旱澇急轉形成機理及城市防澇減災體系研究進展

劉鳳麗，黃國兵

(長江科學院水力學研究所，武漢430010)

旱澇災害是我國最嚴重的2種自然災害。全國受到旱澇災害影響的人口平均每年近4億人，我國的大部分地區(約2/3的國土面積)，尤其是經濟比較發達的地區，都經常受到旱澇災害的威脅。近年來，全球溫室效應不斷加重，氣候變暖趨勢明顯，出現異常氣候的可能性增加，尤其是同一年內相繼發生旱澇災害的頻率在逐步增加，“旱澇并存、旱澇急轉”現象在南方地區表現得更加明顯。2011年1—5月份，長江中下游地區出現重度干旱，湖北、湖南、江西、安徽、江蘇等省329萬人飲水困難，但進入6月份，湖北、江西、浙江等省突降暴雨，在極短的時間內從大旱急轉向了大澇。旱澇轉變之快、旱澇災情之重，為近年來罕見。城市旱澇并存往往比單純的旱災或是澇災造成的損失更大，也給抗災增加了更大的難度。因此研究旱澇災害形成的機理并在城市減災體系中考慮其帶來的影響是當前面臨的一項非常重要而緊迫的任務。

1 問題的提出

“旱澇急轉”是某一地區或某一流域發生較長時間干旱時，突遇集中強降雨，引起山洪爆發、河水陡漲、客水入侵、內水難以及時外排的一種自然現象。受全球氣候變暖影響，近年來降雨時空分布極度不均勻，“旱澇并存、旱澇急轉”發生的頻率在逐步增加，危害比單純的旱災或澇災要更嚴重。“旱澇急轉”多發于華南地區、淮河流域和長江中下游地區，在夏季較為常見。安徽省從1949年至2006年，58 a中出現旱澇并存或旱澇急轉的年份有40a，占統計年數的69%。其中旱澇急轉典型年份21年，占統計年數的36%［1］。吳賢云［2］通過對1960年1月至2001年12月各月長江中游地區50個代表站的旱澇等級進行分析，分析成果表明:長江中游地區出現澇或旱的幾率都相當大，在統計的42 a時間內出現區域性偏澇的年份達36 a，占總數的86%;出現區域性偏旱的年份有27 a，占總數的64%;只有1960年既無澇月也無旱月出現，而有相當一部分年份既有澇又有旱發生。杜忠建［3］對武漢市黃陂區1950—2002年的干旱和洪澇特征進行統計分析發現:在近53 a中，從春到冬沒有1年不發生旱災或者澇災，其中有39 a是旱澇同年。廣東省近10a降水年內分配極為不均，短歷時的強降雨明顯增加，旱澇交替、旱澇急轉、旱澇并重的狀況成為廣東極端而又常發性的主要水災害。

旱澇急轉型洪澇災害突發性強、雨量大，易引起山洪、滑坡、泥石流和城鄉漬澇等多種自然災害，造成的損失非常嚴重。在2011年6月份的旱澇急轉中，截至6月19日，湖北31個縣市區301萬人受災。在江西，14日開始的強降雨導致受災人口312萬人，直接經濟總損失58億元。浙江省有10個市57個縣(市、區)受災，受災人口441.3萬人，因洪澇災害造成直接經濟損失76.9億元。此前對旱澇急轉問題的焦點主要集中在對農業的影響以及滑坡、泥石流等衍生災害帶來的人民生命和財產損失方面，對城市尤其是大城市的內澇問題關注的不多。在2011年的旱澇急轉災害中，城市內澇問題卻引發了公眾極大的關注。武漢在遭受暴雨襲擊后，城區漬水嚴重處達到82個，內澇造成全城交通擁堵，多條主干道癱瘓，百姓無法出行。此后長沙、南京、杭州、北京等城市，均不同程度地經歷了大水淹城的遭遇。此次旱澇急轉型的城市內澇災害引發了城市部分水電、通訊、地下線纜故障，造成市場、倉儲貨物被淹，甚至人身傷亡，引起社會秩序混亂和驚慌。因此，極端的旱澇急轉不僅給農村也會給城市帶來巨大的危害和損失。

