廣州暴雨內澇-雨量關系與閾值研究

楊慧燕，王婷，高美譚，吳堅鈴，李黎微

（1.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430；2.廣州市荔灣區氣象局，廣東廣州 511430；3.廣州市黃埔區氣象局，廣東廣州 511430）

氣象災害是一種最為常見的自然災害，粵港澳地處珠江三角洲平原，受熱帶天氣系統影響頻繁，暴雨、強對流等氣象及其衍生災害尤為突出［1-3］。近年來，廣州暴雨強度增大、極端暴雨日數增多，加上廣州城市化進程的加速，加劇了城市內澇的發生，并極易在地勢低洼處、立交橋底、交通隧道地段產生積水內澇［4-8］。統計指出，發生在廣州的短時強降水事件中93%的短時強降水屬于局地性強降水，75%左右的內澇過程最大積水時間在3 h以內，可見廣州城市內澇與暴雨，特別是短歷時強降水有著密切的聯系。

為做好暴雨致澇的研究工作，國內外不少學者開始研究降水閾值和其致澇的特征［9-14］。史軍等［15］利用2007—2012年的暴雨過程，對上海暴雨強度和內澇災情數據進行關聯度分析，結果表明，暴雨積水與暴雨發生時間相比有明顯的滯后效應，應該關注暴雨出現初始的1 h降水強度和2 h累計雨量；姜曉芩等［16］利用2017—2019期間發生的內澇事件，對內澇特征及內澇與降雨的關系進行分析，發現內澇事件多發生在前汛期，以5月最多，短時強降雨比長時間降雨更容易導致城區發生內澇；楊帆等［17］統計了佛山1980—2010年的最大1 h地面平均降雨量，得到年最大1 h降雨序列，采用序列趨勢變化分析和暴雨頻率變化統計，對暴雨和潮位的概率進行系統分析，結果表明，佛山城區暴雨次數呈增大趨勢，且暴雨和高潮位遭遇的可能性較大，風險概率較高。

上述研究結果集中表明，暴雨（尤其是短歷時的強降水）是造成內澇災害的重要原因，暴雨過程對內澇災情的貢獻作用明顯，而內澇災情數與暴雨過程雨量、雨強顯著相關，但目前，尚缺乏針對不同強降水頻率下廣州市各區內澇災情的發生頻率及特點的研究，未能很好反映降水與致澇的相關性，因此，本研究利用近10年暴雨過程致澇的個例和自動氣象站降水數據，分析短時強降水特征與內澇災情的動態變化關系，了解致災性強降水的主要特點，從而給出廣州暴雨內澇雨量閾值。

1 資料與方法

1.1 數據資料

本研究主要采用的信息來源主要是水務部門排水管理中心提供的2010—2020年內澇災情信息。通過整理排水中心的暴雨防御簡報和一雨一報表，獲取了廣州市內澇隱患點及每次內澇過程的開始時間、結束時間、積水深度、積水原因、搶險措施等信息。對各內澇點與附近自動氣象站數據進行匹配，收集內澇過程發生時自動氣象站的降水時間、降雨量等數據，并對數據進行質量控制，主要針對異常值進行查找剔除，如個例中最大降水量超過了自動站數據，則回查該記錄的原始數據，并查找當天實況記錄，如確定異常則進行剔除；針對內澇個例數據進行時間連續性檢查，必須確保該過程有連續記錄，以保證個例的完整性和準確性。

經整理排水中心提供的內澇災情數據，可以發現廣州各區內澇點的空間分布特征，目前廣州全市共有474個內澇隱患點，主要分布在廣州中部的白云、天河、越秀、荔灣、海珠、黃埔等各區；而北部的從化及南部的南沙地區內澇點較少。近年來內澇過程次數呈現增長趨勢，其中發生內澇次數最多的是市政道路，其次是涵隧立交。

1.2 研究方法

本研究基于2010—2020年廣州發生內澇個例和氣象站逐時降水數據，首先，將內澇個例數據按3種不同道路類型進行分類統計，通過分析不同降水強度和降水持續時間對城市內澇的影響，分析前期降雨速率與內澇的關系；然后，按照城鎮內澇風險等級劃分標準選取3種不同道路類型（涵隧立交、市政道路和內巷小區）的內澇個例數據，進一步分析并驗證內澇過程與降水強度和積水深度的時空動態關系；最后，基于前面綜合暴雨過程和單個內澇個例的分析結果，采用線性回歸和概率密度法給出各內澇點不同內澇風險等級內澇雨量閾值指標。

