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基于内涝模型的西安市区强降水内涝成因分析

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第36卷第6期 2∞8年1 2门 气 象科技 Vol_36,No.6 Dec.2OO8 METE0R()L()GICAI SCIENCE AND TECHN()I OGY 基于内涝模型的西安市区强降水内涝成因分析 王建鹏 薛春芳 解以扬。 金丽娜 薛荣 (1西安市气象局,两安71OO16;2天津市气象科学研究所,天津300O74) 摘要利用西安市近1O~40年降水资料、市政信息资料,采用统计学方法,分析了强降水内涝的成因。结果表明: 短时强降水或过程量偏大的降水天气过程是引发两安市内涝的直接气象因素;排水能力的强弱是发生内涝关键因 素;随着城市化的发展.极端雨强的强度及大于1o mm/h降水的总时次数均有上升趋势,强降水发生概率的提高加 强了内涝灾害发生频率及强度,城市效应是内涝加强的主要原因。用西安市强降水内涝仿真模型来进行模拟试验 表明:西安是一个内涝发生降水雨强临界值偏低的城市,小时雨强3 mm/h、13 mm/h是发生内涝、严重内涝的f 界 值,天气预报、雨情监测重点及市政防御关键部位是西北区。总体上缩小井距效果好一些。 关键词强降水城区内涝模拟分析 引言 拟和评估,目前在国内处于先进行列。本文利用西 安市逐时降水资料、市政信息资料,运用统计学方 法,借助西安市强降水内涝仿真模型,对西安市区强 降水内涝的成因进行分析和模拟。 1 内涝灾害形成因素及特征 1.1 形成因素 城市内涝灾害是由于短时强降水或过程雨量偏 大造成径流过多,在地势低洼、排水不畅等情况下而 形成积水的城市自然灾害。西安是一座古城,在一 些地区由于排水设施较差,遇有强降水极易遭受内 涝灾害,导致交通受阻,房屋进水,甚至人员死亡,严 重影响了市民的 作与生活。防灾减灾等决策部门 除需要及时的预报与雨情信息外,还迫切需要因强 降水导致的内涝信息,掌握内涝灾害的发生、分布规 律特征及灾害风险大小等,根据这些需求,有必要对 构成灾害的致灾因子与影响因素进行分析,对内涝 灾害的发生概率、影响范围、强度给予估算和模拟试 1.1.1 气象因素 短时强降水或过程量偏大的降水天气过程是引 发西安市内涝的直接气象因素。以日降水总量统 计,1995~2O06年4~1O月共出现降水714天,发 生大雨54天,暴雨6天。由于致涝和降雨强度相关 性更密切,如以小时雨强标准(1小时降水量大于8 mm为大雨,16 mm为暴雨 ],本文定义日降水或小 时降水达大雨或以上量级为强降水)统计,则发生大 雨64时次,暴雨13时次,显然强降水发生概率提 高,对714天降水在一天内24 h逐时(同气象观测 划分日界,取21:OO至次日20:O0)降水特征再进行 统计结果见图1。 从小时总雨日数变化可以看出:一日内降水多 验,为制定避免风险或降低风险决策提供科学依据。 早在20世纪8o年代后期,美、英等国的水文气 象学家就开始对城市的积涝问题进行了研究,如 Scofield,R.A.等 用四维同化变分技术建立了城 市积涝和排水的决策系统,并建立了城市积涝的数 值模式。我国在2O世纪9O年代的中后期也开始了 城市积涝的研究:谭术魁等l2]对武汉市的积涝灾害 及治理策略进行了研究,认为暴雨多,地势低洼,暴 雨强度超过了排水标准等是积涝出现的最主要原 因;解以扬等 ]运用基于GIS的暴雨内涝灾害仿真 模型,从降雨的角度对暴雨积涝灾害的风险进行模 发生在O5:OO~12:O0时段,尤其集中在07:OO~ 1O:O0时段,傍晚前后的20:OO~21:O0为另一个相 对多发时段。同时大雨以上逐时特征在04:O0~ 08:O0和18:O0~21:O0为两个高发期,以O8:O0最 作者简介:王建鹏,男,1972年生,硕士,高级工程师,主要从事天气预报工作,EmaiI:xa wjp@126.com 收稿口期:2(J(】7年4月27日;定稿日期:2 c)(】7年7月28日 第6期 王建鹏等:基于内涝模型的西安市区强降水内涝成l大J分析 773 40 35 30 25每 2O冒 5 藿 O —・●一小时总雨日数—-.卜大雨以上雨日数 —_1.r-一小时最大雨强 一÷‘一小时平均雨强 陶1 1 995~2O06年4~1O月降水日平均逐小时 (21:00至次日2O:OO)降水分布 为显著。逐小时平均雨强在O4:()0、08:O0、18:00、 20:O0为高值,以08:O0雨强最大。最大雨强在 20:OO表现最强,08:()()次之。