#由郑州极端暴雨说开去｜从郑州“2021.7.20”水灾模型推演看城市洪涝风险管理

引用格式：章卫军，廖青桃，杨森，等.从郑州“2021.7.20”水灾模型推演看城市洪涝风险管理[J].中国防汛抗旱，2021，31（9）：1-4.

摘要：郑州市2021年7月20日特大暴雨引发的城市洪涝灾害受到全社会的广泛关注。在收集整理郑州“2021.7.20”特大暴雨事件的降雨、洪涝灾情等数据的基础上，通过地形高程、排水格局、计算机模拟专业研究，分析了郑州“2021.7.20”暴雨洪水实际情形，评估动态淹没、地面水深流速等风险，进一步识别影响对象、城市设施。本研究展示了行业标准的风险评估技术流程，以信息技术快速辅助重大问题研究。在此基础上，以专业视角审视城市洪涝安全体系的建设与管理，为各地制定城市洪涝灾害对策提供参考。

关键词：郑州“2021.7.20”特大暴雨；洪涝模型；风险评估；排水防涝；海绵城市

单位：宜水环境科技(上海)有限公司

作者：章卫军  廖青桃  杨森  张馨匀  张晨玲  向美焘  雷征旻

1.1  城市地形地势与排水格局

流域地形和水系特征是洪水问题研究的基础，为此收集整理了郑州市地形资料。郑州市中心城区在西南、西部低山丘陵和黄河之间，呈西高东低，整体地势由西南向东北倾斜，逐渐向东北过渡为黄土倾斜平原和黄淮冲击平原。发源于西南山区的索河、须水河、金水河、十八里河、七里河、潮河和贾鲁河自西南向东北汇入市区，加之平原区的熊耳河、魏河、东风渠等，均为市区内的泄洪排涝骨干河道。所有河道最终排向贾鲁河，因此贾鲁河承担着城市防洪排涝的重要功能。上游建有10余座中小型水库，包括常庄和尖岗水库。贾鲁河自尖岗水库至京港澳高速河道纵断面沿线高程见图1。河道坡降一般与地面坡降相近。可见，城区段上游坡度大，约为3‰，坡面汇流流速大，上游来水速度快；下游区域相对平缓，约为0.66‰。

1.2  “2021.7.20”降雨事件情势分析

根据收集整理的降雨资料，对比郑州市2021年7月18日20时至21日15时期间，自西向东5个国家级气象站点的降雨过程时空分布（图2），郑州市发生1小时极端暴雨前，7月18日20时至7月20日15时，位于主城区上游的嵩山站、巩义站和新密站发生强降雨，累计降雨量分别为515.0毫米、464.5毫米和476.0毫米（图3）。

郑州站位于主城区偏东北，暴雨主要集中在20日15－17时，最大小时降雨量达到201.9毫米，24小时降雨量达622.7毫米，接近郑州市多年平均降水量（641.0毫米）。郑州“2021.7.20”特大暴雨逐时和累计降雨量如图3所示。

由于暴雨中心自西向东推进，与河流走向一致，山区暴雨径流和水库下泄流量进入郑州市区，导致城市河道水位快速抬升。在市区发生特大暴雨时，城区排水系统受河道高水位顶托，排水条件极为不利。

2.1  暴雨洪水模拟

为了评估郑州市暴雨洪水形势和淹没风险，分析洪涝灾情成因，本研究构建了郑州市主城区水文水动力二维洪涝模型，模型范围1 057.8平方千米，包含主要城区范围和郑州市泄洪排涝骨干河道。

模型降雨采用北京师范大学地理科学学部“生态水文遥感”团队根据中国地面气象站逐小时观测资料数据分析梳理的郑州市国家级气象站点降雨资料，选用郑州站2021年7月19日20时至2021年7月21日0时之间的小时降雨数据输入模型计算，累计降雨量640.0毫米，最大1小时降雨量 201.9毫米，径流系数取值0.9。模型地面高程采用美国航空航天局Shuttle Radar Topography Mission雷达高程数据，网格数据精度为30米×30米。

根据洪涝模型结果绘制最大积水水深分布示意图（图4），郑州市城区总体积水形势严峻，大部分区域最大积水深度超过城市内涝防治要求的0.25米，部分区域最大积水深度甚至在2.00米以上。城区东北部的金水区和惠济区地势较低处积水最为严重；主城区内郑州北站至郑州站沿线、圃田西站周边、郑州地铁5号线沿线积水范围广、水深也较大。

