勢。若 UF 線始終位于臨界線范圍內，則說明序列趨勢變化不顯著，否則呈顯著趨勢。兩條曲線在給定置信水平的臨界線范圍內交點時間節點即為突變開始時間節點。

3.2.2 Morlet小波分析

Morlet小波分析可以直觀反映非平穩水文氣象序列不同時間尺度的周期性特征，并對其未來發展趨勢進行定性評估，自前已經成功地應用于許多水文水資源問題[8]。小波函數 通過伸縮或平移尺度因子來獲取序列信號頻譜特征，分析局部或全局信息變化特征，進而達到分析數據序列多尺度時空變化特征目的，其主要原理由式（5）和（6）體現

式中： W_f（a，b） 為小波變換系數； Ξ_t 為時域 _;f 為函數關系； a 為尺度因子； b 為平移因子； Δt 為采樣時間間隔。

小波方差計算公式為

小波方差變化圖可反映信號波動強度變化特征，也可計算序列變化主周期。通過實部小波系數等值線圖可分析不同時間尺度序列周期豐枯變化特征。

3.2.3Sen's坡度估計法

Sen's坡度估計法可以降低外界影響因子對水文氣象序列趨勢分析的干擾，特別是可以有效減少序列異常值對趨勢分析的影響，可以較為精準地估計長期序列趨勢變化大小，通常與Mann-Kendall方法結合使用[6-7]。Sen's坡度計算公式為

式中：median表示取中位數； 1?j?i?n;β 為坡度估計值，其值大小表示趨勢變化速度，即 |β| 越大，序列變化速度越快， βgt;0 表示序列呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢。

4降雨徑流演變規律

降雨和徑流是水循環演變中的兩個關鍵要素，分析其趨勢變化特征對揭示洪澇形成原因具有重要意義。本文選用Mann-Kendall、Morlet小波和Sens坡度估計等3種方法分析濟南市主城區流域 1950～ 2020年的降雨徑流演變趨勢。

4.1 降雨變化特征

采用Morlet小波方法分析濟南市主城區年降雨量周期性變化特征。小波分析等值線結果如圖2所示。在 1950～2020 年中，濟南市年降雨量呈現多個時間尺度周期變化特征。從圖中可看出明顯的震蕩周期分別出現在3＼～7a，10＼～19a， 20～30a ，中心尺度分別存在5a，12a，19a以及22a左右的周期，大周期尺度往往嵌套小時間尺度，且正負位相交替出現。從震蕩周期為 20～30a ，中心尺度為 23a 這一尺度來看，1961＼～1966年、 .1974～1979 年、 1990～1995 年、 2005～2010 年各時段降雨偏多，其余年份降雨偏少。從2020 年以后未閉合的曲線來看，2020年以后降雨量很可能增加。

年降雨量小波方差圖見圖3，年降雨量的小波方差具有3個顯著波峰（尺度因子），分別為5a，12a，22a ，其中最大周期尺度因子為22a，說明年降雨量在22a左右存在最大震蕩周期，由此可確定 1950～2020 年濟南市主城區年降雨量變化的主周期為 22a ，而5a，12a為次周期。

濟南市主城區年降雨量M-K趨勢分析統計量 Z 為0.1439，由于 Zgt;0 且 |Z|lt;1.96 ，通過Sen's坡度估計法計算的 β 為0.0075，表明年降雨量呈現不顯著微弱上升趨勢。在給定置信水平下， UF 和 UB 曲線交點雖較多，但無明顯突變點。濟南市 1950～2020 年雨量變化呈有增有減動態變化，但 UF 曲線始終位于臨界線（ ±1.96? 內，表明其趨勢變化不顯著。Mann-Kendall突變檢驗見圖4。

4.2 暴雨強度與頻次分析

經統計， 1950～2020 年濟南市共發生165場暴雨（降雨強度 gt;50mm/d ），其中21場大暴雨（ 100mm/d lt;降雨強度 lt;250mm/d ），1場特大暴雨（降雨強度為319mm/d ）。本文對暴雨強度與暴雨頻次進行趨勢分析，結果如圖5所示。

