河南省“7.20”洪水災害時空動態分析*

王莉紅，黃泓杰，崔勝輝，方雪娟

(1.中國科學院城市環境研究所 城市環境與健康重點實驗室，福建 廈門 361021；2.中國科學院大學 資源與環境學院，北京 100049；3.廈門市城市代謝重點實驗室，福建 廈門 361021)

隨著極端降雨強度增加，降雨引發的洪水災害成為世界上最危險的自然災害之一，與此同時，未來不同排放情景下百年一遇以上洪水影響范圍內的人口數量和資產暴露也將越來越多[1-3]。緊急災難數據庫(EM-DAT)中記錄了2000—2019年全球發生的7 348次災害事件中洪澇災害占44.28%，給全球造成的經濟損失高達2.97萬億美元[4]。中國1950—2016年，洪災導致年均4 327人死亡，1990—2017年間年均因災損失200億美元[5]。全球氣候變化背景下強降雨等極端天氣氣候事件的增加，將導致世界許多地區出現更強烈的降水，洪水事件發生的頻率和規模都將增加[6-7]。在未來氣溫升高1.5℃的情況下,河流洪水造成的人員損失將增加70%～83%，直接洪水損失將增加160%～240%[8]。

隨著全球極端降雨事件的頻繁發生，近年來我國洪水災害問題凸顯，河岸決堤，城市“看海”也成為城市規劃建設領域的痛點。2021年7月20日，河南省大范圍極端降雨事件給河南省造成了嚴重損失，其中農作物受災面積1 048.5 khm2，成災面積527.3 khm2，絕收面積198.2 khm2；房屋倒塌1.80萬戶，嚴重損壞房屋4.64萬戶，一般損壞房屋13.54萬戶；302人死亡，50人失蹤，其中，鄭州市遇難292人，失蹤47人；新鄉市遇難7人，失蹤3人[9]。

城市地區的人口密度大，資產密集，短歷時局地性大暴雨和長歷時大范圍的持續性降雨對流域造成的巨大損失都不容忽視。其次，城市化也加劇了極端降雨發生的頻率和洪水的響應[10-13]，城市化可對局地氣候產生強烈影響，如城市“熱島效應”與城市“雨島效應”突出[14]，暴雨發生時城市防洪排澇建設決定城市內澇情況，另一方面通過調整城市自然和社會狀態可以緩解城市內澇[15]。為了緩解城市內澇災害對城市的影響，不同國家針對內澇問題，實施了一系列雨洪管理措施，如中國的實施海綿城市，美國實施的工程和非工程最佳管理措施(BMP)、低影響開發(LID)、綠色基礎設施(GI)，英國實施的可持續排水系統(SUDS)，德國實施的雨水利用(SWH)，澳大利亞實施的水敏感性城市設計(WSUD)，新西蘭實施的低影響城市設計與開發(LIUDD)，新加披實施的“活力、美觀、清潔”水計劃(ABC)，日本實施的雨水貯留滲透等[16-19]。

河流給人類社會提供資源的同時也伴隨著河水泛濫、河岸決堤，為了降低河流洪災給人類財產和生命安全帶來的災難，人類歷經幾千年的治水經驗，通過工程措施不斷提高防洪標準，讓水遠離人類，通過非工程措施讓人類遠離水，但是洪澇災害造成的經濟損失并沒有減少。為了降低洪水災害對人類生命財產的影響，提高人類應對洪水的預防、響應與適應能力，加強城市應對自然災害的韌性建設，提高城市對洪澇災害防御能力，快速準確地獲取洪水淹沒區域范圍，進行實時洪水災情評估、救援以及人力、物資調配。吳紹洪等基于災害抵御、受損恢復、應急管控三個方面評價自然災害韌性彈性社會指標并提出了未來自然災害韌性社會建設的途徑[20]。孔鋒用綜合指標體系評估我國氣象災害的綜合防御能力，結果認為我國綜合災害防御能力整體水平偏低，并且未來仍有提升空間[21]。周帆等通過對比國產高分3號衛星與歐洲的哨兵1號衛星提取斯里蘭卡 2017年5月30日馬塔勒市洪水淹沒面積表明GF-3 衛星提取結果的準確性和穩定性以及在實際應用中更好[22]。因此本文通過分析河南省“7.20”極端降雨事件發生的原因、頻率以及時空變化特征，基于GF-3 衛星和地理信息系統技術提取此次極端降雨引起的鄭州市澇災、新鄉市衛河兩岸洪災的淹沒面積時空變化特征，最后提出了在未來城市發展與建設過程中應對洪澇災害的建議。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