旱澇急轉不同于一般的城市內澇災害，它的重要特征之一是前期干旱，當降雨發生初期，對緩解旱情十分有利，因此有多儲水、舍不得棄水的心理傾向。一旦后期再發生強降雨，往往導致措手不及，倉促應對。有的地區抗旱時在河道內筑壩攔水，降雨后來不及清除，影響排澇進度。有些地區在抗旱期間麻痹大意，雨水排水泵站管理不到位，大旱轉大澇時不能及時開啟工作，造成城市排澇渠道不暢。因此，相對于一般的城市內澇災害，旱澇急轉型內澇災害對城市災害預測預警技術的要求更高，同時也對城市應急搶險預案和減災體系帶來更加嚴峻的考驗。

2 研究動態

2.1 旱澇急轉氣候特征及影響研究

目前國內外對于旱澇災害的形成機理進行了積極探索，對澇旱急轉變化特征及其帶來的危害有了初步的考慮。在旱澇急轉變化特點和氣候特征方面，主要的研究手段是利用氣象資料，統計分析旱澇急轉年份共有的氣候特征，以此總結基本規律，提出可能導致旱澇急轉出現的氣候成因。王勝［4］利用淮河流域126個地面氣象站降水資料，對主汛期降水的時空分布特征、典型旱澇年降水特征以及“旱澇急轉”氣候特征進行了分析，研究表明淮河流域典型“旱澇急轉”現象約為4 a一遇，且2000年以來頻次明顯增多，“旱澇急轉”的干旱以全流域發生為主，而洪澇則有全流域型和南部型2種類型。張效武、劉義權［5］分別對安徽省和巢湖市旱澇急轉發生的基本規律和旱澇急轉成因進行了分析，從管理層面提出了有效應對旱澇急轉的措施，包括加快防汛抗旱工程體系建設、加強預測預警體系建設、提高天氣監測和預報水平、加強防汛抗旱指揮系統建設等。

干旱、雨澇的發生，必定有與之相對應的大氣環流異常，因此部分學者認為大氣環流異常是導致旱澇急轉出現的主要氣象因素。吳志偉［6－7］利用多年逐日降水資料，對華南地區和長江中下游地區夏季旱澇急轉現象進行了研究，結果表明:長周期尺度“旱澇急轉”與大尺度環流異常有關，大氣環流的異常特征可為旱澇急轉現象的預測提供參考。李強等［8］應用Z指數、Morlet小波分析方法研究了三峽地區旱澇多時間尺度頻率演變特征和典型夏季旱澇年大氣環流特征，發現:三峽地區干旱(雨澇)有明顯不同的年際、年代際特征;三峽地區旱澇指數在不同時間和頻率域中，有顯著的周期振蕩特征。三峽地區雨澇年的環流背景為烏拉爾山地區、西伯利亞、巴爾喀什湖地區上空位勢高度偏高，我國河套地區、華北平原至日本海上空的位勢高度偏低。此外也有學者認為旱澇急轉與太陽磁場磁性指數、季風和副熱帶高壓有緊密的聯系。截止到目前為止，針對旱澇急轉機理的研究尚不夠深入，對旱澇急轉的成因和作用機制還沒有令人信服的解釋。

2.2 城市澇災研究動態

由于城市在現代社會的多重功能和關鍵作用，國內外均十分重視城市內澇災害研究。在城市澇災形成機理方面的研究成果主要有:

