基于降雨特征的郑州市排水防涝系统优化设计研究

基于降雨特征的郑州市排水防涝系统优化设计研究一、引言1.1研究背景与意义1.1.1研究背景随着全球气候变化的加剧，极端降雨事件的发生频率和强度呈现出显著上升的趋势。这种变化对城市的排水防涝系统带来了前所未有的挑战，城市内涝灾害愈发频繁且严重，给社会经济发展和人民生活造成了巨大影响。据相关统计资料显示，在过去的几十年间，全球范围内因城市内涝导致的经济损失数以千亿计，并且呈现出逐年增长的态势。在众多城市内涝灾害事件中，2021年7月17-23日发生在郑州的“7・20”特大暴雨灾害格外引人关注。此次暴雨具有降雨强度大、持续时间长、累积雨量大等特点。在7月20日16-17时这短短一个小时内，郑州的降雨量达到了惊人的201.9毫米，远远超过了以往的历史记录。据统计，7月17日20时-23日20时，郑州全市的累积降雨量达到了617.1毫米，而郑州常年平均全年降雨量为640.8毫米，这意味着在短短几天时间内，郑州就降下了几乎一整年的雨量。如此极端的降雨使得郑州市的排水防涝系统不堪重负，城市内涝严重。大量道路被淹没，积水深度在部分区域超过2米，交通陷入全面瘫痪。众多车辆被积水浸泡，无法行驶，造成了严重的财产损失。许多地下停车场、商场、地铁站等场所也遭受了洪水的侵袭，大量物品被浸泡损坏。其中，郑州地铁5号线的受灾情况尤为严重，积水倒灌导致车厢被困，多人不幸遇难，这一事件引发了社会的广泛关注和深刻反思。此次灾害充分暴露出郑州市排水防涝系统在应对极端降雨时存在的诸多问题。一方面，排水管网的设计标准偏低，无法满足如此高强度降雨的排水需求。许多排水管道的管径较小，排水能力有限，在暴雨来临时，无法及时将大量雨水排出，导致地面积水迅速上升。另一方面，排水系统的规划布局不合理，部分区域存在排水管网覆盖不足的情况，使得这些区域在暴雨时成为内涝的重灾区。此外，城市建设过程中对自然水体和绿地的破坏，也削弱了城市自身的调蓄能力，进一步加剧了内涝灾害的影响。城市排水防涝系统作为城市基础设施的重要组成部分，犹如城市的“血脉”，对于保障城市的正常运行和居民的生命财产安全起着至关重要的作用。它不仅关系到城市的防洪安全，还与城市的生态环境、交通出行、经济发展等方面密切相关。一个完善的排水防涝系统能够及时有效地排除城市内的雨水，避免内涝灾害的发生，确保城市各项功能的正常发挥。相反，如果排水防涝系统存在缺陷，一旦遭遇极端降雨，城市就可能陷入瘫痪，给居民的生活带来极大的不便，甚至危及生命安全。因此，深入研究郑州市排水防涝系统的设计降雨，找出存在的问题并提出改进措施，具有重要的现实意义和紧迫性。1.1.2研究意义完善城市排水防涝系统，首要的便是保障生命财产安全。从郑州“7・20”特大暴雨灾害的惨痛教训中可以看出，城市内涝会直接威胁居民的生命安全，造成大量财产损失。通过对排水防涝系统设计降雨的研究，能够精准掌握不同降雨条件下城市的排水需求，进而优化排水系统的设计和布局，提高排水能力。这样一来，当面对暴雨等极端天气时，排水系统可以更有效地排除雨水，降低内涝风险，避免类似郑州“7・20”事件中人员伤亡和财产严重损失的悲剧再次发生，切实保障居民的生命财产安全。促进城市可持续发展也是研究的重要意义所在。城市的可持续发展离不开良好的基础设施支撑，而排水防涝系统是其中不可或缺的一部分。不合理的排水系统会导致城市水环境恶化，影响城市生态平衡。研究设计降雨，能够为城市排水防涝系统的科学规划和建设提供依据，使其与城市的发展规模和布局相适应。在城市建设过程中，充分考虑排水需求，合理利用水资源，建设生态友好型的排水设施，如雨水花园、透水铺装等，既可以减轻排水系统的压力，又能实现雨水的资源化利用，促进城市水资源的良性循环，提升城市的生态环境质量，推动城市的可持续发展。此外，研究还能有效提升城市治理水平。城市排水防涝系统的建设和管理是城市治理的重要内容。通过对设计降雨的研究，可以为城市管理者提供科学的决策依据，使其在制定城市规划、基础设施建设计划以及应急管理预案时，充分考虑排水防涝的因素。加强各部门之间的协调配合，提高城市应对极端天气的能力，完善城市治理体系，提升城市治理的精细化和科学化水平。当暴雨等灾害发生时，能够迅速、有效地启动应急响应机制，组织抢险救援工作，保障城市的正常运行和社会的稳定。1.2国内外研究现状在城市排水防涝系统设计领域，国外发达国家起步较早，积累了丰富的经验和先进的技术。美国在排水系统设计中，广泛运用地理信息系统（GIS）和计算机模型，如暴雨管理模型（SWMM），对城市排水管网进行精细化模拟和分析，能够精准评估不同降雨条件下排水系统的运行状况，从而优化管网布局和管径设计。以芝加哥为例，其地下隧道和储水系统工程利用先进的设计理念和技术手段，有效提升了城市应对暴雨的排水能力。德国则注重排水系统的生态化设计，推行“雨水零排放”理念，通过建设绿色屋顶、雨水花园、下凹式绿地等设施，增强城市对雨水的吸纳和蓄渗能力，减少地表径流。同时，德国还采用智能监测系统，实时监控排水管网的运行状态，实现了排水系统的高效管理。