旱涝急转形成机理及城市防涝减灾体系研究进展

刘凤丽，黄国兵

(长江科学院水力学研究所，武汉430010)

旱涝灾害是我国最严重的2种自然灾害。全国受到旱涝灾害影响的人口平均每年近4亿人，我国的大部分地区(约2/3的国土面积)，尤其是经济比较发达的地区，都经常受到旱涝灾害的威胁。近年来，全球温室效应不断加重，气候变暖趋势明显，出现异常气候的可能性增加，尤其是同一年内相继发生旱涝灾害的频率在逐步增加，“旱涝并存、旱涝急转”现象在南方地区表现得更加明显。2011年1—5月份，长江中下游地区出现重度干旱，湖北、湖南、江西、安徽、江苏等省329万人饮水困难，但进入6月份，湖北、江西、浙江等省突降暴雨，在极短的时间内从大旱急转向了大涝。旱涝转变之快、旱涝灾情之重，为近年来罕见。城市旱涝并存往往比单纯的旱灾或是涝灾造成的损失更大，也给抗灾增加了更大的难度。因此研究旱涝灾害形成的机理并在城市减灾体系中考虑其带来的影响是当前面临的一项非常重要而紧迫的任务。

1 问题的提出

“旱涝急转”是某一地区或某一流域发生较长时间干旱时，突遇集中强降雨，引起山洪爆发、河水陡涨、客水入侵、内水难以及时外排的一种自然现象。受全球气候变暖影响，近年来降雨时空分布极度不均匀，“旱涝并存、旱涝急转”发生的频率在逐步增加，危害比单纯的旱灾或涝灾要更严重。“旱涝急转”多发于华南地区、淮河流域和长江中下游地区，在夏季较为常见。安徽省从1949年至2006年，58 a中出现旱涝并存或旱涝急转的年份有40a，占统计年数的69%。其中旱涝急转典型年份21年，占统计年数的36%［1］。吴贤云［2］通过对1960年1月至2001年12月各月长江中游地区50个代表站的旱涝等级进行分析，分析成果表明:长江中游地区出现涝或旱的几率都相当大，在统计的42 a时间内出现区域性偏涝的年份达36 a，占总数的86%;出现区域性偏旱的年份有27 a，占总数的64%;只有1960年既无涝月也无旱月出现，而有相当一部分年份既有涝又有旱发生。杜忠建［3］对武汉市黄陂区1950—2002年的干旱和洪涝特征进行统计分析发现:在近53 a中，从春到冬没有1年不发生旱灾或者涝灾，其中有39 a是旱涝同年。广东省近10a降水年内分配极为不均，短历时的强降雨明显增加，旱涝交替、旱涝急转、旱涝并重的状况成为广东极端而又常发性的主要水灾害。

旱涝急转型洪涝灾害突发性强、雨量大，易引起山洪、滑坡、泥石流和城乡渍涝等多种自然灾害，造成的损失非常严重。在2011年6月份的旱涝急转中，截至6月19日，湖北31个县市区301万人受灾。在江西，14日开始的强降雨导致受灾人口312万人，直接经济总损失58亿元。浙江省有10个市57个县(市、区)受灾，受灾人口441.3万人，因洪涝灾害造成直接经济损失76.9亿元。此前对旱涝急转问题的焦点主要集中在对农业的影响以及滑坡、泥石流等衍生灾害带来的人民生命和财产损失方面，对城市尤其是大城市的内涝问题关注的不多。在2011年的旱涝急转灾害中，城市内涝问题却引发了公众极大的关注。武汉在遭受暴雨袭击后，城区渍水严重处达到82个，内涝造成全城交通拥堵，多条主干道瘫痪，百姓无法出行。此后长沙、南京、杭州、北京等城市，均不同程度地经历了大水淹城的遭遇。此次旱涝急转型的城市内涝灾害引发了城市部分水电、通讯、地下线缆故障，造成市场、仓储货物被淹，甚至人身伤亡，引起社会秩序混乱和惊慌。因此，极端的旱涝急转不仅给农村也会给城市带来巨大的危害和损失。

旱涝急转不同于一般的城市内涝灾害，它的重要特征之一是前期干旱，当降雨发生初期，对缓解旱情十分有利，因此有多储水、舍不得弃水的心理倾向。一旦后期再发生强降雨，往往导致措手不及，仓促应对。有的地区抗旱时在河道内筑坝拦水，降雨后来不及清除，影响排涝进度。有些地区在抗旱期间麻痹大意，雨水排水泵站管理不到位，大旱转大涝时不能及时开启工作，造成城市排涝渠道不畅。因此，相对于一般的城市内涝灾害，旱涝急转型内涝灾害对城市灾害预测预警技术的要求更高，同时也对城市应急抢险预案和减灾体系带来更加严峻的考验。