暴雨強度趨勢坡度值為0.0002，暴雨瀕次趨勢坡度值為0.0026，表示濟南市主城區 1950～2020 年暴雨強度與頻次均呈微弱增加趨勢。結合Morlet小波分析與M-K檢驗結果，預測濟南市未來年暴雨頻次呈現上升趨勢，面臨的城市洪澇災害可能更加嚴重，所以及時做好洪澇預報預警十分必要。

4.3 徑流變化特征

從圖6＼～7可看出，濟南市年徑流量存在13a和23a兩個明顯震蕩周期。從23a這一中心尺度來看，1961＼～1966年、1974＼～1979年、 .1990～1995 年、2005＼～2010年各時段徑流量偏多，其余年份相對偏少。濟南市多年徑流量序列變化主周期為 23a ，次周期為

對濟南市主城區流域年徑流量采用M-K法進行突變檢驗，結果見圖8。 UF 和UB曲線交點僅一個，位于 99% 置信區間外，突變點明顯，突變時間為1992年，統計量為 6.4796 。通過Sen's坡度估計法計算的β 為0.5782，表明年徑流量呈上升趨勢，與M-K法分析結果一致。主城區流域 1950～2020 年徑流變化有增有減，呈波動狀態， UF 曲線在1992年以后基本位于 ±2.576 的臨界線范圍外，說明年徑流量變化趨勢十分顯著。自1950年以來，年徑流量一直呈現波動顯著上升趨勢，這可能與快速城市化有關：黃臺橋水文站位于小清河流域上游，是濟南市主城區流域排水出口，城市化進程的不斷加快使得主城區不透水面積迅速擴張，降雨下滲量減小，進而使得徑流量增加。除此之外，徑流量的增加還可能與濟南的節水保泉措施有關，濟南采取的回灌地下水使得地下水位回升，地下水（泉水）補給河道的水量也增多，使得徑流量增加[2.9]

5 城市洪澇成因分析

濟南市城市市政排水系統基礎設施較為薄弱，且多建于2000年前后，主要覆蓋在人口較為集中的城市中心六區（市中區、天橋區、槐蔭區、高新區、歷城區、歷下區），其排澇設計標準相對較低，多為3～5a一遇，隨著城市的高速發展，污水溢流、道路積水、馬路行洪等問題多發、頻發。遭遇暴雨時，特別是短歷時強降雨，城區極易發生洪澇現象，部分地區出現積水，因此本文主要圍繞濟南市中心六區分析城市洪澇成因。根據2021年7月27日濟南交警部門發布數據，全市共有191處易積水路段，城內六區積水路段數量約占一半，且空間分布差異性較大。本文統計了近幾年濟南市城內六區易積水路段數量變化情況，如表1所示。經過多年的易積水路段的管網改造、河道清障、清淤疏浚與擴挖等工程措施，2021年市中區、槐蔭區、高新區和天橋區易積水路段數量較2018年明顯減少，歷下區和歷城區由于其處于城鎮開發邊界，快速的城市化進程導致其易積水路段較2018年分別增加6個和11個。從表1中可看出易積水路段總體數量呈現輕微增加態勢，且積水點地點呈現出向外擴張態勢，這可能與濟南市的快速城鎮化建設有關，而天橋區中易積水路段始終是各區數量之首，且多為鐵路橋路段，這與天橋區鐵路高架橋多等因素有關[10]

對積水點的具體位置進行分析可以得知，易積水路段主要有以下特點：

（1）易積水路段多位于主城區中高程相對較低的低洼地帶，如少年路、英雄山路、二環南路等。（2）積水路段多建有地下公共設施，如地下商場、商貿市場、地下停車場等， 強降雨中受災嚴重的泉城廣場中銀座商城亦是由于此原因導致。（3）通過各種城市建設工程降低地勢的路段，如順河高架橋、北園高架橋、二環西高架及鐵路橋等。

5.1 氣候因素

濟南市發生洪澇事件的時間多為汛期（7～9月），汛期降雨約占全年降雨量 80% ，受城市雨島與熱島效應影響，極易出現短歷時強降雨事件，極端降雨事件發生概率愈來愈大，且頻次與強度均呈現增大態勢。極端暴雨事件成為城市洪澇災害發生的直接致災因子。