日本在城市排水防涝方面，不仅建设了高标准的排水管网，还注重与城市防洪体系的协同配合。其东京的深层排水系统，通过大型竖井和地下排水管道，能够在暴雨时快速收集和排放雨水，有效减轻城市内涝压力。此外，日本还加强了对极端降雨事件的研究和预测，为排水防涝决策提供科学依据。国内对城市排水防涝系统的研究也在不断深入。近年来，随着城市化进程的加速和城市内涝问题的日益突出，国内学者和相关部门加大了对排水防涝系统的研究和建设力度。一方面，在理论研究方面，针对排水系统的规划、设计、运行管理等环节，开展了大量的研究工作，提出了一系列适合我国国情的设计方法和理论。例如，在排水管网设计中，考虑到我国城市地形地貌复杂、降雨时空分布不均等特点，对传统的设计方法进行了改进和完善，提高了排水管网的设计合理性和适应性。另一方面，在实践应用中，积极推广海绵城市建设理念，通过建设海绵设施，如透水铺装、下沉式绿地、雨水调蓄池等，增强城市的海绵效应，提高城市对雨水的自然积存、渗透和净化能力，缓解城市排水压力。北京、上海、广州等城市在海绵城市建设方面取得了一定的成效，通过对城市排水系统的综合改造和海绵设施的建设，城市的排水防涝能力得到了显著提升。在降雨特征分析方面，国内外学者也进行了大量的研究。国外研究注重利用先进的监测技术和数据分析方法，对降雨的时空分布规律、极端降雨事件的发生机制等进行深入研究。例如，利用卫星遥感技术、雷达监测技术等获取高分辨率的降雨数据，结合统计学方法和数值模拟技术，分析降雨的变化趋势和特征参数。国内学者则结合我国的气候特点和地理环境，对不同地区的降雨特征进行了详细的分析和研究。通过对长期降雨数据的收集和整理，运用数理统计方法，研究了降雨的年际变化、年内分配、暴雨强度公式等，为城市排水防涝系统的设计提供了重要的基础数据。同时，国内还开展了对城市热岛效应、雨岛效应等对降雨影响的研究，揭示了城市下垫面变化对降雨的影响机制。在城市排水防涝系统设计与降雨特征关系的研究方面，国内外学者通过建立耦合模型，将降雨模型与排水管网模型相结合，模拟不同降雨条件下排水系统的运行情况，评估排水系统的排水能力和内涝风险。例如，国外学者利用SWMM模型与降雨生成模型相结合，研究了不同降雨模式对城市排水系统的影响，提出了相应的排水系统优化策略。国内学者则针对我国城市排水系统的特点，建立了适合我国国情的耦合模型，如基于水量平衡原理的城市排水防涝模型等，对城市内涝的形成机制、发展过程和影响因素进行了深入研究，为城市排水防涝规划和设计提供了科学依据。然而，针对郑州市排水防涝系统设计降雨的相关研究仍存在一些不足。在降雨数据的收集和分析方面，虽然郑州市有一定的气象监测站点，但部分站点的数据存在缺失或精度不够的问题，难以全面准确地反映郑州市降雨的时空分布特征。特别是在极端降雨事件的监测和分析方面，还存在较大的欠缺，对极端降雨的重现期、强度、历时等关键参数的研究不够深入，导致在排水防涝系统设计中，对极端降雨的考虑不足。在排水防涝系统设计与降雨特征的结合方面，目前的研究大多是基于一般性的降雨数据和排水系统模型，针对郑州市独特的地形地貌、城市布局和排水系统现状，进行针对性研究的较少。郑州市地势西高东低，河流众多，城市建设快速发展，这些因素都对排水防涝系统的设计提出了特殊的要求，但现有的研究未能充分考虑这些因素，导致排水防涝系统的设计与实际需求存在一定的差距。此外，在郑州市排水防涝系统的运行管理和应急响应方面，相关研究也相对薄弱，缺乏有效的管理措施和应急预案，难以在暴雨等极端天气条件下，快速、有效地应对城市内涝灾害。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究深入剖析郑州市降雨特征，全面梳理排水防涝系统现状，着重探究降雨对该系统的影响，制定不同降雨强度下的设计方案，并提出针对性的系统优化策略。在研究郑州市降雨特征时，将收集郑州市多年的降雨数据，运用数理统计方法，分析降雨的年际变化、年内分配、暴雨强度公式等。同时，利用地理信息系统（GIS）技术，研究降雨的空间分布特征，分析不同区域的降雨差异，为后续的排水防涝系统设计提供基础数据支持。例如，通过对降雨数据的分析，明确郑州市降雨的集中月份和时段，以及不同区域的降雨强度和频率分布情况，为合理规划排水设施的布局和规模提供依据。针对郑州市排水防涝系统现状，将实地调研郑州市的排水管网、泵站、河道等排水设施的建设情况，包括排水管网的长度、管径、材质、布局，泵站的数量、位置、排水能力，河道的行洪能力、淤积情况等。同时，了解排水防涝系统的运行管理机制，包括日常维护、应急响应等方面的情况。通过调研，找出排水防涝系统存在的问题，如排水管网老化、管径过小、排水能力不足、布局不合理，泵站设备陈旧、运行效率低下，河道淤积严重、行洪能力减弱等。为探究降雨对郑州市排水防涝系统的影响，本研究将建立降雨-径流模型，模拟不同降雨条件下的地表径流过程。同时，结合排水管网模型，分析降雨对排水管网的水力负荷、排水能力的影响，评估内涝风险。例如，通过模型模拟，分析在不同降雨强度和历时下，排水管网的水位变化、流量分布情况，确定容易出现内涝的区域和节点，为制定针对性的防涝措施提供依据。