进一步统计淹没水深面积占比，最大积水深度超过 0.25米的面积 479.0平方千米，占总面积的45.3%，其中0.50～2.00米的面积272.4平方千米，占比25.8%；最大水深超过2.00米的面积达到116.0平方千米（表1）。

2.2  洪涝水量分析

根据郑州市2017年发布的《郑州市海绵城市专项规划（2017－2030年）》，水安全方面标准为：城区与航空城的内涝防治设计重现期为50年。郑州市5年一遇、50年一遇24小时设计暴雨量分别为119.0毫米、199.4毫米。

按通常的雨水排水防涝规划标准假设，源头海绵设施与管网能达到5年一遇的排水标准，城市河湖网络达到50年一遇的内涝防治标准。

根据上述特征暴雨雨量分析，管网在设计能力条件下排水量（含源头海绵设施）占本次极端降雨总量的19%，50年一遇防涝系统排水量（含管网）约占32%，则有68%超标准雨水不能排放，大量超出内涝防治体系能力标准的雨水形成快速沿街演进的急流，并在地势低洼区域形成了严重的内涝。主城区1 057.8平方千米模型范围内水量分析见表2。

2.3  淹没风险分析

洪涝能量大的区域代表受影响大、危险性高。而水深与流速决定洪水能量，因此可以根据模型得出的地面淹没最大水深及最大流速的组合，对研究区域淹没范围的洪涝风险性进行评估。风险评估因子 公式如下：

计算得出郑州市主城区洪涝风险分布如图5所示，可以看出，淹没高风险区主要位于金水区，金水区位于主城区地势最低洼处，区内水系纵横连通，是城区主要的行洪区段，主干排洪河包括贾鲁河、东风渠、熊耳河、金水河、魏河等，均在金水区交汇，造成区内水量持续累积、水位壅高，远超内涝安全调蓄量。

此外，贾鲁河、金水河、十八里河和七里河等河道中上游两岸也存在中、高淹没风险区，此次郑州暴雨量远超城区内河道的排水能力。大部分区域淹没水深大于0.50米，甚至达到1.00～2.00米，流速大于0.8米每秒，水流风险极大，严重影响城市安全。

2.4  代表点淹没水位过程

暴雨期间，郑州市阜外华中心血管病医院（简称阜外医院）因暴雨积水，停水断电、道路受淹、交通受阻，导致近5000人被困。阜外医院所在的城东中牟县处于郑州地势最低处，贾鲁河、魏河、龙湖等水体交汇处下游，暴雨后河水暴涨导致大量积水倒灌，导致路面水位上升速度快、涨幅高，但受地形影响退水速度较慢。通过模拟2021年7月20日15－21时郑州站实际降雨，结果显示阜外医院周边区域6小时水位上升达到2.25米左右（图6）。

郑州特大暴雨事件的主因为超出防涝标准2倍多的涝水出路受阻。城市在遭遇超标准暴雨时应该如何应对值得思考。

（1）需要理解排水防涝系统的体系设计。本质上排水防涝体系是关于城市雨水的滞蓄排放的空间平衡和有序布置。涝水量的时空估计及风险管控是解决城市洪涝问题的重要内容。

（2）从系统角度，不同工程手段实现不同的设计目标。工程手段包括源头减排与排水管渠系统、内涝防治系统和超标准降雨应急防控和响应系统。①雨水管网系统。囯内目前雨水管网设计标准多为5年一遇及以下，不少城市标准低于2年一遇到3年一遇。主要设施包括：源头海绵设施、地表导流、管网、调蓄设施及城市河湖等。②内涝防治系统。主要应对超出管网能力的设计暴雨（如5年一遇到50年一遇）。主要设施包括：管网、调蓄设施、城市河湖、泄流通道、地表安全积水区域。③超标准系统。应对超出防涝标准的降雨事件（如大于50年一遇）。主要设施包括：调蓄设施、城市河湖、超标准泄流通道、地表淹没区域，预案及应急响应减灾手段。

（3）任一排水系统（或子系统），降雨径流进入系统后，是排水能力与系统调蓄量之间的逐时平衡。当排水能力受限，系统调蓄量超过排涝设计标准安全蓄量时，发生内涝，典型系统逐时入流－出流－蓄量示意见图7。