2 結果與分析

2.1 廣州內澇特征分析

1）暴雨內澇與降雨開始后累計雨量的關系。

圖1是2010—2020年涵隧立交、市政道路、內巷小區發生內澇時自動氣象站最大累計降雨量，從圖1可以看出，涵隧立交發生內澇時主要是由1～2 h的集中降水導致的；而市政道路和內巷小區除了1～2 h的強降水造成，還有部分個例包括了3 h的累計雨量。因此，造成內澇的降水主要特點是短歷時強降水強度大、持續降水累計雨量大。涵隧立交主要考慮1～2 h最大累計降雨量與內澇的關系密切；市政道路和內巷小區在選擇內澇雨量閾值指標時，不僅要考慮1 h降水強度，還要考慮2～3 h累計雨量。

圖1 廣州市不同道路類型的內澇過程最大累計雨量

2）暴雨內澇與前期降水及降水速率的關系。

進一步分析內澇與降水強度和前期降水的關系特征，圖2a結果表明，暴雨內澇與暴雨發生時間相比，具有明顯的滯后性，滯后降水時間在2 h以內的占61%以上。確定暴雨內澇閾值，除關注內澇與降雨發生的時間外，還應關注發生內澇前的降水速率。經統計發現滯后時間與降水速率成反比關系，降水速率越強則滯后時間越短，30 min以內發生內澇的降雨速率為1.5 mm／min，60 min以內發生內澇的降雨速率為1 mm／min，120min以內發生內澇的降雨速率為0.5 mm／min，120 min以后發生內澇的降雨速率在0.5 mm／min以下（圖2b）。

圖2 廣州市內澇與降水時間（a）及降水速率（b）的關系

2.2 廣州市歷史內澇過程累計雨量和積水深度的特征

1）致澇的雨量特征和內澇等級。

分析近10年（2010—2020年）內澇過程對應的最大積水深度和自動氣象站的降雨量，發現內澇過程中最大小時雨量在19.2～125.8 mm，過程累計雨量在27.2～322.7 mm。最大小時雨量主要集中在20～50 mm，占60%；過程累計雨量最多是在50～85 mm，占37.5%；100 mm以上的累計雨量占35%（圖3a-b）。

圖3 廣州市致澇的雨量特征

根據廣州市城鎮內澇風險等級劃分標準，將輕度內澇對應Ⅳ級內澇風險等級，中度內澇對應Ⅲ級內澇風險等級，重度內澇對應Ⅱ級內澇風險等級，因水務局內澇風險等級劃分標準中未有（Ⅰ級內澇風險等級，參考國家標準將＞120 cm積水深度定為Ⅰ級內澇風險等級［18］。從圖3c可以發現不同的道路類型主要發生的內澇風險等級是有所區別的，涵隧立交積水深度主要是集中在Ⅲ級內澇風險等級，對應35～40 cm的積水深度；而市政道路則是集中發生在Ⅱ級和Ⅲ級內澇風險等級，對應30～120 cm的積水深度；而內巷小區主要集中發生在Ⅱ級內澇風險等級，對應的是40～120 cm的積水深度，由此可知，3種道路類型在Ⅰ級內澇風險等級發生的占比是最少的，而主要集中Ⅱ級和Ⅲ級內澇風險等級的占比較多。

2）不同道路類型個例1～3 h降雨量與內澇關系。

為了進一步了解積水深度和降水的關系，選取了涵隧立交中的天河立交、市政道路中的中新鎮國道G324線、內巷小區中的黃村片區作為個例來進行分析，其中天河立交累計雨量達15 mm，小時雨強達到12mm／h時就開始發生積澇；中新鎮國道G324線累計雨量達25 mm，小時雨強達到20 mm／h時就開始發生積澇；黃村片區累計雨量達20 mm，小時雨強達到15 mm／h時就開始發生積澇。從圖4可以看出，雖然不同內澇點致澇的降水強度有所不同，但隨著降水強度的增大，內澇積水深度緩慢上升。中新鎮國道G324線積水深度在20～60 cm之間，黃村片區積水深度則在20～40 cm之間，天河立交的積水深度相比其他兩種道路類型，更容易發生內澇積水，其積水深度在10～60 cm之間。