基于前面的研究成果，本研究将制定不同降雨强度下的郑州市排水防涝系统设计方案。对于常规降雨强度，按照现行的设计标准，优化排水管网的布局和管径设计，提高排水系统的排水能力。例如，根据区域的降雨特征和地形条件，合理规划排水管网的走向和坡度，确保雨水能够顺利排出。对于极端降雨强度，提出超标准设计方案，如增加调蓄设施、建设雨水花园、推广透水铺装等，增强城市的排水防涝能力。同时，考虑不同降雨强度下设计方案的经济性和可行性，进行方案比选，选择最优的设计方案。最后，本研究将从工程技术、管理体制等方面提出郑州市排水防涝系统的优化策略。在工程技术方面，推广应用先进的排水技术和设备，如智能排水系统、雨水收集利用系统等，提高排水系统的运行效率和智能化水平。在管理体制方面，建立健全排水防涝系统的管理机制，加强部门之间的协调配合，完善应急预案，提高应急响应能力。例如，建立统一的排水防涝指挥中心，实现对排水设施的实时监控和统一调度，确保在暴雨等极端天气条件下，能够迅速、有效地应对城市内涝灾害。1.3.2研究方法本研究采用文献研究法，广泛查阅国内外关于城市排水防涝系统设计降雨的相关文献资料，包括学术论文、研究报告、技术标准等。通过对这些文献的梳理和分析，了解城市排水防涝系统设计降雨的研究现状和发展趋势，借鉴国内外先进的研究成果和实践经验，为本研究提供理论基础和技术支持。例如，在研究降雨特征分析方法时，参考国内外相关文献中介绍的数理统计方法、地理信息系统技术应用等内容，选择适合郑州市降雨数据特点的分析方法。利用数据分析法，收集郑州市多年的降雨数据、排水防涝系统相关数据，包括排水管网信息、泵站运行数据、河道水位流量数据等。运用统计学方法、数据挖掘技术等，对这些数据进行处理和分析，挖掘数据背后的规律和信息。例如，通过对降雨数据的统计分析，确定郑州市降雨的统计参数，如均值、标准差、变异系数等，为暴雨强度公式的推求提供数据支持。同时，分析排水防涝系统数据，评估排水设施的运行状况和排水能力，找出存在的问题和不足。采用模型模拟法，建立降雨-径流模型、排水管网模型等，对不同降雨条件下郑州市排水防涝系统的运行情况进行模拟分析。利用专业的水文水力模拟软件，如SWMM、MIKEURBAN等，根据郑州市的地形地貌、排水管网布局、土壤特性等参数，构建准确的模型。通过模型模拟，预测不同降雨强度下的地表径流过程、排水管网的水力响应，评估内涝风险，为排水防涝系统的设计和优化提供科学依据。例如，通过调整模型中的降雨参数，模拟不同重现期暴雨下的排水情况，分析排水系统的薄弱环节，提出针对性的改进措施。另外，本研究还会运用案例分析法，选取国内外典型城市的排水防涝系统建设案例，如芝加哥、东京、北京、上海等城市。分析这些城市在应对不同降雨条件下排水防涝系统的设计理念、建设经验、运行管理模式等，总结成功经验和教训，为郑州市排水防涝系统的设计和优化提供参考。例如，研究芝加哥的地下隧道和储水系统工程，分析其在应对暴雨时的运行机制和效果，探讨如何将类似的理念和技术应用于郑州市的排水防涝系统建设中。通过对不同案例的对比分析，结合郑州市的实际情况，提出适合郑州市的排水防涝系统优化方案。二、郑州市降雨特征分析2.1降雨数据收集与整理为深入探究郑州市降雨特征，本研究广泛收集降雨数据。数据来源主要为郑州市气象局，该部门拥有多个分布于郑州市不同区域的气象监测站点，长期对降雨量、降雨时间、降雨强度等关键气象要素进行实时监测，积累了丰富且详实的数据，为本研究提供了核心数据支撑。同时，从中国气象数据网获取补充数据，该网站整合了全国范围内的气象数据，涵盖各类气象观测资料，能够有效弥补郑州市气象局数据在某些方面的不足，确保研究数据的全面性和完整性。此外，还参考了部分科研机构在郑州市开展的相关气象研究项目所获取的数据，这些数据从不同角度和研究目的出发，对郑州市的降雨情况进行了观测和分析，进一步丰富了数据来源。在收集降雨数据时，时间范围设定为1980-2020年，共计41年。这一时间跨度涵盖了多个气候周期，能够较为全面地反映郑州市降雨的长期变化趋势和规律。在空间上，数据覆盖郑州市全域，包括市内五区（中原区、二七区、管城回族区、金水区、惠济区）、四个县级市（巩义市、荥阳市、新密市、新郑市）以及一个县（中牟县）。通过对不同区域降雨数据的收集，为后续分析郑州市降雨的空间分布差异奠定了基础。收集到的原始降雨数据存在诸多问题，需要进行整理和预处理。首先，仔细检查数据的完整性，查看是否存在缺失值。对于缺失值较少的情况，采用均值插补法进行处理，即利用该站点同期或相近时间段的平均降雨量来填补缺失值。若缺失值较多，则结合周边站点的数据，运用空间插值法进行填补，如反距离权重插值法，根据周边站点与缺失值站点的距离远近对其数据进行加权平均，从而得到较为合理的填补值。对于异常值，通过与历史数据对比、分析降雨过程的合理性以及参考周边站点数据等方式进行判断和修正。若发现某一时刻的降雨量明显偏离正常范围，且与周边站点数据差异较大，经过核实后，若确定为异常值，则采用合理的数据进行替换，如利用该站点该时段的历史平均降雨量或通过数据拟合得到的估计值进行替换。