西宁市城市内涝灾害预警指标研究

摘 要：利用常规气象观测资料和积水深度监测资料，通过研究西宁市暴雨内涝灾害的日降水量和面雨量指标、逐1、3和6 h降水量和面雨量指标、逐时降水诱发指标，建立了暴雨内涝气象灾害预警动态指标体系，并划分为4个等级，依次用蓝、黄、橙、红颜色预警表示，并进行了相关说明。研究结果能为地方政府开展城市内涝防灾减灾工作提供科学依据。

关键词：城市内涝；内涝预警；降水量；西宁市

中图分类号：TU992 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

城市内涝灾害是由于短时强降水或过程降水量偏大造成的径流集中或过多，在地势低洼、排水不畅等情况下形成积水的城市自然灾害[1]。影响城市内涝的因素有很多，如自然条件、人为因素、排水管网设计等[2]。

当前，国内内涝预警系统的相关研究可以归纳为以下3类：基于雨洪模型的暴雨内涝预警[3]；基于神经网络算法和大数据的内涝预警[4]；基于物联网实时监测技术的暴雨内涝预警。城市内涝预报预警研究也成为当前研究热点[5]。青海省西宁市是青藏高原区唯一人口超百万的城市，近年来西宁市强降水频繁，城市内涝灾害频发。当前，青海省对城市暴雨内涝灾害风险预报预警关键技术缺乏相应的研究，难以针对性和系统性地开展内涝预报服务。因此，建立针对西宁市降水特征和城市建设特征的内涝监测预报预警系统，对提高西宁市气象灾害防灾减灾能力、灾害预报预警能力均具有重要的意义。

1 资料和方法

1.1 资料来源

1.1.1 气象监测数据

选取西宁市31个气象监测站1986年5月1日—2022年12月31日逐日降水资料和2013年1月1日—2022年12月31日的逐小时降水资料。

1.1.2 内涝灾情数据

选取西宁市1986—2022年暴雨内涝灾害资料，内涝灾害共计106次。

1.2 研究方法

1.2.1 暴雨内涝灾害概率预警模型

模型主要计算降水因子的临界阈值，然后根据历史资料的统计得出因子不同取值时的概率，最后得出合成的概率。将暴雨洪涝内涝灾害发生概率定义划分为10%、25%、50%、75%和95%，与这些概率对应的因子取值作为暴雨内涝灾害发生概率时的临界值。

1.2.2 暴雨内涝灾害降水诱发指标

通常情况下，西宁市发生一次性强降水天气过程＜5 h，因此，以1 h间隔划分5 h雨量，根据各地暴雨内涝灾害易发程度，可选取1～5 h相应影响系数、暴雨内涝灾害发生等级指标条件进行计算。建立了暴雨洪内涝灾害逐时诱发模型方程为：

Y=R0+1/2×R1+1/3×R2+1/4×R3+1/5×R4（1）

式（1）中，Y表示暴雨内涝灾害逐时诱发因素大小；R0～R4表示暴雨内涝灾害潜伏因素大小（单位：mm），R0为前1 h雨量、R1为前2 h雨量、R2为前3 h雨量、R3为前4 h雨量、R4为前5 h雨量；暴雨内涝灾害诱发模型方程中的数值1、1/2、1/3、1/4、1/5为经验系数，表示该降水时有效降水量权重大小。

2 结果与分析

2.1 暴雨内涝灾害日降水量和面雨量预警指标

分析1986年5月1日—2022年12月31日西宁市城市内涝灾害降水过程与相应观测站的降水量，结果表明（表1），西宁市18次城市内涝中，日降水量＞30.1 mm

有11次，占内涝总次数的61.1%，日降水量在15.1～

30.0 mm的有6次，占33.3%；日降水量在10.1～15.0 mm的城市内涝只有1次，占5.6%。因此，按照当日面雨量预报指标采用相邻3个气象站小时降水量的算术平均值建立了面雨量预警指标，面雨量预报指标分别为＜7.0、7.0～15.0、15.0～25.0、25.0～39.0和＞39.0 mm。

