中國城市洪澇問題及成因分析

張建云1,2，王銀堂1，賀瑞敏1,2，胡慶芳1，宋曉猛2,3

(1. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京　210029；2.水利部應(yīng)對氣候變化研究中心， 江蘇南京　210029；3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州　221116)

摘要：隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，中國步入城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的階段，城鎮(zhèn)化率已由2000年的36.22%增加到2014年的54.77%。在全球氣候變化與快速城鎮(zhèn)化背景下，中國城市洪澇災(zāi)害日益嚴(yán)重。闡述了全球氣候變化及城鎮(zhèn)化對城市降水和極端暴雨的影響機制，并從流域產(chǎn)匯流角度分析了城鎮(zhèn)化對洪水過程的影響，系統(tǒng)剖析了中國城市洪澇頻發(fā)的主要原因。在成因分析的基礎(chǔ)上，進一步提出了中國城市洪澇防治的應(yīng)對策略，主要包括：① 以低影響開發(fā)理念為指導(dǎo)，加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建設(shè)海綿城市；② 建立城市洪澇立體監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警和實時調(diào)度系統(tǒng)，強化城市洪澇科學(xué)決策能力；③ 健全和完善城市洪澇應(yīng)急預(yù)案，強化應(yīng)急管理能力，完善災(zāi)害救助和恢復(fù)機制。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)化；城市洪澇；全球變化；產(chǎn)匯流

受季風(fēng)氣候影響，中國暴雨洪水集中、洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，城市洪澇問題歷來是一個非常突出的問題。1931年6—8月，長江上中游出現(xiàn)長歷時大范圍強降雨過程，武漢三鎮(zhèn)平地水深丈余，陸地行舟，瘟疫流行，受淹時間長達(dá)133 d[1]。當(dāng)時的《國聞周報》描述為“大船若蛙，半浮水面，小船如蟻，漂流四周”。

城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展給城市水文學(xué)帶來新的問題和挑戰(zhàn)[2-3]。根據(jù)聯(lián)合國人居署發(fā)布的《2011世界人口狀況報告》[4]指出，到2011年底，世界約50%的人口居住在城市，預(yù)計到2050年城市人口將從2011年的36億增長到63億，總?cè)丝趯?0億增長到93億，即未來城市化進程將繼續(xù)加快，城市人口持續(xù)增加[5]，特別是發(fā)展中國家和地區(qū)城市人口增長最為顯著[6]。中國進入了城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的階段，全國城鎮(zhèn)化率從2000年的36.22%增加到2014年的54.77%，京津、長三角、珠三角等地甚至接近或超過了80%。2013年《國務(wù)院關(guān)于城鎮(zhèn)化建設(shè)工作情況的報告》提出，中國城市群的發(fā)展目標(biāo)是京津冀、長江三角洲和珠江三角洲城市群將向世界級城市群發(fā)展，同時規(guī)劃打造哈長、呼包鄂榆、太原、寧夏沿黃、江淮、北部灣、黔中、滇中、蘭西、烏昌石10個區(qū)域性城市群。據(jù)有關(guān)規(guī)劃，在2050年前后，中國人口達(dá)到高峰時，總?cè)丝跒?6億左右，屆時城市化水平將超過60%，全國將有9.6億以上的人口生活在城市里。