(1)城市下墊面條件改變對降雨徑流過程的影響。Leopold［9］總結了城市化對城市水文的影響后指出，當一地區有20%的面積由下水道排水和不透水蓋層時，溢岸洪水的發生頻率將增加一倍，流量增加0.6倍。王紫雯等［10］研究指出，當流域內城市不透水面積達到城市面積的20%時，3 a一遇的降水強度其產流量就可能相當于該地區原有產流量的1.5～2.0倍。在城市暴雨內澇的數學模擬方面，目前通常以城市地表、地下排水管網和河道水流為研究對象，以平面二維非恒定流的基本方程為控制方程進行研究。類似研究亦表明，土地利用變化引起的下墊面條件改變，會嚴重影響洪澇災害的致災過程［11－13］。

(2)城市化對水文過程的影響。自20世紀90年代以來，我國對城市水文過程以及澇災的防治研究也很活躍。岑國平等人［14］對城市雨水的地面產流、地面匯流及管網匯流作了研究，建立了一些計算模型，并用小區實測降雨徑流資料對模型作了檢驗;耿艷芬［15］等亦對城市產流－匯流機制和模型有研究。Martin等［16］把多標準分析法(multicriteria analysis)應用于城市暴雨排水管理中。這種方法可以考慮決策者所采用的不同管理策略，是一個有價值的決策幫助工具。

(3)快速的城市化過程不僅改變了城市地表產流的方式及時間，同時還使得城市的自然水循環系統發生改變，影響了當地雨洪徑流的形成條件，使產流增加、匯流加快，一定程度上加劇了城市澇災。為此，一些學者對于城市澇災的形成機理進行了積極探索。馮平等［17］對城市洪澇災害的致災因子、承災體和孕災環境的作用機理進行了定性分析，總結了城市洪澇災害成災模式的變化趨勢以及城市化對洪澇災害成災特性的影響;王紫雯［10］等以杭州市為主要研究對象，對城市洪澇災害的生態機理進行了分析。

在城市內澇的減災措施方面，提高城市排水管網的設計標準被認為是解決城市內澇問題最有效的工程措施［18］。我國的城市排水系統設計標準一般為“一年一遇”，北京市、廣州市等少數城市標準稍高，國外的城市排水標準普遍比國內要高，美國紐約是“十至十五年一遇”，日本東京是“五至十年一遇”，法國巴黎是“五年一遇”。也有學者認為除了工程措施外，更加重要的是強化城市洪澇災害的風險管理［19］，包括制訂城市暴雨應急方案、雨情實時監測網絡建設和成災后的應急搶險預案等。近年來，隨著計算機技術的不斷發展，“3S”技術被應用于城市內澇預警系統，開發了一系列城市內澇仿真模型。天津市氣象科學研究所和天津大學聯合開發了城市暴雨漬澇模型，是將氣象、水文、城市排澇多學科結合的、具有動態預測性質的強降水內澇災害排澇減災決策系統，該系統在天津、南京、西安等城市具有很強的應用性［20－22］。也有學者從雨洪資源化的角度探討解決城市洪澇災害的對策和措施。認為在城市建設中，應注意保護承載著調蓄雨水功能的湖泊河道、修復雨水蓄泄通道、因地制宜地構建雨水的蓄滲空間，并在城市免于內澇的同時最大限度地利用雨水［23］。

3 研究發展方向

我國目前正處于經濟和城市化高速發展時期，城市化速度明顯加快增加了旱澇災害發生的頻率和災害的損失。而近年來受全球氣候變暖影響，“旱澇急轉”、“旱澇交替”等自然災害在某些地區頻繁發生，使得城市對旱澇及其衍生災害的脆弱性越來越明顯。到目前為止，針對季節內旱澇逆轉問題的研究還停留在利用氣象資料做統計分析的階段，對旱澇逆轉形成的機理以及影響因素的研究不夠透徹，缺乏理論支撐，難以開展“旱澇急轉”的預報以及應對措施的研究。