5.2 地形因素

濟南市地勢南高北低，南部多為山區，北部鄰接黃河，城區地勢相對較低。由于城區北部建有黃河防洪工程，該工程較濟南市區高程約高 20m ，因此在市區北部地勢較低的天橋區形成一片類似于蓄滯洪區的丘陵地帶，此處極易發生洪澇災害事件。而受南北高差較大這一因素影響，南部山區洪水隨著道路快速行洪至主城區，此時遇到黃河防洪工程阻隔，無法順利排泄，僅能通過市區唯一排洪通道小清河泄洪，排洪壓力巨大。受南北地形差異與防洪工程措施綜合影響，濟南市主城區在遭遇暴雨時易出現大面積積水澇災。

5.3 人為因素

快速城市化使得城區不透水面積越來越大，道路硬質化率越來越高，下墊面的劇烈變化削弱了城區排水能力和下滲能力，同時城市建筑群快速擴張使得城市熱島效應與雨島效應不斷增強，進一步誘發極端暴雨事件，加劇了城市洪澇災害效應。城市高架橋的建設不斷降低橋底涵洞、隧洞地勢，使之逐漸成為低洼地帶，這些地方也成了城市洪澇事件發生的重災區。

6結論

本文從氣候、地形地貌及人類活動等3個方面探討典型山前平原型城市濟南市主城區洪澇災害成因及變化特征，為后續治理濟南市城市洪澇問題提供了參考，主要結論如下：

（1）濟南市主城區多年降雨量與徑流量均呈增加趨勢，且年徑流量增長趨勢十分明顯，這可能與近些年城市化進程的不斷加快和濟南市實施的調水節水保泉措施有關。

（2）預測未來濟南市遭遇極端暴雨的強度及頻次均呈現愈強、愈頻的趨勢，面臨的城市洪澇災害問題可能更加嚴重。

（3）濟南市主城區城市洪澇災害的主要致災因子為降雨和地形，城市化進程的不斷加快使得城市易積水點不斷增加，低洼地帶在面臨暴雨時極易出現洪澇災害，主城區僅有小清河一條泄洪通道，在面臨短歷時強降雨時極易出現排水不暢問題，形成澇災。

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（編輯：江文）

Analysis of rainfall runoff evolution law and flood disasters causes in Jinan City

CAI Silong1，WANG Jingjing2

（1.QingyuanHydrologyBranchofHydrologicalBureauofGuangdongProvinceQingyan515oChina；2.HydrologcalBureauof Guangdong Province，Guangzhou 51015O，China）

Abstract：With the profound impact ofclimate change and strong human activitiesonthe urban water cycle，the frequencyand intensityoffloodsandwaterlogingdisasters inmost cities in Chinaare increasing，aswellastheriskoffloods and waterlogging disasters.Inorder to conduct in-depth research on urban flood problems andtheir causes，we took he typical mountainous plain prototype cityofJinan Citywith prominentflood disasterssuchas flood disastersandrainand flood disasters asan example.Byusing the Mann-Kendall，Morlet wavelet，and Sen'sslope estimation methods，we analyzedthecharacteristicsofrainfallandrunoffchanges intheurbanareaof Jinan City from195O to 2O2O，explored the mechanism of urbanhydrologicalcycle，analyzed the formationmechanismof urban floods，anddeeplyanalyzed the causes of urban flood problemsfrom climate，topography，and human activities three aspects.The research results showed that theannualrainfalland runof inthemain urbanareaof Jinan Citywere increasing，andthemain disaster causing factors ofurban flooddisaster werefrequentshort-term heavyrainfalleventsandthe influenceoflower terrin in the mainurbanarea.It ispredictedthatthefrequencyand intensityofextremerainstorminJinan willincrease inthefuture，and the urban flood disaster maybe more serious.The research results can providea reference for urban flood disaster warning and forecasting.

Key words： urban flooding；rainfall runoff；extreme rainfall； Jinan City