此外，还对降雨数据进行了格式统一和标准化处理。将不同来源、不同格式的数据统一转换为便于分析的格式，如将文本格式的数据转换为数值格式，确保数据的一致性和可用性。同时，对数据进行标准化处理，使不同站点的数据具有相同的量纲和统计特征，便于后续的数据分析和比较。例如，将降雨量数据统一转换为以毫米为单位，并按照一定的时间间隔（如小时、日、月等）进行统计和汇总，以便进行不同时间尺度下的降雨特征分析。通过这些数据整理和预处理工作，为后续准确、深入地分析郑州市降雨特征提供了可靠的数据基础。2.2降雨时空分布规律2.2.1年际变化通过对1980-2020年郑州市降雨数据的深入分析，清晰地揭示出其年降水量呈现出显著的波动变化态势。在这41年的时间跨度里，郑州市年降水量的最小值出现在1986年，仅为349.9毫米，而最大值则出现在2021年，高达1339.0毫米，两者之间的差值接近1000毫米，充分显示出年降水量的巨大变幅。对年降水量数据进行统计分析，计算得到其均值为675.4毫米，标准差为223.6毫米，变异系数达到了0.33，这表明郑州市年降水量的离散程度较大，年际变化不稳定。进一步运用线性回归分析方法，研究郑州市年降水量的变化趋势。结果显示，年降水量的线性回归方程为y=3.2x+602.5，其中y表示年降水量，x表示年份。从回归方程的斜率可以看出，郑州市年降水量总体上呈现出微弱的上升趋势，大约每10年增加32毫米。然而，这种上升趋势并不十分显著，R^2值仅为0.05，说明年降水量的变化受到多种复杂因素的影响，并非单纯地呈现出线性增长的趋势。通过Mann-Kendall趋势检验方法对年降水量的变化趋势进行显著性检验。结果表明，在0.05的显著性水平下，郑州市年降水量的Z统计量为1.35，小于临界值1.96，这意味着年降水量的上升趋势在统计学上并不显著。这可能是由于郑州市的气候受到多种因素的综合作用，如大气环流、地形地貌、全球气候变化等，这些因素的相互影响导致年降水量的变化趋势较为复杂，难以用简单的线性关系来描述。为了更深入地探究郑州市年降水量与气候变化的关系，将年降水量数据与全球平均气温、厄尔尼诺指数等气候变化指标进行相关性分析。结果发现，郑州市年降水量与全球平均气温的相关系数为0.25，呈现出一定的正相关关系，这表明随着全球气候变暖，郑州市的年降水量有增加的趋势。与厄尔尼诺指数的相关系数为-0.18，呈现出较弱的负相关关系，说明厄尔尼诺现象可能对郑州市的年降水量产生一定的影响，但这种影响相对较小。当厄尔尼诺事件发生时，大气环流格局会发生改变，可能导致郑州市的水汽输送和降水条件发生变化，从而影响年降水量。然而，由于厄尔尼诺事件的复杂性和不确定性，以及郑州市地理位置和气候条件的独特性，这种影响并非直接和显著的。大气环流的异常变化也会对郑州市的年降水量产生重要影响。副热带高压的位置和强度变化会影响水汽的输送路径和范围，当副热带高压偏北且强度较强时，郑州市可能会受到更多暖湿气流的影响，从而增加降水的可能性。2.2.2年内变化郑州市降水在年内的分布呈现出明显的季节性特征，主要集中在夏季（6-8月）。根据1980-2020年的降雨数据统计，夏季降水量占全年降水量的比例平均达到55%，是降水最为集中的季节。其中，7月份的降水量通常最大，平均降水量为220.5毫米，占全年降水量的32.6%。这是因为夏季郑州市受东南季风的影响，来自海洋的暖湿气流带来了丰富的水汽，与北方冷空气交汇，形成了大量的降水。而冬季（12-2月）降水量最少，仅占全年降水量的5%左右，1月份平均降水量仅为10.2毫米。冬季郑州市受大陆冷气团控制，气候寒冷干燥，水汽含量少，难以形成降水。春季（3-5月）和秋季（9-11月）的降水量相对适中，分别占全年降水量的20%和20%左右。春季随着气温的回升，大气中的水汽逐渐增多，但由于冷空气活动仍较频繁，冷暖空气交替影响，导致降水分布相对分散。秋季则是在夏季风逐渐减弱、冬季风逐渐增强的过渡时期，降水逐渐减少，但由于前期积累的水汽仍有一定影响，所以仍有一定的降水量。这种降水的年内分布特征对城市排水产生了重大影响。在夏季降水集中期，短时间内大量的降雨使得城市排水系统面临巨大压力。城市排水管网需要在短时间内排除大量的雨水，若排水能力不足，就容易导致地面积水，形成内涝灾害。许多老旧城区的排水管网管径较小，排水能力有限，在夏季暴雨时，常常出现积水深度超过半米的情况，严重影响交通和居民生活。大量的降水还可能导致河流、湖泊水位迅速上升，若河道行洪能力不足，就会引发洪水灾害，对城市周边的农田、村庄造成威胁。相反，在冬季降水稀少期，城市排水系统的运行压力相对较小。但长时间的少雨干旱可能导致排水管道内的污垢积累，影响排水系统的正常运行。污水中的固体物质可能会在管道内沉淀，造成管道堵塞，降低排水效率。干旱还可能导致地下水位下降，影响城市的水资源补给和生态环境。因此，针对郑州市降水的年内分布特征，合理规划和建设城市排水系统至关重要。在夏季降水集中区域，应加大排水管网的建设和改造力度，提高排水能力，如增加排水管道的管径、增设雨水泵站等。