城市化在一定程度上增大了人類社會與生態(tài)環(huán)境之間的相互作用，從而引發(fā)一系列的社會-環(huán)境-生態(tài)問題[7-8]。城市擴張使得區(qū)域不透水面積迅速增大，改變了城市水循環(huán)過程，導(dǎo)致極端降水事件增多、徑流系數(shù)和徑流量增加、城市暴雨洪澇風(fēng)險增大[9-10]；其次，由于城市人口增加導(dǎo)致需水增加，供需關(guān)系發(fā)生改變，從而影響城市供水安全等[11]；另外，城市生活污水和工業(yè)廢水增加，引起水質(zhì)惡化以及水生態(tài)系統(tǒng)退化[12]等環(huán)境問題。因此，城市水文學(xué)研究需求愈發(fā)迫切，加之全球氣候變化的影響，使得變化環(huán)境下的城市水文學(xué)研究成為當(dāng)今水科學(xué)研究的重點方向之一。國際水文科學(xué)協(xié)會(IAHS)主導(dǎo)的2013—2022科學(xué)計劃主題確定為“Panta Rhei”(變化環(huán)境下的水文科學(xué)研究計劃)[13]，其中城市水文學(xué)及社會水文學(xué)(Socio-Hydrology)研究成為水文-社會系統(tǒng)科學(xué)問題中的一個焦點[14-15]，為城市水文學(xué)的發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。

變化環(huán)境下水循環(huán)與水資源脆弱性成為水科學(xué)研究的熱點問題，其中城市發(fā)展與水安全成為關(guān)注的焦點[16-19]。在全球變化的大背景下，隨著中國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市洪澇災(zāi)害問題日趨嚴(yán)重，成為制約經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展的突出瓶頸[20]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，2008—2010年，全國有60%以上的城市發(fā)生過不同程度的洪澇，其中有近140個城市洪澇災(zāi)害超過3次以上。近幾年，每逢雨季，各地城市輪番上演“城市看?！钡木跋螅斐蓢?yán)重的洪澇災(zāi)害和人員傷亡及財產(chǎn)損失。2007年7月18日，山東濟南遭遇超強特大暴雨，造成34人死亡，33萬群眾受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失約13億元。2007年7月16日重慶發(fā)生100年一遇暴雨洪水，全市有22個區(qū)縣受災(zāi)，受災(zāi)272.35萬人、死亡10人、失蹤5人、傷病128人，緊急轉(zhuǎn)移安置11.31萬人。2010年5月7日，廣州發(fā)生暴雨洪澇，死亡6人，全市受災(zāi)人口3萬余人，中心城區(qū)118處地段出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇水浸，造成城區(qū)大范圍交通堵塞。2012年7月21日，北京市及其周邊地區(qū)遭遇61年來最強暴雨及洪澇災(zāi)害，造成79人死亡，160萬人受災(zāi)，經(jīng)濟損失116億元。2013年10月7日，寧波余姚市遭受了100年一遇的降雨，強降雨導(dǎo)致城區(qū)有70%以上地區(qū)受淹7 d以上，給人民的生活帶來巨大的損失和困難。2014年5月11日，深圳連續(xù)遭受暴雨襲擊，全市出現(xiàn)約300處道路積水。部分地區(qū)積水超過1 m，共約2 500輛汽車受淹。2015年6月17日上海暴雨，同濟大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等被淹，學(xué)生在校園內(nèi)抓魚戲水。2015年6月26日南京市暴雨，機場高速受淹封閉，南京多所大學(xué)被淹，被戲稱都改名為“河?！贝髮W(xué)。城市防洪排澇已成為中國防洪排澇體系的一個突出短板，嚴(yán)重影響了城市人民生命財產(chǎn)安全，對城市形象也造成了極為負(fù)面的影響。

本文將重點闡述全球氣候變化及城鎮(zhèn)化對城市降水和極端暴雨的影響機制，從流域產(chǎn)匯流角度分析城鎮(zhèn)化對洪水過程的影響，系統(tǒng)剖析中國城市洪澇頻發(fā)的主要原因，從而提出應(yīng)對洪澇的策略措施。