鄭州市分屬黃河和淮河兩大水系，新鄉市分屬黃河、海河兩大流域，兩座城市位于黃河中游南北兩側的平原地區，其中鄭州市中心城區建成區面積651.35 km2，根據第七次人口普查數據，鄭州市常住人口為1 260萬人，全年平均氣溫15.6℃，全年平均降雨量542.15 mm，地勢西南高、東北低，屬北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，流經主城區的河流主要為黃河、索須河、賈魯河、金水河、熊耳河、七里河、十八里河、東風渠、以及南水北調運河，河流流向為自西向東南。主城區周圍水庫包括邙山水庫、唐崗水庫、河王水庫、常莊水庫、丁店水庫、尖崗水庫、羅垌水庫。新鄉市轄12個縣(市、區)，根據第七次人口普查數據，新鄉市常住人口為625萬人，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，歷年平均氣溫14℃，年均降水量為573.4 mm。流經新鄉市的河流主要為黃河、沙河、共產主義渠、衛河、東孟姜女河、百泉河、文巖渠、人民勝利渠以及南水北調運河，其中，共產主義渠、衛河、東孟姜女河自西南向東北并行流經獲嘉縣、新鄉縣、衛輝市，地勢西北高、東南低，西北部山區有三郊口水庫、寶泉水庫、石門水庫、獅豹頭水庫、塔崗水庫，平原占全市土地總面積的78%。

圖1 研究區概況(審圖號：GS(2022)3995號)

1.2 數據來源

本文選用的資料為鄭州站和新鄉站1951—2020年逐日降水觀測資料；2021年7月17—24日鄭州市鞏義、滎陽、登封、鄭州、嵩山、新密、新鄭、中牟，8個氣象站，新鄉市封丘、輝縣、新鄉、原陽、獲嘉、衛輝、延津、長垣，8個氣象站逐小時降水量資料，數據均來源于中國氣象局國家氣象信息中心。

本文選用高分3號L1A級別SAR圖像，成像模式為精細條帶2(FSⅡ)，時間為7月20日、7月22日、7月24日，數據來源于國家綜合地球觀測數據共享平臺、國家對地觀測科學數據中心，具體參數如表1所示。

2 研究方法

2.1 降雨重現期模擬

本文采用P-III進行降水頻率擬合，推求不同重現期對應降水量。首先根據已有逐日的歷史降雨量數據，提取年最大日降雨量數值，提取1951—2020年共計69個樣本，將樣本按照順序排列，其次計算樣本的均值、均方差、變差系數、偏態系數以及P-Ⅲ概率分布的3個參數α、β、b，最后根據伽馬分布計算給定重現期的年最大日降雨量或求某一年最大日降雨量所對應的概率P，具有如下概率分布函數[23]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：α、β、b為皮爾遜Ⅲ型分布的形狀、尺度和位置參數，Cv、Cs分別為變差系數和偏態系數。

表1 高分3號L1A級別SAR圖像參數

可以在EXCLE中根據降雨重現期計算最大日降雨量(Rmax)，也可以根據日最大降雨量(Rmax)計算降雨重現期，輸入公式如下：

Rmax=GAMMAINV(1-P,α,1/β)+b;

(6)

P=1-GAMMADIST(Rmax-b,α,1/β,TRUE)。

(7)

2.2 水體提取

雷達影像的穿透能力強，不受天氣和時間的影響，水體提取結果相對光學影像較好，因此選擇國產高分3號L1A級別數據雷達影像數據，并基于國產PIE-SAR6.1平臺進行影像處理，國產PIE-SAR6.1平臺對提取水體速度快，操作簡單，即使非專業人員也可以高效率提取水體，具體處理過程依次為多視處理、Frost濾波、地理編碼，處理后分辨率為10 m，最后在行業應用里選擇水體提取，將水體提取結果在GIS平臺中進行柵格轉矢量、裁剪以及出圖[22, 24]。

3 “7.20”降雨事件分析

根據鄭州市和新鄉市16個氣象站，2021年7月17—24日逐小時降水量資料(圖2)，可以發現新鄉市與鄭州市此次降雨事件持續時間長，降雨強度大，強降水范圍廣、強降水時段集中、極端性突出，新鄉市7月20—21日降雨強度最大，鄭州市7月19—20日降雨強度最大。其中輝縣最大日降雨量446.6 mm，7月17—24日累積降雨量762.4 mm，衛輝最大日降雨量336 mm，7月17—24日累積降雨量748.8 mm，鄭州站日降雨量達627.4 mm，7月17—24日累積降雨量820.5 mm，新密站日降雨量達376.3 mm，7月17—24日累積降雨量723.7 mm。

