思考与启发 | 从郑州水灾模型推演看城市洪涝风险管理
近日,一场罕见暴雨引发的城市涝灾灾害话题受到全社会的高度关注。面对惨痛的现实，业界纷纷研究和反思。
我们学到了什么？有什么教训需要吸取？
本文在收集网上公布的“7·20郑州特大暴雨”事件的降雨、地形高程、排水格局、洪涝灾情等大量信息的基础上，通过计算机模拟，分析郑州7.20暴雨洪水实际情形，评估风险特征。
研究以专业视角，从城市洪涝安全需求出发，审视城市排水防涝系统应对极端暴雨实际表现，从而获得可能很有价值的启发。
一、郑州主城区排水特征
1.1 城市地形地势与排水格局
根据由此次专门收集的地形资料绘制而成的郑州市区域地形和水系图（图1），郑州中心城区在西南、西部低山丘陵和黄河之间呈西高东低，西南部整体地势由西南向东北倾斜，逐渐向东北过渡为黄土倾斜平原和黄淮冲击平原。
河流包含源于西南山部区的索须河、金水河、十八里河、七里河、潮河和贾鲁河。平原区的熊耳河、魏河、东风渠等，均为市区内的泄洪排涝骨干河道。所有河道最终排向贾鲁河，因此贾鲁河承担着城市防洪排涝的重要功能。
上游建有10余座中小型水库，包括常庄和尖岗水库。贾鲁河自尖岗水库至京港澳高速地面坡降估计（见图2），城区段上游坡度大，约为3‰，坡面汇流流速大，上游来水速度快；下游区域相对平缓，约为0.66‰。
1.2 7·20降雨事件情势分析
根据从“生态水文遥感”团队公众号获得的降雨资料，对比郑州市内2021年7月18日20时21日15时段内，自西向东5个国家级气象站点的降雨过程时空分布（图3）。
郑州发生一小时极端暴雨前，7月18日20时-20日15时，位于郑州主城上游的嵩山站、巩义站和新密站发生高强度降雨，累积降雨量分别已经达到515mm、464.5mm和476mm（图4）。
郑州站位于主城区偏东北，暴雨主要集中在20日15时~17时，最大小时降雨量达到201.9 mm，最大24h总降雨量超过622 mm。
7·20暴雨中心由西南山区逐渐向东北郑州市区发展，导致城市河道由于山区暴雨径流和水库安全下泄，水位快速抬升，在市区发生特大暴雨时，城区河道排水条件不利。
1.3 7·20郑州暴雨重现期
7·20暴雨到底是多少年一遇？
暴雨发生频率或重现期是由水文统计分析得出。这是在水文学科又下分的非常专业的研究方向。
水文事件（如暴雨）重现期，是基于对随机样本分析基础上，得出对随机事件发生的可能性进行量化的一种表达方式，以便应用和研究中可以比较、分析、决策。
城市对暴雨的研究基本仍局限于通过站点观察记录推求暴雨公式和100年一遇以下的范围。
由于水库等重要水利安全要求很高，水利上对于极端事件的应用很普遍，如三峡大坝设计是万年一遇，荷兰有些堤坝是几百年到十万年一遇设计标准。
由于频率成果的敏感性和重要性，极端频率的分析不是仅仅靠几年观察数据排位计算所得。极端事件频率分析需要利用历史调查、考古、洪水遗迹等大量研究所得。
另一方面，对于极端频率，其成果正确性没法衡量，只是在现有认知和科学水平基础上的最好估计。郑州7·20暴雨打破了太多的认知。
到底多少年一遇需要由水文气象学术专家们研究。
不过从“75·8驻马店特大暴雨”，“ 7·20 南方多地洪灾”的两次极端事件的来看，这些确实挑战了水文统计的对极端事件分析。
根据张建云院士报告解释，这个地区的地形条件与特殊气候的组合可能是促成极端降雨的主因。
因而，这些极端事件与常规事件来比，由于成因和工程目标不同，可能需要分类研究。
二、暴雨洪水风险分析
2.1 暴雨积水模拟