1　變化環(huán)境對城市暴雨特性的影響

根據(jù)觀測資料分析，在全球變暖和城鎮(zhèn)化發(fā)展的共同影響下，城市暴雨特性發(fā)生了明顯的變化。早在1968年，美國科學(xué)家Changnon建議發(fā)起并實施了大城市氣象觀測試驗計劃(METROMEX計劃)，試驗結(jié)果指出了城市對夏季中等以上強度的對流性降水的增雨效果顯著，并提出了城市增強降水機制的假說[2]。中國科學(xué)院大氣物理研究所的有關(guān)研究指出[21]：城市化導(dǎo)致降水在城市上風(fēng)向和下風(fēng)向都有所增加，增加30%左右。城市化對鋒面降水過程的影響最為明顯，使得鋒面系統(tǒng)提前達(dá)到城區(qū)并延緩了鋒面在城區(qū)的移動，最終導(dǎo)致城區(qū)及其邊緣地區(qū)的降水時間延長1 h。另外，隨著城市的擴張，總降水量超過250 mm以及強度超過40 mm/h的降水出現(xiàn)的頻率隨之增加，這也使得城市內(nèi)澇出現(xiàn)的風(fēng)險增加。水利部應(yīng)對氣候變化研究中心據(jù)1981—2010年與1961—1980年資料對比分析，在長三角地區(qū)，城區(qū)暴雨天數(shù)增幅明顯高于郊區(qū)：城區(qū)和郊區(qū)暴雨日數(shù)增幅，蘇州市為30.0%和18.0%，南京市為22.5%和11.0%；寧波市為32.0%和2.0%。

圖1　大氣溫度與持水能力關(guān)系曲線
Fig.1　Relation ship curve between the atmospheric temperature and water holding capacity

1.1　全球變暖對城市暴雨特性的影響

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第4次評估報告指出[22-24]，過去的130年(1880—2012年)全球升溫0.85 ℃，但最近的30年(1980—2012年)是北半球過去1 400年最熱的30年。中國的地表溫度升高高于全球的平均水平，根據(jù)最新百年器測氣溫序列分析，在過去的100多年(1909—2011年)，中國陸地區(qū)域平均增溫0.9～1.5 ℃，近15年來氣溫上升趨緩，但當(dāng)前仍處于100年來氣溫最高階段[25]。全球變暖一方面導(dǎo)致水文循環(huán)過程加快，海洋蒸發(fā)增加；另一方面由于大氣溫度上升，大氣的持水能力增強(在氣溫20～30 ℃，溫度每升高1 ℃，大氣含水量可提高約1%，見圖1)；大氣的持水能力增強，需要更多的水汽，大氣才能達(dá)到飽和，形成降水條件。由于空氣中水分較大，一旦發(fā)生降水，降雨強度就會比以往大。此外，潮濕和溫暖的大氣穩(wěn)定性較差，亦易形成暴雨過程。

在2015年3月發(fā)布的《中國極端天氣氣候事件和災(zāi)害風(fēng)險管理與適應(yīng)國家評估報告》[26]指出，中國極端天氣氣候事件種類多、頻次高、階段性和季節(jié)性明顯，區(qū)域差異大，影響范圍廣。近60年中國極端天氣氣候事件發(fā)生了顯著變化，高溫日數(shù)和暴雨日數(shù)增加，極端低溫頻次明顯下降，局部強降雨和城市洪澇增多，北方和西南干旱化趨勢加強，登陸臺風(fēng)強度增大，霾日數(shù)增加。中國群發(fā)性或區(qū)域性極端天氣氣候事件頻次增加，范圍有所增大。20世紀(jì)80年代以來，中國氣候災(zāi)害影響范圍逐漸擴大，影響程度日趨嚴(yán)重，直接經(jīng)濟損失不斷增加，但死亡人數(shù)持續(xù)下降。隨著氣候災(zāi)害影響范圍擴大和人口、經(jīng)濟總量增長，各類承災(zāi)體的暴露度不斷增大。根據(jù)中等排放(RCP4.5)和高排放(RCP8.5)情景[26]，采用多模式集合方法，預(yù)估21世紀(jì)中國的高溫和強降水事件繼續(xù)呈增多趨勢；預(yù)估到21世紀(jì)末中國高溫、洪澇災(zāi)害風(fēng)險加大，城市化和財富積聚對氣候災(zāi)害風(fēng)險有疊加和放大效應(yīng)。

