郑州“7·20”特大暴雨降水特征及其内涝影响

王振亚，姚 成，董俊玲，杨 慧

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003；2.河南省气象台，河南 郑州 450003；3.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

受气候变化影响，全球极端天气气候事件频发、强发，造成了严重的人员伤亡和经济损失[1-2]。近年来，我国极端强降水事件频繁发生，越来越受到社会的广泛关注，如2012年北京“7·21”特大暴雨[3]、2016年7月19—20日华北极端强降水[4]、2016年7月18—20日湖北省特大暴雨[5]、2017年广州“5·7”极端强降水[6-7]、2013年8月和2018年8月粤东极端强降水[8]，造成了严重的城市内涝、地质灾害和洪涝等次生灾害，威胁着城市交通网的安全运行[9]和人民的生命财产安全。极端强降水成因分析及影响研究日益成为研究热点[10-13]。

2021年7月17—22日，郑州出现了一次持续时间长、累计雨量大、影响范围广的极端强降水事件(简称河南郑州“7·20”特大暴雨)，造成了严重的城市内涝、重大人员伤亡和经济损失，极为罕见。本文通过分析此次极端强降水事件的特点及其内涝影响，分析当前内涝防治存在的问题，提出超标准降水条件下内涝防治的建议，以期为城市内涝防治和城市安全运行提供参考。

1 降 水 资 料

剔除错误和缺测数据较多站点[14]，本文采用河南省郑州市178个气象观测站(图1)的2021年7月17日8时至7月23日8时逐小时降水资料，其中郑州外国语站21日8时后观测缺测，但由于其代表性较好，21日8至23日8时资料采用其邻近站郑州中学附属小学站资料；选取陇海路京广路西北角积水监测点数据分析此次城市内涝灾害事件变化过程。

图1 自动气象观测站分布Fig.1 Distribution of the automatic weather stations

2 降水特征分析

2.1 极端性分析

由图2可知，郑州市大部分地区降水量在400 mm以上， 600 mm以上降水主要分布在郑州市市辖区及其周边，800 mm以上降水主要分布在巩义东部、荥阳西南部、新密市北部及二七区。此次降水过程是一次极端强降水过程。全市平均降水量566.6 mm，149个气象观测站(83.7%)降水量超过400 mm，其中16个气象站降水量超过800 mm，最大降水量(993.1 mm)在郑州市二七区侯寨，郑州、新密、嵩山、荥阳、巩义、登封6个国家级气象站日降水量突破建站以来历史日极值(图2)。此次降水过程与河南“75·8”特大暴雨相比，最大24 h雨量和6 h雨量分别为郑州市辖区侯寨站702.0 mm和尖岗水库469.5 mm，小于“75·8”特大暴雨最大24 h雨量(1 060 mm)和6 h雨量(830 mm)[15]，但最大小时雨量郑州站为201.9 mm，不仅超过河南“75·8”特大暴雨最大1 h雨量(189.5 mm)[16]，也位列我国国家站1h降水量排行榜首位，超出第二名40 mm[17]。

图2 2021年7月17日8时至23日8时累计降水量Fig.2 Accumulative rainfall from 08:00 CST 17 to 08:00 CST 23 July 2021

2.2 降水阶段特征分析

从郑州市小时平均雨量和最大小时雨强随时间变化(图3)可以看出，此次降水过程呈现显著得多峰结构。从天气分析角度把降水从增强到减弱过程看成一个降水阶段，以平均雨量达到最小值为降水阶段的结束，此次降水过程可以分为5个阶段，时间分别为17日8时至17日19时、17日21时至19日8时、19日8时至20日3时、20日3时至21日16时和21日16时至23日8时。第一阶段郑州西部出现阵雨天气，最大雨量(14.3 mm)在登封雅馨园，最大小时雨强也出现在该站为14 mm；第二阶段全市以中到大雨为主，巩义、荥阳西部、登封东北部出现暴雨，最大雨量(105.9 mm)在巩义四初中，最大小时雨强登封大冶39.2 mm；第三阶段郑州市大部出现暴雨，其中巩义、荥阳、新密、登封、新郑和二七区出现大暴雨，巩义、登封、荥阳、新密局部特大暴雨天气，有2站雨量超300 mm，分别为巩义四初中303.3 mm、嵩山国家站300.9 mm，最大小时雨强新密来集77 mm；第四阶段全市大部出现特大暴雨天气，400 mm以上降水主要位于市辖区及荥阳中南部、新密中北部和巩义东部，有5站雨量超600 mm，其中最大雨量二七区侯寨达715 mm，最大小时雨量郑州站201.9 mm；第五阶段是降水减弱阶段，全市以中到大雨为主，登封及惠济区、中牟局部出现暴雨，最大降水量登封市佛垌113.8 mm，最大小时雨强也出现在该站为47.2 mm。

图3 郑州市小时平均雨量和最大小时雨强随时间变化Fig.3 Temporal variation of average hourly rainfall and maximum hourly rain intensity

从以上分析可以看出，降水从郑州西部开始，暴雨中心逐步向东移动加强，在移动到二七区后迅速减弱。第三阶段和第四阶段呈现出短时强降水(小时降水量大于或等于20 mm)频发、重发特征，19日8时至21日8时小时最大雨强均在20 mm以上，19日19时至20日1时和20日6—22时22个时次中有20个时次最大小时雨强在50 mm以上，20日12—18时连续6 h最大小时雨强均在80 mm以上，其中20日15—18时分别有7站、6站、4站小时雨量超100 mm。多项研究[3,9,12,18-19]表明短时强降水事件易引发严重的洪涝和城市内涝等灾害。登封、巩义、新密20日凌晨到上午开始出现山洪灾害，郑州市辖区下午开始出现严重内涝，这与暴雨中心的发展过程吻合。