以上统计反映西安在 后夜到上午、傍晚前后易降雨且雨强大,尤其是 08:O0前后、2O:()0前后更为明显,这个时段正值市 民上下班、学生上学放学,交通流量大,此时发生内 涝灾害社会影响大。 1.1.2排水能力 排水能力的强弱是发生内涝关键因素。西安市 区面积1O66 km。,在西安市旧城区和城中村一些地 方排水管网管径小,总长度短,甚至无地下排水管, 排水能力差 ]。根据西安市城市防汛办公室提供的 资料,西安市大积水区共有17处,主要为低洼区(南 窑地、南郭上村、红星巷、东窑坊、二马路与振华路口 等)、立交地带(北二环立交、星火路立交、朝阳门立 交等)及旧城区(尚朴路案板街口等)。根据统计,20 世纪80、90年代,城市生活用水量和城市下水道总 长度比值分别为1.68、2.1ll,198O~l998年逐年比 值变化来看(图2,资料来源:《西安五十年》,中国统 计出版社,1999),90年代中后期,排水设施建设速 度跟不上排水量,因为西安大部分下水管为雨污合 流,生活用水造成的污水排出量占用了管道体积增 大,影响了雨水的排出,容易造成管道满流而形成地 面积水。 35 害2/ ’’一1、. .. ^.・.- 15 0 10 5 0 l980 l983 l986 l989 l992 I995 l998 图2 198O~1998年城市生活用水量与下水道总长度之比 1.1.3 城市效应 城市效应是内涝加强的主要原因。城市效应又 与城市化进程密切相关。一方面随着城市的发展和 面积扩张,市区房屋建筑密集,混凝土铺盖的不透水 地面面积大增,雨水渗透减少,使得城市对雨水调蓄 的功能下降。另一方面城市人口不断增加,经济不断 发展,城市的用水量和排水量也在不断增加,这些变 化也使城市已有的排涝标准呈必然下降的趋势。再 次,近年来包括我国西部兰州l6]、西安等省会城市在 内的热岛效应愈来愈明显,城市建设的气候效应使城 市降水增加。田武文等 研究指 :存196l~20¨03 年期间,因城市热岛效应使西安温度上升了1.07℃, 1992年后热岛效应明显,城市化诱发的“热岛效应”改 变了城市及周围地区的温度场分布和次级环流,从而 改变降雨的时空分布,在城区形成“雨岛”。 统计出1966~2O06年盛夏(6~8月)逐年1 h极 端雨强及1 h大于l0 mm降水时数,并用累积距平方 法进行趋势分析(图3)。从图3看出,l992年后随着 城市化的发展,极端雨强的强度及大于10 mm降水 时数发生频率均有上升趋势,强降水发生概率的提高 使得内涝灾害发生的频率及强度也加强。 一 2OO { O 昌~200 ~400 越~6OO s慕 瞿咖0 留 加 留一l00O l200 15 l966 1976 1986 1996 2O06 同3 l966~2【)【]6年6~8月极端小时雨强、降水强度 大于1O mm/h总时次数的累积距平 1.2 内涝特征 对l995~2O06年l8个内涝过程进行分析(图 4),内涝多发生存5~9月,其中5月1次,6月5 次,7月最多(7次),8月3次,9月2次。不难看出, 西安是一个内涝发生降水雨强临界值偏低的城市, ,、 I40 一 己 l20 f —L …l l ^mⅫ。u任 l : 删60 I — I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 1l l2 l3 14 15 l6 l7 18 过程序号 网4 内涝过程的最大雨强和总雨量 774 气 象 平均雨强】4.2 mm/l1,最小雨强仅3.5 mm/h,最小 过程雨量仅14.3 mn1。 2 内涝灾害模拟分析 用西安市强降水内涝预警系统进行内涝灾害的 模拟分析。该系统核心是应用天津大学和天津气象 科学研究所联合开发的城市暴雨内涝数学模型,以 城市地表与明渠河道水流运动为主要模拟对象,基 本控制方程以平面二维非恒定流的基本方程为骨 架,同时,针对小于离散网格尺度的排水渠涌或河 道,在二维模型中采用了一维明渠非恒定流方程的 算法,并结合西安城市地形、地貌、排水设施等多种 凶素开发而成。解以扬 ]、郑传新 分别以此内涝 数学模型为核心,建立了天津、柳州内涝预警系统, 并进行了内涝灾害过程模拟及风险分析,西安市的 内涝灾害预警系统已在2()()7年汛期实现业务化试 运行,对历史积涝个例模拟结果进行检验,积水模拟 效果较好.可以用来进行模拟试验。 设计多种方案进行数值模拟.以获取在不同的 情况下,西安内涝灾害发生及分布特征,得出的结果 可以为预防及减轻内涝灾害给予技术支撑。