圖2 新鄉市、鄭州市7月17—22日降水量

基于GIS平臺使用反距離加權插值(IDW)方法對鄭州市和新鄉市逐日降水量數據進行插值，生成覆蓋鄭州市和新鄉市降水量數據(圖3、圖4)。發現鄭州市降雨中心自7月18日開始由西向東移動，7月19日的強降水中心為嵩山站，7月20日的強降水中心為鄭州站和新密站；新鄉市降雨中心自7月18日開始由西向東移動，7月19日的強降水中心為嵩山站，7月20日的強降水中心為鄭州站和新密站。新鄉市7月20日降雨中心集中原陽，7月21日降雨中心集中于輝縣、衛輝。

圖3 鄭州市7月17—22日降水

圖4 新鄉市7月17—22日降水

此次“7.20”降雨時間被廣泛關注，河南省氣象局將此次降雨事件的原因總結為4點：①穩定的大氣環流，造成長時間降水；②臺風“煙花”遠程控制，為河南強降雨提供了充沛的水汽來源；③地勢西高東低，地形降水效應顯著；④“列車效應”降水積少成多[25]。

4 結果與分析

4.1 降雨重現期分析

降雨重現期并非降雨周期，從數學概率的角度來說，“百年一遇降水”就是每年發生的幾率是1% ，而不是百年里只發生一次或每隔百年就要發生一次，它可能在百年內發生多次，在水文統計中，重現期即在一定年代的雨量記錄資料統計期間內，大于或等于某暴雨強度的降雨出現一次的平均間隔時間，一般以年表示[26-28]。根據鄭州站和新鄉站1951—2020年，逐年最大日降水量序列(圖5)，用P-III分布擬合得到鄭州站、新鄉站，不同重現期的最大日降水量(表2)，其中鄭州站在百年一遇的降水量約為174 mm，千年一遇的降水量約為221 mm，其中新鄉站在百年一遇的降水量約為311 mm，千年一遇的降水量約為499 mm。基于鄭州站和新鄉站近69年的數據擬合“7.20”降雨事件的最大日降雨重現期，其中鄭州站的降雨重現期超千年一遇，新鄉站的降雨重現期為65年一遇，但是由于模擬結果受歷史數據的影響較大，因此隨著記錄數據的變化，模擬值變化較大，畢竟相對于1 000年，69年的記錄僅占6.9%。此外，新鄉站和鄭州站的模擬結果相差巨大的原因是2016年7月9日新鄉站最大日降雨量414 mm，因此會產生較大差異，并且2016年據今只有5年時間，鄭州站與新鄉站僅相距85.46 km，高程相差37.2 m，因此表2中計算的不同重現期最大日降雨量僅基于1951—2020年歷時數據。

表2 鄭州站、新鄉站不同重現期最大日降雨量

4.2 水體面積變化分析

通過對比鄭州市主城區與衛河兩岸此次洪水災害，發現鄭州市主城區為由于本地降雨事件持續時間長、降雨強度大、強降水范圍廣、強降水時段集中，地表徑流不能及時排出城市或農田所引發的澇災，衛河兩岸為是由于共產主義渠右堤漫決下泄，衛河南堤潰口，新鄉市西北部山區水庫的水位暴漲、泄洪，使客水入境而造成的洪災。

圖5 鄭州站、新鄉站1951—2020年最大日降水量序列與不同重現期最大日降雨量

圖6 鄭州市主城區水體變化

圖7 鄭衛河兩岸水體變化

圖8 鄭州市主城區、衛河兩岸水體變化

通過高分3號SAR圖像提取鄭州市主城區和衛河兩岸7月20日、7月22日、7月24日的水體(圖7、圖8)，本文中的衛河兩岸僅包含新鄉市部分區縣(表3)，其次統計鄭州市主城區和衛河兩岸各區7月20日、7月22日、7月24日的水體面積的變化(圖8)，結果發現降雨結束后隨著時間的推移鄭州市主城區水體面積不斷減少，其中7月20日的水體面積最大，其次是7月22日、7月24日；鄭州市主城區水體面積在空間上表現為惠濟區水體面積最大，其次是金水區、管城區、中原區、二七區。結合時間尺度和空間尺度上的變化發現7月20—22日，惠濟區和金水區的水體消減面積最大，7月22—24日管城和二七區的消減面積最大，而7月20—24日水體面積變化最大的是管城區，其次是金水區、惠濟區、中原區、二七區，因此從城市內澇面積上看管城區內澇程度大于金水區、惠濟區、中原區、二七區，從城市排水能力上看惠濟區和金水區優于其他區。

表3 衛河兩岸區縣鄉鎮

衛河兩岸在降雨結束后隨著時間的推移水體的面積呈現增加趨勢，7月24日、7月22日的水體面積均大于7月20日的水體面積；其次，7月24日輝縣不僅有無法排出的蓄水，加上從山上、河渠、水庫溢出來的水，還會讓水位不斷上漲，因此在空間上輝縣和衛輝的水體面積變化最突出，危險性也最大。河南省第七場防汛救災新聞發布會指出衛輝積水嚴重主要有四個方面原因：①衛輝市地勢低洼，位于衛河和東孟姜女河的交匯地帶，容易積水；②本次降雨量大，歷時長且產生的積水多；③衛河衛輝段水位居高不下，排水不暢；④共產主義渠右堤漫決下泄，衛河南堤潰口，河水漫灌[29]。