3 内涝影响分析

3.1 最大积水深度与降水对比分析

最大小时雨强空间分布(图4)显示，最大积水深度在100 cm以上区域的最大小时雨强在100 mm以上，主要分布在中原区、二七区及金水区和管城区的交界处，惠济区、金水区的北部最大小时雨强较小，其最大积水深度也较小。从最大短时强降水频次空间分布(图5)可以看出，在12次以上的观测站主要分布在巩义东部、荥阳南部、二七区东南部和新密东北部及登封和新密交界处，二七区及中原区东部、金水区西部短时强降水次数在8～12次之间。与最大小时雨强相比，其与最大积水深度的相关性较差。

图4 郑州市最大小时雨强空间分布Fig.4 Spatial distribution of maximum hourly rain intensity

图5 郑州市短时强降水次数空间分布Fig.5 Spatial distribution of short-duration heavy rain frequency

郑州市辖区西南部无内涝监测站点，其可能原因是西南部地势较高，同时由于该区域内分布有常庄、郭家咀、尖岗等水库，排水速度也较快，内涝风险较低；二七区为此次降水过程最强的暴雨中心，其积水深度普遍超过100 cm；东部的积水深度超过了暴雨中心区域，其可能原因是东部地势较低，同时暴雨中心由西向东移至此处时，西部山区暴雨径流和水库安全下泄造成下游河道水位抬升，造成积水向河道排水不畅。

3.2 郑州“7·20”特大暴雨内涝防治分析

按照室外排水设计规范 (2016年版)[20]，排水系统和内涝防治设计暴雨强度公式均应采用年最大值法，本文采用文献[21]的郑州暴雨强度公式[21]：

(1)

式中：i为设计暴雨强度， mm/min；P为重现期，a；t为降水历时， min。

式(1)适用范围为暴雨历时5～1 440 min，设计重现期2～100 a。

根据《郑州市海绵城市专项规划(2017—2030年)》要求，郑州内涝防治标准见表1。郑州市年径流总量控制率75%，对应日雨量22 mm；主城区管网设计标准按照5年一遇的标准设计，按照式(1)计算能够抵御小时雨强53.4 mm的暴雨；内涝防治设计重现期按照50年一遇标准设计，能够抵御小时雨强84.2 mm和24 h雨量110.2 mm的暴雨。从第2节分析可以看出，无论从日雨量还是小时雨强，本次强降水过程远远超过郑州市内涝防治标准，特别是20日12—18时郑州市主城区连续出现80 mm以上的小时降水，是造成郑州市主城区严重城市内涝的主要原因。

表1 郑州市内涝防治标准

《郑州市海绵城市专项规划(2017—2030年)》编制于2017年，2017年郑州常住人口988.1万，为特大城市，而郑州国家气象站历年最大小时雨强2007年为86.9 mm，内涝防治设计重现期50年一遇完全能够抵御这种强度的暴雨。2018年以后郑州市常住人口超过1 000万，为超大城市，即使内涝防治设计重现期按照100年一遇设计，能够抵御最大小时雨强为93.4 mm和24 h雨量120.3 mm的暴雨，仍不足以抵御此次暴雨过程。按照《国务院办公厅关于加强城市内涝治理的实施意见》(国办发〔2021〕11号)要求在防御此种超标准极端强降水天气时应完善城市内涝防治的超标应急系统，包括建立完善城市排水与内涝防范超标准应急预案，落实各相关部门工作任务、响应程序和处置措施，提高公众防灾避险意识和自救互救能力等措施，尽量减轻内涝带来的损失。

3.3 典型内涝监测点内涝过程分析

城市积水深度监测点一般为易涝点，由于此次降水过程中京广路隧道内涝严重，同时周边为老城区，选取离其最近的陇海路京广路西北角积水监测点为研究对象分析此次内涝灾害发生发展过程。取此积水点四周最近的4个气象观测站的加权平均雨量作为此监测点的降水。由图6可知，20日5时以前无积水，其最大小时雨强为12.1 mm；20日6时积水深度为16 cm，其小时雨量为18.8 mm；20日10时再次出现积水，11时积水深度为15 cm，9—11时2 h雨量为27.3 mm，13时以后随着小时雨强的增强积水深度迅速增加。地面积水设计标准要求道路中一条车道积水的积水深度不超过15 cm，计算此积水监测点暴雨强度重现期小于2年。以上分析说明易涝点是城市内涝防治的短板，亟需通过更新改造老城区排水管网、修复自然生态系统等措施补齐排水防涝设施短板，提高城市易涝点内涝防治标准。

图6 陇海路京广路西北角积水监测点积水深度和其周边雨量站加权平均雨量时间变化Fig.6 Temporal variation of water depth at ponding position in the northwest corner of Longhai Road and Jingguang Road, and weighted average rainfall at surrounding precipitation station

4 结 论

a.河南郑州“7·20”特大暴雨是一次极端强降水天气过程, 此次过程最大24 h雨量和6 h雨量与河南“75·8”特大暴雨相比较小，但小时最大雨强不仅超过河南“75·8”特大暴雨最大1 h雨量(189.5 mm)，也位列我国国家站1小时降水量排行榜首位。

b.此次降水过程分为5个明显的降水阶段，在第三和第四阶段呈现出短时强降水频发、重发特征，特别是20日12—18时郑州市主城区连续出现80 mm以上的小时降水，是造成郑州市主城区严重城市内涝的主要原因。

c.按照现有的内涝防治设计标准，郑州市主城区仍不足以防范此种强度的降水。但仍可以通过建设完善城市内涝防治的超标应急系统、提高城市易涝点内涝防治标准等措施减轻内涝灾害。