1.2　城鎮(zhèn)化發(fā)展對城市暴雨特性的影響

城鎮(zhèn)化對城市暴雨特性的影響主要有3個方面：

(1)熱島效應(yīng)　在現(xiàn)代化的大城市中，除了數(shù)百萬人日常生活所發(fā)出的熱量，還有工業(yè)生產(chǎn)、交通工具散發(fā)的大量熱量。此外，城市的建筑群和柏油路面熱容量大，反射率小，能有效地儲存太陽輻射熱。據(jù)估算，城市白天吸收儲存的太陽能比鄉(xiāng)村多80%，晚上城市降溫緩慢[27]。因此，城鎮(zhèn)化的發(fā)展導(dǎo)致城市中的氣溫高于外圍郊區(qū)(可高2 ℃以上)，在溫度的空間分布上, 城市猶如一個溫暖的島嶼，即城市熱島效應(yīng)。城市大氣溫度高，增加了大氣的持水能力和大氣的不穩(wěn)定性，增加了城區(qū)降雨的機率和強度。

(2)凝結(jié)核增強作用　城市大氣污染物上升，空氣中污染物粒子濃度增加，污染物粒子產(chǎn)生凝結(jié)核增強效應(yīng)，起到了水汽凝結(jié)催化劑的作用，增加城區(qū)的降雨機率和強度。人工降雨技術(shù)就是在空中播撒碘化銀顆粒作為凝結(jié)核，促使水蒸氣凝結(jié)，從而使原本可能不被凝結(jié)成雨滴的水汽凝結(jié)形成降雨。

(3)微地形阻障效應(yīng)　暖濕空氣在運動過程中，遇到城市高樓大廈群，在爬升過程中，上升冷卻，增加降雨的可能性。

在上述3種效應(yīng)的影響下，出現(xiàn)市區(qū)降雨強度和頻率高于郊區(qū)的現(xiàn)象，即城市的雨島效應(yīng)。有關(guān)研究表明，城市的熱島效應(yīng)、凝結(jié)核效應(yīng)、高層建筑障礙效應(yīng)等的增強，使城市的年降水量增加5%以上，汛期雷暴雨的次數(shù)和暴雨量增加10%以上[27]。上海市徐家匯站，根據(jù)1916—2014年資料統(tǒng)計(有小時降水記錄以來)，小時降水極值變化總體趨向增大，特別是1949年以來，增大趨勢明顯((2.72 mm/h)/10 a)，尤以近期(1981—2014年)增大趨勢((6.60 mm/h)/10 a)最為顯著，見圖2。

圖2　上海徐家匯站近100年小時降水極值變化過程
Fig.2Change process of extreme precipitation in Xujiahui station in Shanghai during 1916—2014

根據(jù)上海1981—2014年34年小時強降水事件的變化趨勢分析，呈現(xiàn)出明顯的城市化效應(yīng)特征：市區(qū)浦東和徐家匯站及近郊增加趨勢明顯，線性趨勢為每10年增加0.5～0.7次。上海地區(qū)各站總的強降水事件頻數(shù)呈增加趨勢(圖3)，表明強降水事件更集中于城區(qū)與近郊。

圖3　　1981—2014年上海地區(qū)小時強降水事件頻數(shù)變化趨勢空間分布
Fig.3　Frequency variation spatial distribution of hourly precipitation events in Shanghai during 1981—2014

2　城鎮(zhèn)化發(fā)展對城市洪澇及其災(zāi)害的影響

城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，導(dǎo)致流域下墊面的劇烈變化，直接影響到流域的產(chǎn)匯流規(guī)律和對洪水的調(diào)節(jié)作用，同時隨著社會財富向城市的聚集，使得洪澇風(fēng)險的暴露度大幅度提高，城市的洪水災(zāi)害風(fēng)險顯著上升。