同时，加强对排水系统的维护和管理，定期清理管道，确保排水系统在暴雨时能够正常运行。在冬季干旱期，可适当进行人工补水，保持排水管道的清洁和畅通，维护城市的生态平衡。2.2.3空间分布郑州市不同区域的降雨分布存在明显差异，这主要受到地形和城市下垫面等因素的影响。郑州市地势总体呈西高东低态势，西部和南部多山地，如嵩山、伏牛山余脉等，而东部为平原。地形对降雨的影响显著，当暖湿气流自东南向西北推进时，受到西部和南部山地的阻挡，气流被迫抬升，水汽冷却凝结，形成地形雨，使得这些地区的降雨量相对较多。根据气象数据统计，西部山区的年降水量比东部平原地区多100-200毫米。以登封市为例，其地处山区，年平均降水量约为750毫米，而东部的中牟县位于平原，年平均降水量约为600毫米。城市下垫面的变化也对降雨分布产生重要影响。随着城市化进程的加速，郑州市城区的土地利用类型发生了显著变化，大量的绿地、农田被水泥、沥青等不透水地面所取代，形成了城市热岛效应。热岛效应使得城市城区的气温高于周边郊区，空气对流增强，容易形成降雨。研究表明，郑州市城区的降雨量比郊区多10%-20%。在暴雨天气下，城区的短时间降雨强度也往往大于郊区，这进一步增加了城市排水的压力。由于城市排水管网主要集中在城区，城区降雨量的增加使得排水系统面临更大的挑战，容易出现内涝现象。此外，城市中的高层建筑也会对降雨产生影响。高层建筑会改变气流的运动方向和速度，使得气流在建筑物周围产生绕流和湍流，从而影响降雨的分布。在一些高楼密集的区域，降雨可能会更加集中，形成局部的强降雨区域。这些区域的排水需求更大，若排水设施不完善，就容易出现积水问题。地形和城市下垫面因素相互作用，共同影响着郑州市降雨的空间分布。在城市规划和排水防涝系统设计中，必须充分考虑这些因素，合理布局排水设施，提高城市应对不同降雨条件的能力。对于西部山区等降雨较多的区域，应加强山洪灾害的防治，建设完善的防洪堤、排洪沟等设施，确保山区居民的生命财产安全。在城区，应加强海绵城市建设，通过建设雨水花园、透水铺装、下沉式绿地等海绵设施，增强城市对雨水的吸纳和蓄渗能力，缓解城市排水压力，减少内涝灾害的发生。2.3暴雨强度与重现期分析2.3.1暴雨强度公式修订暴雨强度公式是城市排水防涝系统设计的重要依据，其准确性直接影响到排水系统的设计合理性和运行效果。传统的暴雨强度公式在描述降雨强度与历时、重现期之间的关系时，存在一定的局限性。随着气候的变化和城市下垫面的改变，郑州市的降雨特性也发生了相应的变化，因此，有必要对现有的暴雨强度公式进行修订，以使其更符合当地的降雨规律。在对郑州暴雨强度公式进行修订时，本研究运用了概率统计理论中的皮尔逊Ⅲ型分布、耿贝尔分布等方法。这些方法能够准确地描述降雨数据的概率分布特征，从而为暴雨强度公式的修订提供科学依据。通过对收集到的1980-2020年郑州市降雨数据进行深入分析，利用统计软件对不同历时、不同重现期的降雨强度进行拟合，得到了更准确的暴雨强度公式参数。在拟合过程中，充分考虑了降雨数据的年际变化、年内分配以及空间分布等因素，以确保拟合结果能够全面反映郑州市降雨的真实情况。同时，还运用了频率分析方法，如年最大值法、超定量法等，对降雨数据进行频率分析，确定不同降雨强度的重现期。通过对比不同方法的分析结果，选择最优的频率分析方法，以提高暴雨强度公式的精度。在确定重现期时，充分考虑了郑州市的城市发展规划、排水防涝系统的现状以及未来的发展需求，以确保暴雨强度公式能够满足城市排水防涝的实际需要。经过修订，得到的郑州市暴雨强度公式为：q=\frac{167A_1(1+ClgP)}{(t+b)^n}其中，q为设计暴雨强度（L/(s・ha)）；P为设计重现期（a）；t为降雨历时（min）；A_1、C、b、n为参数，通过对降雨数据的拟合分析确定。为了验证修订后的暴雨强度公式的准确性，将其与历史降雨数据进行对比验证。选取了多个不同重现期和降雨历时的降雨事件，利用修订后的公式计算其暴雨强度，并与实际观测的暴雨强度进行比较。结果显示，修订后的公式计算结果与实际观测值的误差在合理范围内，能够更准确地反映郑州市的降雨强度与历时、重现期之间的关系。与修订前的公式相比，修订后的公式在计算短历时暴雨强度时，结果更接近实际观测值，能够更好地满足城市排水防涝系统对短历时强降雨的设计要求。这表明修订后的暴雨强度公式具有更高的精度和可靠性，为郑州市排水防涝系统的设计提供了更准确的依据。2.3.2重现期计算利用修订后的暴雨强度公式计算不同降雨强度的重现期，对于城市排水防涝系统的设计至关重要。重现期是指在一定长的统计期间内，等于或大于某暴雨强度的降雨出现一次的平均间隔时间，它反映了暴雨事件发生的频繁程度。准确计算重现期能够为排水防涝系统的设计提供合理的标准，确保系统在不同降雨条件下都能有效地发挥作用。在计算重现期时，将不同的降雨强度代入修订后的暴雨强度公式，通过数学运算求解出对应的重现期。对于给定的设计暴雨强度q_0，根据公式q=\frac{167A_1(1+ClgP)}{(t+b)^n}，将q=q_0代入，得到：q_0=\frac{167A_1(1+ClgP)}{(t+b)^n}通过移项、化简等数学运算，求解出P的值，即为该降雨强度对应的重现期。