表1是西宁市暴雨内涝气象灾害降水量和面雨量预警指标，结果表明，当日降水量＜4.0 mm或面雨量＜

7.0 mm时，没有暴雨内涝灾害影响；当日降水量为10.1

～20.0 mm或面雨量为15.1～25.0 mm时，暴雨内涝影响程度较大，为中等内涝；当日降水量≥30.1 mm或面雨量≥39.1 mm时，暴雨内涝影响程度极大，为严重内涝。

2.2 暴雨内涝灾害逐小时降水量预报指标

城市暴雨内涝灾害预警逐小时降水量（S）和面雨量（M）预报指标详见表2。在引起西宁市城市内涝强降水中，逐1、3和6 h最大雨量占有较大比重。因此在选择城市内涝预警等级指标的雨量指标时，应重点考虑1～6 h内的降水量和面雨量。

表1" 暴雨内涝气象灾害日降水量和面雨量预警指标

等级 影响程度 日降水量/mm 面雨量/mm 预警等级 预警颜色 描述

1级 没有内涝影响 ≤4.0 ＜7.0 没有内涝 无 没有暴雨内涝灾害影响

2级 内涝影响较小 4.1～10.0 7.0～15.0 轻度内涝 蓝 暴雨内涝影响程度较小

3级 内涝影响较大 10.1～20.0 15.0～25.0 中等内涝 黄 暴雨内涝影响程度较大

4级 内涝影响很小 20.1～30.0 25.0～39.0 较重内涝 橙 暴雨内涝影响程度很大

5级 内涝影响极大 ≥30.1 ≥39.0 严重内涝 红 暴雨内涝影响程度极大

表2" 暴雨内涝气象灾害逐小时降水量（S）和面雨量（M）预警指标 mm

气象灾害 预警指标 红色 橙色 黄色 蓝色 无预警

逐1 h雨量 降水量 S≥12.0 8.0≤S＜12.0 5.0≤S＜8.0 3.0≤S＜5.0 S＜3.0

面雨量 M≥18.0 10.0≤M＜18.0 7.0≤M＜10.0 4.0≤M＜7.0 M＜4.0

逐3 h雨量 降水量 S≥20.0 14.0≤S＜20.0 10.0≤S＜14.0 6.0≤S＜10.0 S＜6.0

面雨量 M≥35.0 25.0≤M＜35.0 12.0≤M＜25.0 8.0≤M＜12.0 M＜8.0

逐6 h雨量 降水量 S≥40.0 23.0≤S＜40.0 15.0≤S＜23.0 9.0≤S＜15.0 S＜9.0

面雨量 M≥47.0 28.0≤M＜47.0 18.0≤M＜28.0 11.5≤M＜18.0 M＜11.5

2.2.1 逐1 h降水量预警指标

2013年5月1日—2022年10月31日，西宁市城市内涝灾害出现前的1 h降水过程超过0.1 mm的总次数为67 221次。其中，逐1 h降水量＜2.9 mm的次数为62 740次，占总次数的93.3%；逐1 h降水量为5.0～8.0 mm

的次数为860次，占总次数的1.3%；逐1 h降水量＞12.0 mm的次数为187次，占总次数的0.3%。采用相邻3个气象站小时降水量的算术平均值建立了逐1 h降水量预警指标，分别为3.0～4.9、5.0～7.9、8.0～12.0和＞12.0 mm，其相对应的逐1 h面雨量预警指标分别为＜3.9、4.0～6.9、7.0～9.9、10.0～17.9和＞18.0 mm，对应的城市暴雨内涝灾害预警内容为没有内涝、轻度内涝、中等内涝、较重内涝和严重内涝。

2.2.2 逐3 h降水量预警指标

2013年5月1日—2022年10月31日，西宁市城市内涝灾害出现前的3 h降水过程超过0.1 mm的总次数为104 860次。其中，逐3 h降水量＜5.9 mm的次数为97 478