2.1　城鎮(zhèn)化對流域水文特性的影響

城市化使得大片耕地和天然植被為街道、工廠和住宅等建筑物所代替，下墊面的滯水性、滲透性、熱力狀況均發(fā)生明顯的變化[28]。集水區(qū)內(nèi)天然調(diào)蓄能力減弱，這些都促使市區(qū)及近郊的水文要素和水文過程發(fā)生相應(yīng)的變化。

城市化增加了地表暴雨洪水的徑流量。城市化的結(jié)果使地面變成了不透水表面，如路面、露天停車場及屋頂，而這些不透水表面阻止了雨水或融雪滲入地下，降水損失水量減少，徑流系數(shù)顯著提高[29-31]。由于下墊面硬化將明顯減少流域的蒸散發(fā)量，也增加流域的徑流量。徑流系數(shù)與不透水面積百分比關(guān)系如圖4所示，即不透水面積比與徑流深和徑流系數(shù)呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。許有鵬等[32]在南京秦淮河城市化對水文影響分析中指出，城鎮(zhèn)化率(不透水率)從4.2%(1988年)到7.5%(2001年)和13.2%(2006年)，流域的蒸散發(fā)量分別減少3.3%和7.2%，流域的多年平均徑流深和徑流系數(shù)分別增加5.6%和12.3%左右。

另一方面，城市化的地面硬化，由原來多樣化的土地利用(植被、林地、花草、農(nóng)田等)變?yōu)榛疑蚝谏牡缆泛蛷V場，流域地表的糙率降低。此外，城市化使得流域地表匯流呈現(xiàn)坡面和管道相結(jié)合的匯流特點，明顯降低了流域的阻尼作用，匯流速度將顯著加快，水流在地表的匯流歷時和滯后時間大大縮短，集流速度明顯增大，城市及其下游的洪水過程線變高、變尖、變瘦，洪峰出現(xiàn)時刻提前，城市地表徑流量大為增加，城市化對水文過程的影響比較見圖5[33]。美國丹佛市的觀測表明，2 h 43 mm的降雨，在草坪、沙土和黏土地帶，徑流系數(shù)(產(chǎn)流/降雨量)為0.1～0.25，鋪路地帶則為0.90[27]。

2.2　城鎮(zhèn)化對洪澇風(fēng)險的影響

城鎮(zhèn)化除了上述對暴雨及流域水文特性的影響之外，還有以下3方面的影響：

圖4　徑流系數(shù)與不透水面積百分比關(guān)系[27]
Fig.4　Relationship between runoff coefficient and impervious area percentages

圖5　城市化對水文過程的影響比較圖[33]
Fig.5Impacts of urbanization on hydrologic process

(1)城市擴張導(dǎo)致耕地、林地大量減少，濕地、水域衰減或破碎化，水量調(diào)蓄能力降低，洪水長驅(qū)直入，導(dǎo)致城區(qū)洪澇嚴(yán)重。以2013年浙江余姚洪澇為例，1985年縣改市之前，余姚縣周圍都是稻田，山上下來的洪水由水稻田天然攔蓄調(diào)節(jié)，現(xiàn)在水稻田變成了廣場和柏油道路，山上洪水直接沖擊市區(qū)，這是該市2013年70%的城區(qū)淹沒7 d以上的重要原因。

(2)城市建設(shè)破壞了改變城市排水方式和排水格局，增加了排水系統(tǒng)脆弱性。部分河道被人為填埋或暗溝化，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)及排水功能退化；道路及地下管道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，破壞了原來的排水系統(tǒng)，管道與河道排水之間的銜接和配套不合理，排水路徑變化，排水格局紊亂。排水系統(tǒng)不完善。