2 研究动态

2.1 旱涝急转气候特征及影响研究

目前国内外对于旱涝灾害的形成机理进行了积极探索，对涝旱急转变化特征及其带来的危害有了初步的考虑。在旱涝急转变化特点和气候特征方面，主要的研究手段是利用气象资料，统计分析旱涝急转年份共有的气候特征，以此总结基本规律，提出可能导致旱涝急转出现的气候成因。王胜［4］利用淮河流域126个地面气象站降水资料，对主汛期降水的时空分布特征、典型旱涝年降水特征以及“旱涝急转”气候特征进行了分析，研究表明淮河流域典型“旱涝急转”现象约为4 a一遇，且2000年以来频次明显增多，“旱涝急转”的干旱以全流域发生为主，而洪涝则有全流域型和南部型2种类型。张效武、刘义权［5］分别对安徽省和巢湖市旱涝急转发生的基本规律和旱涝急转成因进行了分析，从管理层面提出了有效应对旱涝急转的措施，包括加快防汛抗旱工程体系建设、加强预测预警体系建设、提高天气监测和预报水平、加强防汛抗旱指挥系统建设等。

干旱、雨涝的发生，必定有与之相对应的大气环流异常，因此部分学者认为大气环流异常是导致旱涝急转出现的主要气象因素。吴志伟［6－7］利用多年逐日降水资料，对华南地区和长江中下游地区夏季旱涝急转现象进行了研究，结果表明:长周期尺度“旱涝急转”与大尺度环流异常有关，大气环流的异常特征可为旱涝急转现象的预测提供参考。李强等［8］应用Z指数、Morlet小波分析方法研究了三峡地区旱涝多时间尺度频率演变特征和典型夏季旱涝年大气环流特征，发现:三峡地区干旱(雨涝)有明显不同的年际、年代际特征;三峡地区旱涝指数在不同时间和频率域中，有显著的周期振荡特征。三峡地区雨涝年的环流背景为乌拉尔山地区、西伯利亚、巴尔喀什湖地区上空位势高度偏高，我国河套地区、华北平原至日本海上空的位势高度偏低。此外也有学者认为旱涝急转与太阳磁场磁性指数、季风和副热带高压有紧密的联系。截止到目前为止，针对旱涝急转机理的研究尚不够深入，对旱涝急转的成因和作用机制还没有令人信服的解释。

2.2 城市涝灾研究动态

由于城市在现代社会的多重功能和关键作用，国内外均十分重视城市内涝灾害研究。在城市涝灾形成机理方面的研究成果主要有:

(1)城市下垫面条件改变对降雨径流过程的影响。Leopold［9］总结了城市化对城市水文的影响后指出，当一地区有20%的面积由下水道排水和不透水盖层时，溢岸洪水的发生频率将增加一倍，流量增加0.6倍。王紫雯等［10］研究指出，当流域内城市不透水面积达到城市面积的20%时，3 a一遇的降水强度其产流量就可能相当于该地区原有产流量的1.5～2.0倍。在城市暴雨内涝的数学模拟方面，目前通常以城市地表、地下排水管网和河道水流为研究对象，以平面二维非恒定流的基本方程为控制方程进行研究。类似研究亦表明，土地利用变化引起的下垫面条件改变，会严重影响洪涝灾害的致灾过程［11－13］。

(2)城市化对水文过程的影响。自20世纪90年代以来，我国对城市水文过程以及涝灾的防治研究也很活跃。岑国平等人［14］对城市雨水的地面产流、地面汇流及管网汇流作了研究，建立了一些计算模型，并用小区实测降雨径流资料对模型作了检验;耿艳芬［15］等亦对城市产流－汇流机制和模型有研究。Martin等［16］把多标准分析法(multicriteria analysis)应用于城市暴雨排水管理中。这种方法可以考虑决策者所采用的不同管理策略，是一个有价值的决策帮助工具。

(3)快速的城市化过程不仅改变了城市地表产流的方式及时间，同时还使得城市的自然水循环系统发生改变，影响了当地雨洪径流的形成条件，使产流增加、汇流加快，一定程度上加剧了城市涝灾。为此，一些学者对于城市涝灾的形成机理进行了积极探索。冯平等［17］对城市洪涝灾害的致灾因子、承灾体和孕灾环境的作用机理进行了定性分析，总结了城市洪涝灾害成灾模式的变化趋势以及城市化对洪涝灾害成灾特性的影响;王紫雯［10］等以杭州市为主要研究对象，对城市洪涝灾害的生态机理进行了分析。

在城市内涝的减灾措施方面，提高城市排水管网的设计标准被认为是解决城市内涝问题最有效的工程措施［18］。我国的城市排水系统设计标准一般为“一年一遇”，北京市、广州市等少数城市标准稍高，国外的城市排水标准普遍比国内要高，美国纽约是“十至十五年一遇”，日本东京是“五至十年一遇”，法国巴黎是“五年一遇”。也有学者认为除了工程措施外，更加重要的是强化城市洪涝灾害的风险管理［19］，包括制订城市暴雨应急方案、雨情实时监测网络建设和成灾后的应急抢险预案等。近年来，随着计算机技术的不断发展，“3S”技术被应用于城市内涝预警系统，开发了一系列城市内涝仿真模型。天津市气象科学研究所和天津大学联合开发了城市暴雨渍涝模型，是将气象、水文、城市排涝多学科结合的、具有动态预测性质的强降水内涝灾害排涝减灾决策系统，该系统在天津、南京、西安等城市具有很强的应用性［20－22］。也有学者从雨洪资源化的角度探讨解决城市洪涝灾害的对策和措施。认为在城市建设中，应注意保护承载着调蓄雨水功能的湖泊河道、修复雨水蓄泄通道、因地制宜地构建雨水的蓄渗空间，并在城市免于内涝的同时最大限度地利用雨水［23］。