为了评估郑州市暴雨水情形势和淹没风险，分析洪涝灾情成因，本研究构建了郑州市主城区水文水动力2D洪涝模型，模型范围1057.8 km2，包含主要城区范围和郑州市泄洪排涝骨干河道。
模型降雨采用北京师范大学地理科学学部“生态水文遥感”团队根据中国地面气象站逐小时观测资料数据分析梳理的郑州市国家级气象站点降雨资料，选用郑州站2021年7月19日20时~7月21日0时之间的小时级降雨数据进入模型计算，总降雨量约为640 mm，最大1小时降雨量为 201.9 mm，径流系数取值0.9。模型地面高程采用美国NASA，Shuttle Radar Topography Mission雷达高程数据，数据精度为30m*30m。
根据洪涝模型结果绘制最大积水水深分布图（图5）。水深风险图大多与新闻描述相符（请见图例，蓝色深浅代表积水深浅）。
结果表明，郑州城区总体积水形势严峻，大片区域最大积水深度超过城市内涝防治要求的0.25m，部分区域最大积水深度甚至在2m以上。
城区东北部的金水区和惠济区地势较低处积水最为严重；主城区内郑州北站至郑州站沿线、圃田西站周边、郑州地铁5号线沿线范围广、水深也较大。
进一步统计淹没水深面积占比，最大积水深度超过 0.25m的面积为 479.1 km2，占总面积的 45.3%，其中，0.5~2m的面积为272.4 km2，占比25.8%；2m以上的面积达到116.0 km2。
2.2 洪涝水量分析
根据郑州市政府2017年发布《郑州市海绵城市专项规划（2017~2030年）》，在水安全方面，标准为：城区与航空城的内涝防治设计重现期为50年一遇。郑州市5年、50一遇重现期24h设计暴雨量分别为119.0m、199.4mm。
根据上述特征暴雨雨量分析，管网在设计能力条件下排水量（含海绵设施）占本次极端降雨总雨量的19%，50年一遇防涝系统排水量（含管网）约占32%，超标雨水占比达到68%，大量超出内涝防治体系能力标准的雨水将形成快速的地表坡面汇流，流向地势低洼区域。
主城区1057.8 km2模型范围内水量平衡分析及各部分百分比结果如表3、图7所示：
2.3 淹没风险分析
洪涝能量大的区域代表受影响大、危险性高。
而水深与流速决定洪水能量，因此根据模型得出的地面淹没最大水深及最大流速，对研究区域淹没范围的洪涝风险性进行评估。
风险评估因子F公式如下：
F=Hmax*Vmax
计算得出郑州市主城区洪涝风险分布图（如图8），可以看出，淹没高风险区主要位于郑州金水区.
金水区位于主城区地势最低洼处，区内水系纵横连通，是城区主要的行洪区段，主干排洪河包括贾鲁河、东风渠、熊耳河、金水河、魏河等均在金水区交汇，造成区内水量持续累积、水位壅高，远超内涝安全调蓄量。
此外，贾鲁河、金水河、十八里河和七里河等河道中上游两岸也存在中、高淹没风险区，此次郑州暴雨导致城区内河道远超其排水能力。
大部分区域淹没水深大于0.5米，甚至1-2米，流速大于0.8米/秒，水流风险极大，严重影响城市安全。
2.4 代表点淹没水位过程
暴雨期间，郑州市阜外华中心血管病医院（简称阜外医院）因暴雨积水，停水断电、道路受淹、交通受阻，导致近5000人被困。
阜外医院所在的城东中牟处于郑州地势最低处，贾鲁河、魏河、龙湖等水体交汇处下游，暴雨后河水暴涨导致大量积水倒灌，导致路面水位上升速度快、涨幅高，但受地形影响退水速度较慢。
通过模拟2021年7月20日15时~7月20日21时间郑州站实际降雨，结果显示阜外医院周边区域水位6小时水位上升可达到2.25m左右。
三、城市排水防涝体系的关键解析
郑州特大暴雨事件的主因，显然是由于超出安全标准二倍多的涝水出路受阻。
然而，尽管量级特征不同，超标暴雨任何城市都可能发生。其他城市怎样才能吸取教训？