次，占总次数的93.0%；逐3 h降水量为10.0～13.9 mm的次数为1 350 d，占总次数的1.3%；逐3 h降水量在20.0～29.9 mm的次数为308次，占总次数的0.3%；逐3 h降水量＞30.0 mm的次数为112次，占总次数的0.1%。因此，西宁市城市内涝灾害风险的逐3 h降水量预报指标分别为6.0～10.0、10.0～14.0、14.0～20.0和＞20.0 mm，相应的逐3 h面雨量预报指标分别为＜8.0、8.0～12.0、12.0～25.0、25.0～35.0和＞35.0 mm，对应的城市暴雨内涝灾害预警为没有内涝、轻度内涝、中等内涝、较重内涝和严重内涝。

2.2.3 逐6 h降水量预警指标

2013年5月1日—2022年10月31日，西宁市城市内涝灾害出现前的6 h降水过程超过0.1 mm的总次数为146 940次。其中，逐6 h降水量＜9.0 mm的次数为137 270次，占总次数的93.4%；逐6 h降水量为15.0～

23.0 mm的次数为1 899次，占总次数的1.3%；逐6 h降水量＞40.0 mm的次数为988次，占总次数的0.1%。因此，西宁市城市内涝灾害风险的逐6 h降水量预报指标＜9.0、9.0～15.0、15.0～23.0、23.0～40.0和＞40.0 mm，

相应的逐6 h面雨量预报指标分别为＜11.5、11.5～

18.0、18.0～28.0、28.0～47.0和＞47.0 mm，对应的城市暴雨内涝灾害预警为没有内涝、轻度内涝、中等内涝、较重内涝和严重内涝。

2.3 暴雨内涝灾害逐时降水诱发指标

通过对2013年5月—2022年10月期间西宁市暴雨内涝灾害逐时降水诱发模型分析发现，西宁市31个气象监测站中共出现暴雨内涝诱发值超过0.1 mm的共计116 751次。其中，诱发值＜4.9 mm的次数为

109 661次，占总降水诱发值总次数的93.9%；诱发值为9.0～21.9 mm的次数有1 489次，占总降水诱发值总次数的1.3%；诱发值为22.0～30.9 mm的次数有111次，占总降水诱发值总次数的0.09%。由表3可知，当5 h内降水诱发值分别为＜5.0、5.0～8.0、8.0～13.0、13.0～20.0及＞20.0 mm时，相应的面雨量诱发预报指标分别为＜6.5、6.5～12.0、12.0～20.0、20.0～25.0和＞25.0 mm，分别对应没有内涝、轻度内涝、中等内涝、较重内涝和严重内涝。其中，Y为诱发指标，M为诱发面雨量，h为降水深度。

2.4 暴雨内涝灾害预警动态指标体系

西宁市城市暴雨内涝灾害预警动态指标体系见表4。实际预报中逐1、3、6 h和诱发降水（或面雨量）指标中同时满足2项及以上标准，则可按同时满足最高的预报指标发布内涝灾害预警。37个观测站中5站次及以上达到严重内涝标准时，发布城市暴雨内涝5级红色预警；10站次及以上达到较重内涝至严重内涝标准时，发布城市暴雨内涝4级橙色预警；15站次及以上达到中等内涝至较重内涝标准时，发布城市暴雨内涝3级黄色预警；20站次及以上达到轻度内涝至中等内涝标准时，发布城市暴雨内涝2级蓝色预警；没有暴雨内涝，不需要发布预警。