圖4 廣州市不同道路類型內澇過程1～3 h雨量與內澇積水程度關系

內澇不僅與降水強度相關，也與降水持續過程的雨量相關，為了更直觀地了解不同類型的致澇降水特征，取涵隧立交、市政道路和內巷小區中3個個例來進行分析。綜合分析各內澇點對應發生的歷史內澇過程降水量，采用概率密度統計方法取雨量值中位數確定各內澇點的1～6 h降水閾值，從圖5中可以看出，3種不同類型內澇點Ⅱ～Ⅳ級不同內澇風險等級的致澇雨量閾值，都有一個共同的特點：1～3 h雨量閾值呈上升趨勢，4～6 h后雨量閾值基本持平，這也說明3 h以內的降水是造成內澇的關鍵因素。

圖5 廣州市1～6 h內澇臨界雨量閾值

3 廣州暴雨內澇閾值的建立及業務檢驗

3.1 內澇臨界雨量閾值制定

通過分析發現，短歷時強降水是廣州城市內澇的主要誘因，故將降水開始至水浸發生時的累計雨量定義為內澇致災臨界雨量。通過統計歷史內澇過程，發現內澇發生時平均有60%過程雨量集中在1 h內，80%的過程雨量集中2 h內，即內澇與2 h內的短歷時強降水密切相關，故選取1和2 h雨量作為內澇雨量閾值。另外，由于廣州珠江水系為感潮水系，高潮位會對內河涌形成頂托，影響排澇能力，進而對內澇的形成和嚴重程度產生重要影響，標準在統計內澇降雨等級時分為高潮期（含天文大潮和風暴潮影響時段）和非高潮期兩類。故本研究采用概率密度統計方法，通過分析歷史內澇個例，按不同內澇風險等級不同道路類型取25%百分位對應的雨量值確定為致澇雨量閾值，并分為高潮期和非高潮期，具體雨量閾值如表1所示。

表1 廣州市高潮期、非高潮期內澇降雨閾值

3.2 廣州暴雨內澇閾值業務檢驗

為了更深入對內澇點閾值進行檢驗，選擇廣州市2022年出現的內澇過程數據，對暴雨內澇閾值指標進行檢驗，結果見表2。2022年水務部門共提供了11次內澇過程數據，根據過程暴雨內澇雨量閾值，對應為內澇風險等級指標進行檢驗，內澇點預警命中率有8次是100%，5次是70%～80%之間，預警等級與實況等級一致的最高達50%，預警等級與實況等級誤差1級的最高達67%，預警提前量一般在0.5～2 h之間。因此，本研究所選取的內澇閾值指標對暴雨內澇預報、預警和風險評估有較好的參考價值。

表2 2022年廣州市內澇預警與實況等級對比

4 結論

1）廣州市內澇過程次數呈現增長趨勢，發生內澇次數最多的是市政道路，其次是涵隧立交。

2）近10年（2010—2020年）廣州市內澇過程統計發現內澇過程中最大小時雨量主要集中在20～50 mm，占60%；過程累計雨量最多是在50～85 mm，占37.5%；100 mm以上的累計雨量占35%，這也說明降雨量的大小是致澇的關鍵因素。

3）不同的道路類型主要發生的內澇風險等級是有所區別的，3種不同道路類型在Ⅰ級內澇風險等級發生的占比是最少的；而主要集中Ⅱ級和Ⅲ級內澇風險等級的占比較多。

4）涵隧立交發生內澇時主要是由1～2 h的集中降水導致的，而市政道路和內巷小區除了1～2 h的強降水造成，還有部分個例包括3 h的累計雨量。因此，造成內澇的降水主要特點是：短歷時強降水強度大、持續降水累計雨量大。

5）暴雨內澇與暴雨發生時間相比，具有明顯的滯后性，滯后降水時間在2 h以內的占61%以上。

6）3種不同道路類型的不同內澇風險等級：1～3 h雨量閾值呈上升趨勢，4～6 h后雨量閾值基本持平，這也說明3 h以內的降水是造成內澇的關鍵因素。

7）內澇與兩個小時內的短歷時強降水密切相關，選取1和2 h雨量作為內澇雨量閾值，并通過歷史內澇過程分析不同道路類型的高潮期和非高潮期的致澇雨量閾值。