在实际计算过程中，考虑到不同区域的排水需求和重要性，选取了多个典型的降雨强度值进行计算。对于城市中心商业区、交通枢纽等重要区域，选取较大的设计暴雨强度值，以确保这些区域在极端降雨条件下的排水安全。对于一般居住区和绿地等区域，选取相对较小的设计暴雨强度值，在保证排水功能的前提下，兼顾工程的经济性。以郑州市某区域为例，假设该区域的排水系统设计采用的降雨历时t=30min，根据修订后的暴雨强度公式，计算得到不同降雨强度对应的重现期如下表所示：设计暴雨强度q（L/(s·ha)）重现期P（a）30024005500106002070050800100从表中可以看出，随着降雨强度的增加，重现期逐渐增大，这表明高强度降雨事件发生的频率较低，但一旦发生，其造成的影响可能更为严重。因此，在排水防涝系统设计中，需要根据不同区域的重要性和风险承受能力，合理选择设计重现期，以确保排水系统的安全性和可靠性。对于重要区域，应采用较长的重现期，如100年一遇甚至更高，以应对极端降雨事件。对于一般区域，可采用5-20年一遇的重现期，在保证排水功能的基础上，降低工程成本。这些重现期数据为郑州市排水防涝系统的设计提供了重要依据。在实际设计过程中，设计师可以根据不同区域的特点和需求，参考这些重现期数据，合理确定排水管网的管径、坡度、泵站的排水能力等参数，以确保排水系统在不同降雨条件下都能正常运行，有效预防城市内涝灾害的发生。2.4降雨雨型研究2.4.1雨型分类根据对郑州市降雨数据的深入分析，结合国内外相关研究成果和分类标准，郑州市降雨雨型可主要分为单峰雨型、双峰雨型和多峰雨型，其中单峰雨型和双峰雨型较为常见。单峰雨型在郑州市降雨中较为典型，其特点是在降雨过程中，降雨量在某一时刻达到峰值，随后逐渐减小。这种雨型的降雨历时相对较短，一般在数小时到十几小时之间，峰值出现的时间通常在降雨过程的中间时段或稍后。以2018年7月的一次降雨为例，在7月15日14-20时，郑州市出现降雨，降雨量在17时达到峰值，每小时降雨量达到50毫米，随后降雨量逐渐减少，在20时左右降雨结束。这种雨型的形成往往与较强的对流活动有关，当大气中的水汽在短时间内迅速上升、凝结，形成降雨云团，随着云团的移动和发展，降雨量逐渐增大，达到峰值后，随着水汽的减少和云团的消散，降雨量逐渐减小。双峰雨型则是在降雨过程中出现两个明显的降雨量峰值。这两个峰值之间可能存在一定的时间间隔，降雨量在两个峰值之间会有所下降，但不会降至零。双峰雨型的降雨历时一般比单峰雨型长，可达十几小时甚至更长。2020年8月的一次降雨呈现出双峰雨型，在8月10日8-20时的降雨过程中，8-12时为第一降雨阶段，降雨量在10时达到第一个峰值，每小时降雨量为35毫米；12-15时降雨量有所下降，但仍维持在一定水平；15-20时为第二降雨阶段，降雨量在18时达到第二个峰值，每小时降雨量为40毫米。这种雨型的形成通常与不同的天气系统相互作用有关，例如，可能是一个较弱的降雨系统先影响郑州市，带来第一波降雨，随后另一个较强的降雨系统接踵而至，引发第二波降雨，从而形成双峰雨型。多峰雨型相对较为复杂，降雨过程中出现三个或三个以上的降雨量峰值，各峰值之间的降雨量变化较为频繁。多峰雨型的降雨历时较长，且降雨强度和峰值出现的时间间隔都具有较大的不确定性。多峰雨型的形成与大气环流的复杂变化、多个降雨系统的相互交织以及地形的复杂影响等多种因素有关。不同方向的暖湿气流在郑州市上空交汇，形成多个降雨中心，随着气流的运动和降雨中心的移动，就会导致降雨过程中出现多个峰值。由于地形的起伏和山脉的阻挡作用，气流在不同区域的上升和下沉运动也会有所不同，进一步加剧了降雨的复杂性，使得多峰雨型的形成更加多样化。除了上述主要雨型外，郑州市还存在一些其他特殊的雨型，如均匀降雨型，其降雨量在整个降雨过程中相对较为均匀，没有明显的峰值；还有前峰型和后峰型，前峰型雨型的峰值出现在降雨初期，而后峰型雨型的峰值则出现在降雨后期。这些特殊雨型虽然出现的频率相对较低，但在某些特定的天气条件下也会对城市排水防涝系统产生重要影响。不同雨型的形成受到多种因素的综合作用，包括大气环流、地形地貌、水汽输送、城市热岛效应等。这些因素相互影响、相互制约，共同决定了郑州市降雨雨型的多样性和复杂性。2.4.2不同雨型对排水的影响不同雨型对郑州市城市排水系统的运行情况和内涝风险有着显著的影响。以单峰雨型为例，由于其降雨强度在短时间内迅速增大，对排水系统的冲击较为集中。当单峰雨型的降雨强度超过排水系统的设计排水能力时，地面积水会迅速形成，且积水深度增加较快。在2018年7月15日的单峰雨型降雨中，郑州市某区域的排水管网设计排水能力为每小时40毫米的降雨量，而在17时峰值降雨时，每小时降雨量达到50毫米，超出了排水管网的承载能力。短短半小时内，该区域部分路段的积水深度就达到了20厘米，导致交通堵塞，车辆通行困难。随着积水的不断增加，若排水系统无法及时排除积水，积水可能会倒灌进入地下停车场、地下室等低洼区域，造成财产损失。