表3" 暴雨内涝气象灾害逐时降水诱发和面雨量诱发指标

等级 预警指标 诱发值/mm 降水深度/m 预警含义 预警颜色 内涝灾害诱发程度

1级 诱发指标 Y≤5.0 h＜0.021 没有内涝 无 不会诱发暴雨内涝灾害

诱发面雨量 M＜6.5

2级 诱发指标 5.0＜Y≤8.0 0.021≤h＜0.055 轻度内涝 蓝 难以诱发暴雨内涝灾害

诱发面雨量 6.5≤M＜12.0

3级 诱发指标 8.0＜Y≤13.0 0.055≤h＜0.226 中等内涝 黄 可以诱发暴雨内涝灾害

诱发面雨量 12.0≤M＜20.0

4级 诱发指标 13.0＜Y≤20.0 0.226≤h＜0.683 较重内涝 橙 容易诱发暴雨内涝灾害

诱发面雨量 20.0≤M＜25.0

5级 诱发指标 Y≥20.0 h≥0.683 严重内涝 红 极易诱发暴雨内涝灾害

诱发面雨量 M≥25.0

表4" 暴雨内涝气象灾害预警动态指标体系表 mm

内涝等级 预警指标 1 h 3 h 6 h 逐时诱发降水量

1级 降水量 S＜3.0 S＜6.0 S＜9.0 Y≤5.0

面雨量 M＜4.0 M＜8.0 M＜11.5 M＜6.5

2级 降水量 3.0≤S＜5.0 6.0≤S＜10.0 9.0≤S＜15.0 5.0＜Y≤8.0

面雨量 4.0≤M＜7.0 8.0≤M＜12.0 11.5≤M＜18.0 6.5≤M＜12.0

3级 降水量 5.0≤S＜8.0 10.0≤S＜14.0 15.0≤S＜23.0 8.0＜Y≤13.0

面雨量 7.0≤M＜10.0 12.0≤M＜25.0 18.0≤M＜28.0 12.0≤M＜20.0

4级 降水量 8.0≤S＜12.0 14.0≤S＜20.0 23.0≤S＜40.0 13.0＜Y≤20.0

面雨量 10.0≤M＜18.0 25.0≤M＜35.0 28.0≤M＜47.0 20.0≤M＜25.0

5级 降水量 S≥12.0 S≥20.0 S≥40.0 Y≥20.0

面雨量 M≥18.0 M≥35.0 M≥47.0 M≥25.0

3 结论

（1）研究了西宁市暴雨内涝灾害日降水量和面雨量指标、逐时降水量和面雨量指标、逐时降水诱发指标及暴雨内涝气象灾害预警动态指标，形成能够服务于城市内涝气象灾害预警技术的多时效致灾临界面雨量和致灾临界水位动态指标体系。

（2）后期通过对气象灾害预警技术业务指标体系中气象要素对暴雨内涝气象灾害指标等进行了检验，建立的气象灾害预警指标体系具有较高的预报实用性，充分说明暴雨内涝风险预警技术研究成果的实用性。

（3）建立的暴雨内涝灾害的降水临界值需要大量准确的灾害发生记录进行验证。大部分内涝隐患点缺乏监测资料，还有部分积水监测点虽有积水监测资料，但数据精度低且记录时间短。这些均会对模型建立及预测效果产生影响。

参考文献

[1] 张天峰，姜惠峰，张红芬，等.庆阳市城市内涝预报预警指标研究[J].湖北农业科学，2020，59（13）：77-83.

[2] 张冬冬，严登华，王义成，等.城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展[J].灾害学，2014，29（1）：144-149.

[3] 寇殿良，彭焘，刘启岚，等.基于SWMM的南宁市仙葫大道内涝点分析及改造[J].中国给水排水，2018，34（5）：136-138.

[4] 刘媛媛，刘业森，郑敬伟，等.BP神经网络和数值模型相结合的城市内涝预测方法研究[J].水利学报，2022，53（3）：284-295.

[5] 何嘉莉，陈兵，姜涛，等.城市内涝在线监控与信息服务数字化系统设计[J].中国给水排水，2014，30（1）：94-98.

收稿日期：2024-07-11

基金项目：西宁市科技计划项目民生科技专项（2023-M-06）资助。

作者简介：张婷华（1989—），女，青海西宁人，高级工程师，研究方向为天气预报与气象服务。