（4）排水防涝规划对管网、内涝防治标准和海绵城市有明确的设计标准和指标要求。在内涝防治体系中，地表径流组织、安全调蓄量及超标准涝水的风险评估，是工程规划与管理的重点。地表径流组织与涝水蓄排需要城市空间。洪涝风险的识别与评估为城市规划和排水防涝提供重要的洪涝风险图成果，为防洪排涝设施空间布局提供依据，从而识别淹没对象，评估发生后果，在工程上布置合理的避险措施，在空间上与城市规划衔接。

（1）郑州“2021.7.20”暴雨主城区受灾的主因是由上游始发暴雨洪水与市中心极端小时暴雨叠加，城区形成大面积水深不等的快速坡面汇流导致。该暴雨量远远超过城市排水防涝标准和城市河道防洪标准。城市是否具有标准内的洪涝风险图、是否有超标准暴雨应对预案和风险图、超标准洪水或涝水在规划工程中会淹哪些地方、如何调蓄、如何排放等问题是做好城市防洪应对要提前准备的内容。

（2）郑州暴雨事件暴露了一个非常普遍的洪涝风险管理问题。流域防洪工程注重水库、大片区河道堤防和排涝泵闸站等规划建设和调度，很少涉及城市排涝体系和保护对象细节；城市排水防涝体系关注城市管网等工程细节，但往往建立于假设河道安全的基础上。随着城市面积的不断扩大，城市产水的流域特性越来越重要，水利主导的流域防洪与城建主导的排水防涝体系，在设计标准内边界条件的互动耦合，以及超标准特大暴雨研究时，打破业务边界的技术思路，变得非常必要。

（3）随着全球变暖，气候不确定性加大，点暴雨公式的局限性、超标准事件研究不足和洪涝风险评估的薄弱，构成了当今城市规划与管理所面临的技术风险。极端气象条件研究、可靠的精细化的各种频率洪涝风险图与风险评估，为城市空间规划、工程避险、应急管理提供重要依据。城市排水防涝规划可以弥补当今技术体系局限。

（4）在具有较好基础资料的条件下，以专业模型支撑排水防涝规划和内涝治理，应是提升规划决策质量的基本要求。水文气象信息与洪涝系统模型的集成，能为预警预报和应急响应提供实时、快速、高效的技术支撑。随着系统应用检验和纠错能力提高，以实时模拟为支撑的预警预报和应急决策技术将会越来越成熟。

致谢：特别感谢中国水利水电科学研究院正高级工程师、国家减灾委专家委员会委员、中国水利学会城市水利专委会主任委员程晓陶和中国城市规划设计研究院正高级工程师、中国城市供水排水协会副秘书长谢映霞为本文提供的专业指导和建议。

参考文献

[1]  敖静，杨森，蒋晨灿，等.洪水风险图编制通用流程介绍[C]// 河海大学，中国水利学会.中国水利信息化技术论坛论文集，2017.

[2]  车伍，杨正，赵杨，等.中国城市内涝防治与大小排水系统分析[J].中国给水排水，2013，29（16）：13-19.

[3]  中国水利水电科学研究院.河南省“7·20”暴雨洪涝形势演变及灾害风险分析[EB/OL].[2021-07-22][2021-08-16].https://mp.weixin.qq.com/s/AGHf0rlp8EgCwKXgUWT9vw.

[4]  王晓雅.2021年7月20日河南暴雨事件的降雨过程及危险性评估分析[EB/OL].[2021-07-23][2021-08-16].https://mp.weixin.qq.com/s/l7LmjsNg-7BfQZrokbaRcw.

[5]  中国气象爱好者.河南郑州的这场超特大暴雨，和大台风烟花密切相关[EB/OL].[2021-07-20][2021-08-16].https://baijiahao.baidu.com/s?id=1705815681394024983.

[6]  程晓陶.郑州暴雨引发沉重思考：如何更好应对城市型水灾害？[EB/OL].[2021-07-25][2021-08-16].https://mp.weixin.qq.com/s/10xfquiukQ65FI2O0SoQCg.

[7]  韩扬眉.张建云：科学网.全球变暖+城市化，城市洪涝越发突变[EB/OL].[2021-07-22][2021-08-16].http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/7/461792.shtm.