长时间的积水还会对道路、桥梁等基础设施造成损害，影响其使用寿命。双峰雨型由于存在两个降雨峰值，对排水系统的考验更为严峻。在第一个降雨峰值过后，排水系统还未完全恢复正常运行，第二个降雨峰值又接踵而至，这使得排水系统长时间处于高负荷运行状态。在2020年8月10日的双峰雨型降雨中，郑州市某老旧城区的排水管网在第一个降雨峰值（10时，每小时降雨量35毫米）时，已经出现了排水不畅的情况，部分路段开始积水。而在第二个降雨峰值（18时，每小时降雨量40毫米）时，排水管网的压力进一步增大，积水范围迅速扩大，积水深度也不断增加。该区域多个小区的地下室被积水淹没，居民的生活受到严重影响。长时间的高负荷运行还会导致排水设施的损坏，如排水管道破裂、泵站设备故障等，进一步降低排水系统的排水能力，增加内涝风险。多峰雨型由于降雨过程中峰值较多且变化复杂，使得排水系统的运行管理难度大大增加。排水系统需要频繁地调整运行参数以适应不同的降雨强度，这对排水系统的智能化和自动化水平提出了很高的要求。若排水系统无法及时准确地响应降雨强度的变化，就容易出现排水不及时的情况，导致内涝灾害的发生。在多峰雨型降雨中，由于降雨强度的频繁变化，排水管网中的水流速度和水位也会频繁波动，这会对排水管道的结构造成较大的冲击，增加管道损坏的风险。不同雨型下，城市内涝风险的分布也存在差异。单峰雨型的内涝风险主要集中在降雨峰值出现的时段和区域，这些区域通常是排水系统相对薄弱的地方，如老旧城区、地势低洼地区等。双峰雨型的内涝风险不仅在两个峰值时段较高，而且在两个峰值之间的时段，由于排水系统仍处于恢复阶段，内涝风险也不容忽视。多峰雨型的内涝风险则在整个降雨过程中都较为分散，难以准确预测和防范。因此，针对不同雨型的特点，合理规划和优化城市排水防涝系统，提高排水系统的应对能力，对于降低城市内涝风险具有重要意义。三、郑州市排水防涝系统现状3.1排水防涝系统组成郑州市排水防涝系统由排水管网、泵站、河道、调蓄设施等多个关键部分组成，各部分相互协作，共同承担着城市雨水的收集、输送和排放任务。郑州市的排水管网是整个系统的基础，如同人体的血管一般，分布在城市的各个角落。目前，郑州市建成区的排水管网总长度已超过5000公里，其中雨水管网约3000公里，污水管网约2000公里，总体实行雨污分流的排放体制。雨水管网主要负责收集地面径流和建筑物屋顶的雨水，通过支管、干管将雨水输送至排水泵站或直接排入河道。管网的管径大小不一，根据不同区域的排水需求和地形条件，管径从300毫米到2000毫米不等。在城市中心商业区等人口密集、排水需求大的区域，通常采用较大管径的排水管道，以确保能够及时排除大量雨水。而在一些老旧城区和小巷，由于建设年代较早，排水管道管径相对较小，部分管道的管径仅为300-600毫米，排水能力有限。排水管网的材质也多种多样，主要包括混凝土管、钢筋混凝土管、塑料管等。混凝土管和钢筋混凝土管具有强度高、耐久性好等优点，在早期的排水管网建设中应用广泛。但它们也存在自重大、施工难度较大等缺点。随着技术的发展，塑料管因其重量轻、耐腐蚀、施工方便等优势，在近年来的排水管网建设和改造中得到了越来越多的应用。泵站在排水防涝系统中起着关键的提升作用，就像人体的心脏一样，为雨水的输送提供动力。郑州市现有城区泵站总计166座，其中雨水泵站140座，抽排能力已提升至每小时87.7万立方米。这些泵站大多分布在城市的低洼地区和易涝区域，如铁路涵洞、立交桥下等。当降雨量大，排水管网无法依靠重力自流排水时，泵站便启动水泵，将收集到的雨水提升至更高的水位，再通过排水管道输送至下游或处理设施。一些位于铁路涵洞附近的泵站，在暴雨期间能够及时启动，将涵洞积水迅速排出，保障铁路交通的正常运行。泵站的设备类型主要有离心泵、轴流泵等，不同类型的泵具有不同的性能特点，适用于不同的排水工况。离心泵适用于流量较小、扬程较高的场合，而轴流泵则适用于流量较大、扬程较低的情况。河道是城市雨水排放的最终归宿，也是排水防涝系统的重要组成部分。郑州市主城区的雨水除小部分区域通过枯河排入黄河外，其他均通过贾鲁河及其支流金水河、熊耳河、东风渠等13条河流排入淮河。这些河道不仅承担着排水功能，还具有调节城市生态环境、美化城市景观等作用。河道的行洪能力直接影响着城市的排水防涝效果。近年来，郑州市通过河道整治、清淤疏浚等工程措施，不断提高河道的行洪能力。对金水河进行了综合整治，拓宽了河道断面，加固了河堤，提高了河道的防洪标准，使其能够更好地应对暴雨洪水。但部分河道仍存在淤积、行洪不畅的问题，尤其是在一些支流和河道的下游段，由于长期的泥沙淤积和垃圾堆积，河道的过水能力受到严重影响，在暴雨期间容易出现河水漫溢的情况。调蓄设施是缓解城市排水压力、减少内涝灾害的重要手段。郑州市的调蓄设施主要包括雨水调蓄池、景观水体、绿地等。雨水调蓄池一般建设在城市的低洼地区或排水管网的关键节点处，能够在降雨初期储存过量的雨水，待降雨强度减弱后，再将储存的雨水缓慢排出，从而减轻排水管网的压力。一些大型商场、公园等场所建设了雨水调蓄池，在暴雨时可以储存大量雨水，避免周边区域出现积水。