把内涝 划分为4级c3]:1级(无积涝),城区路面积水3 cm 以下;2级(轻度积涝),城区有微量积水,路面积水3 ~10 cm之问,对交通、生产、生活影响不大;3级(中 度积涝),城区有积水,路面积水10~25 cm之间,对 交通、生活造成一定影响,行人通行困难,对生产基 本无影响;4级(重度积涝),城区积水严重,路面积 水平均大于25 cm,引起车辆熄火、交通堵塞,有工 厂、商店、居民家庭进水现象发生,对生产、生活造成 严重影响。 方案l:不同量级降水的致涝结果分析。由于 内涝主要和降水相关,不同的降水强度引起的内涝 范围和强度不同,同一降水强度下,不同地区由于下 垫面特征及排水设施差异,内涝发生的程度也不相 同。对降水强度由小到大进行内涝模拟试验(表 1),以揭示各级降水强度下城 不同地点对降水的 敏感程度。对雨强的划分采取以下标准(3 h降水 量):5.O~9.9 mm为中雨,lO.O~19.9 mm为大 雨,l5.0~24.9 mm为大到暴雨,20.0~37.9 mm 为暴雨,25.0~49.9 mm为暴雨到大暴雨,大于等 于38.O mm为大暴雨。平均】h雨量分别为3、5、 6.67、8.33、12.67、16.67 mm。 科 技 第36卷 表l 西安市不同降水强度下的内涝灾害模拟结果 可以看 ,平均1 h雨量仅为3 mm时就有10 处2级积涝,说明西安发生灾害风险的气象条件阈 值偏低。平均小时雨强达到12.67 mm/h时,2级 灾害发生区域数由8处增至136处,发生跃变,并开 始出现严重的4级灾害,13 mm/h小时雨强是发生 重灾的临界值。 方案2:降水区域分布不均的致涝结果分析。 夏季西安城区往往m现局地强降水,根据多年主观 经验及调查,西安存有利降水的天气形势下,多吹西 北风或东南风,降水的局地性差异主要表现在西北 与东南区域,所以考虑2种情况进行模拟:第1种, 东南站出现大暴雨,西北站不出现降水或小量降水; 第2种降水分布情况相反。 由表2可知,当强降水发生在西安市西北方向 时,导致的内涝灾害重于强降水发生在城区东南部, 4级内涝灾害发生区域数是东南的近4倍。这是方 面由于西安城区地势总体为东南高西北低,西北区 域多低洼地,另一方面城市建设西北 相对落后于 东南,多棚户区,排水设施条件也相对不如东南区。 所以在防御局地强降水引发的内涝灾害时,天气预 报、雨情监测重点及市政防御关键部位是西北区。 表2西安市内涝灾害模拟结果:强降水发生区域数 方案3:改变局部排水设施的致涝模拟。内涝 的发生和排水设施有着很大的关系。地面上的收水 井的疏密(计距)、排水管的粗细和长度影响着地表 水的排放。改变排水设施将减轻内涝灾害的发生, 那么选取何种方案改造、改造后的效果会如何,用内 涝数学模型来进行模拟不需要实物投入,就能回答 这一问题。采取缩小井距(至25 m)、加大部分易积 水区管长(北关地区网格管长均加大至3O00 m)两 种方法,降水量用2OO7年7月26日城区5个站点 的雨量监测资料作为降水边界条件,模拟结果和未 第6期 王建鹏等:基于内涝模型的西安市区强降水内涝成园分析 775 改变前的7月26日的实况对比。在缩小l井距的情 重内涝的临界值。 (3)天气预报、雨情监测重点及市政防御关键部 位是西北区。改变排水设施可减轻内涝灾害,总体 上缩小井距效果好一些。 参考文献 [1] scofieId R A. The EsDIs。perati0naI convective ecipitation estimati0n techni lc[J].M。n.wea.Rev.,1987,¨5(8):1773 —况下,原来3级以上32处积水全部下降,平均减小 积水深度5 cm,最小2 cm(万寿路),最大为10 cm (航空饮料公司东),有9处降至2级灾害,占28%。 管长加大后,北天地 的积水普遍降低.平均下降 1.5 cm,最大为5.2 cm(赵家村),次之为5.1 cm(省 气象局门口),另外有市第二机砖厂北、小白杨南等 8处积水略增,但增幅最大为0.3 cm,可视为无变 化。从整个区域积水改善效果来讲.缩小井距效果 1792. [2] 谭术魁,伍维周.武汉市渍涝灾害及治理策略研究[J].湖北大 学学报,1995,1 7(2):22O一226. 好一些,但是在个别地方,如联志村、省气象局门口 两种改造方式使积水分刖下降3.3 cm、5.1 cm,适 当增加管长相对好些。 3 结论 [3]解以扬,韩素芹,由立宏,等.天津市暴雨内涝灾害风险分析 [J].气象科学,2()(]4,24(3):3|l2—349. [4]张强,杨贤为,张永山,等.京沪沿线强降水频率及大风频率分 布特征[J].气象科技,2oo3,31(1):45 49. [5]西安市统计局年鉴编委会.两安年鉴(2∞6)[M].