目前對城市產流－匯流機制和數學模擬、城市下墊面條件改變對降雨徑流過程的影響有了重大研究成果，為進一步研究城市旱澇形成機理與減災方法奠定了堅實的基礎。在城市防災減災體系建設中也較少考慮季節內旱澇逆轉的問題，在應對突發的旱澇急轉型內澇災害還不能做到快速反應。同時目前的研究一般只針對單一城市的旱澇災害進行研究，將城市孤立開來，忽略了城市與流域、城市與周邊水體的相互作用。今后的研究重點主要有以下3點。

3.1 旱澇急轉形成機理研究

應用多年氣候資料，對不同區域“旱澇急轉”現象的共性特征和伴隨旱澇急轉出現的異常特征進行統計分析;研究旱澇的地域分布特征、時空變化特點、年際年代際演變規律及其旱澇急轉的震蕩周期;分析旱澇季節性變化與太陽磁場磁性指數、季風、大氣環流、副熱帶高壓等氣候要素之間的相關關系;對于顯著相關的氣候因子進一步分析其對旱澇急轉影響的作用機理;總結歸納旱澇急轉發生和演變的規律;揭示“旱澇急轉”形成的機理，為進行“旱澇急轉”的預報和進行城市防災減災體系建設提供有意義的參考。

3.2 城市防災救災體系研究

城市防災救災體系研究主要包括預測預警體系研究和旱澇急轉發生后的救災體系研究。目前針對小尺度、短歷時的氣象預報和水文預報的準確度還不高，難以滿足災害預測預警的要求，需要進一步加強研究。針對旱澇急轉時間短、雨量急、成災重的特點，雨情實時監測網絡建設和成災后的應急搶險至關重要。應加強應急搶險預案研究，有效利用社會信息、運輸、人力、物力等資源，以應對暴雨災害。同時在進行城市防災體系建設時，考慮旱災和澇災的逆轉情況，在確保城市供水安全的前提下確定城市排澇標準，考慮城市生態需水量，提出蓄、滯、滲、排等工程措施與災害風險管理、救災保障體系和群眾防災意識教育等非工程措施相結合的減災模式，把旱澇急轉的損失降到最低。

3.3 宏觀尺度上的旱澇機理和城市減災預案研究

南方城市尤其是長江中下游城市大多數處于長江流域內，流域的地理屬性、水系分布、水文情勢及水動力學過程是研究城市的旱澇災害形成機理的重要環境背景，而城市的產匯流同樣會影響流域的水文、水動力學過程，因此，城市和其所處的流域是有機聯系的整體。今后需要在較大尺度上根據城市與流域的關系、城市自身的地學特點、城市與周邊水體(域)的相互作用等方面選擇若干典型城市進行分類研究。從宏觀與微觀的結合上研究旱澇災害形成機理，考慮旱澇逆轉問題，結合城市排水管網、洪水承泄區、城區周邊水體特點，構建城市產匯流模型與流域水文水動力學過程相耦合的城市內澇模型，提出旱澇減災措施。

4 結語

近年來“旱澇急轉”在中國南方夏季出現的頻率較高，因其突發性強、雨量大，來不及快速反應而造成非常嚴重的損失。因此研究“旱澇急轉”形成的機理及其影響因素，并實現“旱澇急轉”的預報，具有客觀必要性和現實緊迫性。以往對城市旱澇異常的研究多是立足于單一的旱災或澇災，對城市產流－匯流機制和數學模擬，城市下墊面條件改變對降雨徑流過程的影響有了重大研究成果;但在“旱澇急轉”形成機理、“旱澇急轉”對城市排澇標準和防災減災體系建設的影響方面還需深入研究。此外，根據城市自身的地學特點、下墊面條件、城市匯水區與流域的關系，考慮城市區局地強降雨因素，建立城市產匯流模型與流域水文水動力學過程相耦合的城市內澇模型，從城市區域與流域的聯系角度研究城市澇災形成機理以及相應的減災方法，都是需要進一步研究的重大課題。

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