3 研究发展方向

我国目前正处于经济和城市化高速发展时期，城市化速度明显加快增加了旱涝灾害发生的频率和灾害的损失。而近年来受全球气候变暖影响，“旱涝急转”、“旱涝交替”等自然灾害在某些地区频繁发生，使得城市对旱涝及其衍生灾害的脆弱性越来越明显。到目前为止，针对季节内旱涝逆转问题的研究还停留在利用气象资料做统计分析的阶段，对旱涝逆转形成的机理以及影响因素的研究不够透彻，缺乏理论支撑，难以开展“旱涝急转”的预报以及应对措施的研究。

目前对城市产流－汇流机制和数学模拟、城市下垫面条件改变对降雨径流过程的影响有了重大研究成果，为进一步研究城市旱涝形成机理与减灾方法奠定了坚实的基础。在城市防灾减灾体系建设中也较少考虑季节内旱涝逆转的问题，在应对突发的旱涝急转型内涝灾害还不能做到快速反应。同时目前的研究一般只针对单一城市的旱涝灾害进行研究，将城市孤立开来，忽略了城市与流域、城市与周边水体的相互作用。今后的研究重点主要有以下3点。

3.1 旱涝急转形成机理研究

应用多年气候资料，对不同区域“旱涝急转”现象的共性特征和伴随旱涝急转出现的异常特征进行统计分析;研究旱涝的地域分布特征、时空变化特点、年际年代际演变规律及其旱涝急转的震荡周期;分析旱涝季节性变化与太阳磁场磁性指数、季风、大气环流、副热带高压等气候要素之间的相关关系;对于显著相关的气候因子进一步分析其对旱涝急转影响的作用机理;总结归纳旱涝急转发生和演变的规律;揭示“旱涝急转”形成的机理，为进行“旱涝急转”的预报和进行城市防灾减灾体系建设提供有意义的参考。

3.2 城市防灾救灾体系研究

城市防灾救灾体系研究主要包括预测预警体系研究和旱涝急转发生后的救灾体系研究。目前针对小尺度、短历时的气象预报和水文预报的准确度还不高，难以满足灾害预测预警的要求，需要进一步加强研究。针对旱涝急转时间短、雨量急、成灾重的特点，雨情实时监测网络建设和成灾后的应急抢险至关重要。应加强应急抢险预案研究，有效利用社会信息、运输、人力、物力等资源，以应对暴雨灾害。同时在进行城市防灾体系建设时，考虑旱灾和涝灾的逆转情况，在确保城市供水安全的前提下确定城市排涝标准，考虑城市生态需水量，提出蓄、滞、渗、排等工程措施与灾害风险管理、救灾保障体系和群众防灾意识教育等非工程措施相结合的减灾模式，把旱涝急转的损失降到最低。

3.3 宏观尺度上的旱涝机理和城市减灾预案研究

南方城市尤其是长江中下游城市大多数处于长江流域内，流域的地理属性、水系分布、水文情势及水动力学过程是研究城市的旱涝灾害形成机理的重要环境背景，而城市的产汇流同样会影响流域的水文、水动力学过程，因此，城市和其所处的流域是有机联系的整体。今后需要在较大尺度上根据城市与流域的关系、城市自身的地学特点、城市与周边水体(域)的相互作用等方面选择若干典型城市进行分类研究。从宏观与微观的结合上研究旱涝灾害形成机理，考虑旱涝逆转问题，结合城市排水管网、洪水承泄区、城区周边水体特点，构建城市产汇流模型与流域水文水动力学过程相耦合的城市内涝模型，提出旱涝减灾措施。

4 结语

近年来“旱涝急转”在中国南方夏季出现的频率较高，因其突发性强、雨量大，来不及快速反应而造成非常严重的损失。因此研究“旱涝急转”形成的机理及其影响因素，并实现“旱涝急转”的预报，具有客观必要性和现实紧迫性。以往对城市旱涝异常的研究多是立足于单一的旱灾或涝灾，对城市产流－汇流机制和数学模拟，城市下垫面条件改变对降雨径流过程的影响有了重大研究成果;但在“旱涝急转”形成机理、“旱涝急转”对城市排涝标准和防灾减灾体系建设的影响方面还需深入研究。此外，根据城市自身的地学特点、下垫面条件、城市汇水区与流域的关系，考虑城市区局地强降雨因素，建立城市产汇流模型与流域水文水动力学过程相耦合的城市内涝模型，从城市区域与流域的联系角度研究城市涝灾形成机理以及相应的减灾方法，都是需要进一步研究的重大课题。

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