西安:西安出 (1)短时强降水或过程量偏大的降水天气过程 版社,2f)(]6:34—35. 是引发西安市内涝的直接气象凶素;排水能力的强 [6] 白虎志,任闫玉,方锋.兰州城市热岛效应特征及其影响因子研 究[J].气象科技,2()(]5,33(6):492—5OO. [7] 田武文,黄祖英,胡春娟.西安市气候变暖与城市效应问题研究 [J].应用气象学报,2O06,1 7(4):438—443. [8]郑传新,米浦强,陈剑兵,等.柳州市积涝过程模拟及灾害风险 弱是发生内涝关键[大J素;随着城市化的发展,极端雨 强的强度及大于10 mm降水时数发生频率均有上 升趋势,强降水发生概率提高,内涝灾害发生的频率 及强度也加强,城市效应是内涝加强的主要原因。 (2)西安是一个内涝发生降水雨强临界值偏低 的城市,雨强为3 mm/h、l3 mm h是发生内涝、严 评估[J].气象,2|】(]7,33(11):72—75. CausalatiVe Analysis 0f Urban Water10g ng Induced by Severe RainfaIl in Xi’aIl with Numerical M0del Wang J ianpeng Xue Chunfang Xie Yiyang J in I ina Xue Rong (1 Xi’an Meteoro1ogical Bureau.Xi’an 71OO1 6:2 Tia njin Insititute of Meteorology,Tia njin 3OOO74) Abstract:The hour to—hour precipitation data in the recent l0 to 4O years in Xi’an and waterlogging information fr0m the 1ocal government are used to analyze the formation causes of waterlogging induced by severe rainfal1. The short time severe rain, or rain with large amOunt, is the direct cause for Xi’an’s waterlogging。and the drainage capacity{s also a key factor. Along wjth the deve1opment of Xj’an’s urbanizati0n, both the intensity of severe rainfall and the number of severe rains with 1一hour precipitation being greater than 1O mm increase. The increased frequency of severe rains increased the frequency and i『】tensity of waterloggi『】g,and 1 he urbanizatjon is the majn cause of the enhanced urban waterlogging.The simulation analysis using the Water1ogging Numerical Model reveals that the thresholds of rain intensity for waterlogging in Xi’an are relatively low, 3 mm/h for waterlogging and 13 mm/h for severe waterlogging, The northwestern part of Xi’an is the most critical zone for weather forecasting, disaster mo11itoring and municipal waterlogging defense departments.Generally speaking,to shorten the distances between drainage wells i an effective approach. Key w0rds:severe rainfall, urban waterlogging, simulative analysis 

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