为此，我们需要首先理解排水防涝系统的功能设计。本质上排水防涝体系是关于城市雨水的滞蓄排放的空间平衡和有序布置。涝水量的时空估计以及风险管控，是解决城市洪涝问题的重要内容。
从系统角度，不同工程手段实现不同的设计目标。工程手段包括源头减排与排水管渠系统、内涝防治系统，和超标降雨应急防控和响应系统。
下图展示了各个系统层级设计应对不同的暴雨特征，主要功能有所不同。
•排水管（图A）-设计标准多介于5年及5年一遇以下。主要设施包括：源头海绵设施、地表导流、管网、调蓄设施、城市河湖等
•内涝防治系统（图B）-主要应对超出管网能力的设计暴雨（如5-50年一遇），设施主要包括：管网、调蓄设施、城市河湖、泄流通道、地表的安全积水区域。
•超标系统（图C）-（如大于50年一遇）的降雨事件，主要设施包括：调蓄设施、城市河湖、超标泄流通道、地表淹没区域,预案以及应急响应非工程减灾手段。
任一排水系统（或子系统），降雨径流进入系统后，是排水能力与系统调蓄量之间的平衡。当排水能力受限，系统调蓄量超过防洪排涝设计标准安全蓄量时，发生内涝（见图11）。
排水防涝规划对管渠道、内涝防治标准和海绵城市有明确的设计标准和指标要求。
在内涝防治体系中，设计标准内超过管渠能力的地表径流空间组织、安全调蓄，以及标准外涝水的风险评估与对策，是工程规划与管理的重点。这些地表径流组织与涝水出路，需要城市的空间。这项工作，业界常常通过洪涝风险的识别与评估，为城市规划和排水防涝提供非常重要的洪涝风险图成果。
风险图可为防洪排涝设施空间布局提供依据，识别淹没对象，评估发生后果，以便在工程上布置合理的避险措施，在空间上与城市规划衔接。
四、认知与启发
根据上述研究，得到如下启发：
模型推演表明，郑州7·20暴雨主城区受灾的主因是由上游始发暴雨洪水与市中心极端小时暴雨叠加，城区形成大面积水深不等的快速坡面汇流导致。
该暴雨量远远超过城市河道防洪标准和城市的排水防涝标准。
城市是否具有标准内的洪、涝风险图？是否有超标准暴雨研究和预案的风险图？超标准洪水或涝水在规划工程中会淹哪些地方？怎么调蓄？如何排放？恐怕许多城市对这些问题都仍缺乏准备；
洪涝灾害怎么管？
郑州暴雨事件暴露了一个非常普遍的风险管理问题。
流域防洪工程管河道堤防和泵站等，但不关注城市细节；城市排水防涝关注城市细节，但只假设河道安全，且只局限于管渠和内涝防治标准内；
是洪？是涝？或洪涝？
城市是源头产水、汇水、地表坡面汇流，而又期望被保护的对象，既非防洪工程可以保护，又非通常的涝水现象，也远远超出了排水防涝的能力范围。
其实概念并不重要，重要的是对风险特征，如暴雨量级、淹没水深、流速、淹没对象等的判断、识别和评估。
随着全球变暖，气候不确定性加大，点暴雨公式的局限性、超标事件研究不足和洪涝风险评估的薄弱，可能是当今城市规划与管理不小的技术风险。
极端气象条件研究、可靠的精细化的标准内和标准外洪涝风险评估与风险图，为识别风险源与重要保护对象，为城市空间规划、重大工程避险、应急响应管理提供重要依据。城市排水防涝规划是唯一弥补当今技术体系局限，有条件提供这些权威成果的技术途径；
本研究基于大量公开信息构建洪涝模型，得出较为符合实际的专业分析成果，表明在具有较好基础资料的条件下，通过专业模型技术支撑排水防涝规划或内涝治理的技术手段，应是基本要求。
再进一步，气象信息与洪涝系统模拟技术的集成，能为城市快速高效的工程决策、预警预报和应急响应提供辅助。
随着系统应用检验和纠错能力提高，这种以实时模拟为支撑的预警预报和应急决策技术将会越来越成熟，是必然趋势。