5 洪水災害對未來城市發展的啟示

河南省“7.20”洪水災害事件中鄭州市最大一小時降雨量達203 mm，同時引起了鄭州市主城區嚴重的澇災，鄭州市主城區的交通、網絡、供水、供電等都受到了很大影響。此次降雨事件對新鄉市造成了嚴重的洪災，造成衛河決堤，因此，導致此次降雨事件結束后，城市水位不降反增，對城市的正常運轉影響巨大。此次極端降雨事件發生后，引起了國內外人們的廣泛關注，成為了互聯網的熱點話題之一，同時也給我們在今后的防洪實踐中，如何科學應對城市“看海”與河岸決堤帶來了更多的啟示。

5.1 防洪規劃與建設

防洪規劃可以指導防洪建設，防洪建設直接關系到人們的生命財產安全，而災害發生后的反饋結果能夠檢驗防洪規劃，因此防洪規劃與防洪建設都相當重要。

防洪規劃設計中除了考慮流域的自然社會經濟基礎、投入成本與歷史資料外，還要充分利用流域的基礎條件和設施，讓鄉村、社區、城市在應對洪澇災害時具有更好的彈性[30-31]。此外，要在針對流域、城市、社區、鄉村的特征以及不同地區的洪水風險程度構建相應的韌性評價體系和洪水風險圖，而不是采用統一的衡量標準[32]。

5.2 洪水管理

未來洪水管理中應重視流域綜合管理，構建災害發生前—災害發生—災害結束后的全過程管理。比如，災前側重流域內高、中風險區管理，災中開通災害應急專線，實時更新最新災情，統一協調調度物資、人力，根據災情狀況分區進行救助，其次充分調動社會管理收集災情、安置安撫災民、災后重建的力量，并且能夠合理利用洪水，使洪水變成有效的水資源。

由于災害發生的動態性和不確定性，因此給災害預報、警報增加了難度。然而，天氣預報受制于科學認識和技術手段等因素，不可能完全準確，因此災害預警并沒有發揮出最佳效果。未來防汛將不僅局限在做好洪水預報、警報、防洪調度、防汛搶險這些常規工作，隨著現代防洪科學技術的迅速發展。如何科學有效的避免災害預警在傳達過程中、傳達后沒有得到有效反饋等問題，同時防汛搶險工作和防洪調度與其他社會組織、民間救援重疊或遺漏也要被考慮到。因此，必須健全實時更新的災害應急管理平臺與相關部門的互通互聯，確保相關信息發布的可達性、及時性和有效性。

6 結論

本文通過分析河南省“7.20”極端降雨事件發生的原因，頻率以及引起的洪澇災害的淹沒時空變化特征，提出了應付洪澇災害的洪水管理措施。

(1)本文通過分析鄭州市與新鄉市16個氣象站點，2021年7月17—24日逐小時降雨量，發現鄭州市降雨集中在19—20日，新鄉市集中在20—21日。基于GIS平臺使用反距離加權插值(IDW)方法對鄭州市和新鄉市7月17—24日逐小時降雨量進行插值，發現此次降雨事件的降雨中心由西向東移動，由南向北移動。

(2)基于鄭州站與新鄉站1951—2020年的歷史降水數據用P-Ⅲ分布擬合鄭州站與新鄉站此次降雨事件的最大日降雨量的重現期，結果表明鄭州站降雨重現期超千年一遇，新鄉站約65年一遇。

(3)基于PIE-SAR6.1平臺對GF-3 SAR L1A級別SAR圖像提取7月20日、7月22日、7月24日鄭州市主城區澇災和衛河兩岸洪災的淹沒范圍，結果表明鄭州市主城區在時間尺度上表現為7月20—24日水體面積呈減少趨勢，在空間上看管城區內澇程度大于金水區、惠濟區、中原區、二七區，從城市排水能力上看惠濟區和金水區優于其他區。衛河兩岸在時間尺度上表現為7月20—24日水體面積呈增加趨勢，在空間上輝縣和衛輝的水體面積變化最突出。

(4)未來應對洪水災害不僅要制定超標準洪水防御措施與行動方案，建立綜合洪水預報、預警、調度、應急救災、撤離計劃、災后重建系統，而且要統籌協調防洪規劃、防洪建設、洪水管理與城市規劃建設的關系。

致謝：感謝國家綜合地球觀測數據共享平臺、國家對地觀測科學數據中心提供的7月20日、7月22日、7月24日，高分3號SAR圖像；感謝李元征博士給予的幫助。