(3)城市微地形有利于洪澇的形成。城市建有大量的地下停車場、商場、立交橋等微地形有利于雨水積聚和洪澇的形成，也是城市洪澇最為嚴(yán)重的地點。

3　結(jié)　　語

由于特殊的地理和氣候條件，中國洪澇災(zāi)害問題十分嚴(yán)重。城市人口和資產(chǎn)集中，自然災(zāi)害的暴露度高，城市洪澇經(jīng)常造成嚴(yán)重人口傷亡和財產(chǎn)損失，城市洪澇防治一直是防洪減災(zāi)的重點工作。

全球變化導(dǎo)致極端氣候事件增加以及城鎮(zhèn)化快速發(fā)展產(chǎn)生的熱島效應(yīng)、凝聚核作用和阻礙作用，使得城市暴雨呈現(xiàn)增多趨強的態(tài)勢。城市化和人類活動引起的下墊面變化，影響到流域的產(chǎn)流匯流機制，流域的徑流系數(shù)增加，匯流速度加快，加上城市的無序開發(fā)，破壞了城市的排水和除澇系統(tǒng)，多種因素綜合作用的結(jié)果，導(dǎo)致城市洪澇問題越來越突出。

城鎮(zhèn)化洪澇防治的總體應(yīng)對策略包括：① 加強城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在低影響開發(fā)思路的指導(dǎo)下，建設(shè)海綿型城市，增強措施減災(zāi)防災(zāi)的能力，保護城市生態(tài)環(huán)境；② 建立城市洪澇信息立體監(jiān)測，實時監(jiān)控、快速預(yù)報預(yù)警的信息系統(tǒng)工程，科學(xué)調(diào)度決策，盡可能降低洪澇災(zāi)害及其產(chǎn)生的影響；③ 健全和完善城市洪澇應(yīng)急預(yù)案，加強城市洪澇應(yīng)急管理，提升城市管理抗災(zāi)減災(zāi)能力。

致謝：上海市氣候中心梁萍提供圖2和圖3數(shù)據(jù)資料。

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*The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.41330854).

Discussion on the urban flood and waterlogging and causes analysis in China

ZHANG Jianyun1,2， WANG Yintang1， HE Ruimin1,2， HU Qingfang1， SONG Xiaomeng2,3

(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029, China; 2. Research Center for Climate Change of MWR, Nanjing 210029, China;3. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract：With the development of economy and society, China has stepped into the rapid urbanization process with the population urbanization rate rising from 36.22% in 2000 to 54.77% in 2014. Under the background of global climate change and rapid urbanization, urban flood and waterlogging hazards become more frequent in this country. In this paper, the mechanism of how global climate change and urbanization affect urban precipitation including extreme rainfall was preliminarily analyzed and the effect of urbanization on flood process was also explained from the aspect of surface runoff yield and flow concentration process. Then, the causes of frequent urban floods in China were analyzed systematically. Moreover, main tactics of urban flood and waterlogging prevention and alleviation were stated. Firstly, the urban infrastructure should be strengthened guided by the idea of low impact develop (LID). Thus, sponge cities with good defense ability for rainstorm could be constructed. Secondly, the urban flood management systems with 3-dimension urban flood monitoring, dynamic forecasting and warning and real time operation should be established to raise the scientifically decision-making for flood disasters reduction. Thirdly, to intensify the disaster relief and recovery for urban flood, the emergence plans should be drawn and improved.

Key words：urbanization; urban flood and waterlogging; global change; runoff yield and flow concentration

DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.001

收稿日期：2016-01-27;網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-07-18

基金項目：中國工程院重大咨詢研究項目(2015-ZD-07)；國家自然科學(xué)基金資助項目(41330854)

作者簡介：張建云(1957—)，江蘇沛縣人，中國工程院院士，主要從事水文水資源、防洪減災(zāi)和氣候變化影響研究。

E-mail：jyzhang@nhri.cn

中圖分類號：TV124；TU992

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-6791(2016)04-0485-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20160718.2044.004.html