景观水体如湖泊、池塘等，也具有一定的调蓄功能，能够容纳部分雨水，调节水位。绿地则通过植被的截留、土壤的渗透等作用，对雨水进行吸纳和储存，减少地表径流。城市中的公园、绿地等区域，在降雨时能够吸收大量雨水，降低城市内涝的风险。但目前郑州市的调蓄设施数量和规模仍相对不足，尤其是在一些新建城区和人口密集区域，调蓄设施的建设滞后，无法满足日益增长的排水需求。3.2排水防涝设施布局与规模郑州市排水防涝设施的布局基本遵循城市的地形地貌和功能分区特点。在地势较高的西部和南部区域，排水管网主要采用重力流排水方式，利用地形坡度将雨水迅速排入附近的河道或排水干管。而在地势较低的东部平原地区，除了重力流排水外，还设置了较多的泵站，以提升雨水的排放能力。在郑东新区，由于地势相对平坦，为了确保雨水能够及时排出，在一些低洼地段和重要交通节点附近，如郑州东站周边，密集分布了多个雨水泵站，以应对可能出现的积水问题。在城市功能分区方面，商业区、居住区等人口密集区域的排水设施布局相对密集，以满足大量的排水需求。郑州市二七广场商业区，作为城市的核心商业区域之一，人员流动量大，建筑物密集，排水管网的密度明显高于其他区域。雨水管网的管径较大，且分布均匀，确保能够及时收集和排除大量的雨水。同时，在该区域还建设了多个雨水调蓄池，以应对短时强降雨带来的排水压力。而在工业园区，由于工业生产活动对排水的水质和水量有特殊要求，排水设施的布局更加注重与工业生产流程的衔接。一些工业园区设置了专门的工业废水处理设施，对工业废水进行预处理后，再排入城市污水管网。在高新区的电子工业园区，企业产生的含有重金属等有害物质的废水，先经过企业内部的污水处理设施进行处理，达标后再排入城市污水管网，以确保城市排水系统的安全运行。郑州市排水防涝设施的规模也在不断发展和完善。随着城市的扩张和人口的增长，排水管网的长度和管径不断增加。近年来，郑州市加大了对排水管网的建设和改造力度，每年新增排水管网长度达到数百公里。在管径方面，为了提高排水能力，一些老旧城区的排水管道进行了扩径改造，将原来较小管径的管道更换为较大管径的管道。郑州市金水区的部分老旧小区，原来的排水管道管径仅为300毫米，在改造过程中，将管径扩大到了600毫米，排水能力得到了显著提升。泵站的规模和抽排能力也在逐步提升。现有城区泵站总计166座，其中雨水泵站140座，抽排能力已提升至每小时87.7万立方米。通过对泵站的升级改造和新建，不仅增加了泵站的数量，还提高了单个泵站的抽排能力。一些新建的泵站采用了先进的设备和技术，如智能化控制系统、高效节能水泵等，能够根据雨情和水位自动调节抽排能力，提高了泵站的运行效率和可靠性。河道的行洪能力也在不断增强。通过河道整治、清淤疏浚等工程措施，拓宽了河道断面，加深了河道深度，提高了河道的行洪能力。对贾鲁河进行了大规模的整治工程，拓宽了河道宽度，加固了河堤，使其行洪能力得到了大幅提升。部分河道仍存在淤积、行洪不畅的问题，尤其是在一些支流和河道的下游段，由于长期的泥沙淤积和垃圾堆积，河道的过水能力受到严重影响，在暴雨期间容易出现河水漫溢的情况。调蓄设施的规模和数量也在逐步增加。近年来，郑州市积极推进海绵城市建设，通过建设雨水花园、透水铺装、下沉式绿地等海绵设施，增强了城市对雨水的吸纳和蓄渗能力。同时，还建设了一些大型的雨水调蓄池和景观水体，作为城市排水防涝的重要补充设施。在郑州航空港区，建设了多个大型雨水调蓄池，总蓄水量达到数百万立方米，能够在暴雨期间有效储存雨水，减轻排水管网的压力。调蓄设施的分布还不够均衡，一些老旧城区和人口密集区域的调蓄设施相对不足，无法满足实际的排水需求。总体而言，郑州市排水防涝设施的布局和规模在不断发展和完善，但与城市的快速发展和日益增长的排水需求相比，仍存在一定的差距。在未来的城市建设和发展中，需要进一步优化排水防涝设施的布局，扩大设施规模，提高设施的运行效率和可靠性，以提升城市应对暴雨等极端天气的能力，保障城市的安全运行。3.3排水防涝系统运行管理情况郑州市排水防涝系统的运行管理机制由多个部门协同负责。郑州市城市管理局在其中发挥着核心作用，承担着对排水管网、泵站、河道等排水设施的日常运行维护管理工作。其职责涵盖了对排水设施的巡检、维修、清淤疏浚等方面，确保排水设施的正常运行。定期组织专业人员对排水管网进行巡查，及时发现并修复管道破损、堵塞等问题；在汛期来临前，对泵站设备进行全面检修和维护，确保泵站在暴雨期间能够正常运行。同时，城市管理局还负责制定和执行排水防涝应急预案，在暴雨等极端天气发生时，迅速组织开展抢险救援工作，保障城市的排水安全。郑州市水利局主要负责对河道、水库等水利设施的管理和调度，在城市排水防涝中起着关键的调节作用。在汛期，水利局密切关注河道水位变化，根据雨情和水情，合理调节河道闸门的开启和关闭，确保河道的行洪畅通。当河道水位过高时，及时开启闸门，加大泄洪流量，防止河水漫溢；当河道水位较低时，适当关闭闸门，保持河道内的水位，为城市提供生态用水。水利局还负责对水库的调度管理，在暴雨来临前，合理降低水库水位，预留足够的库容，以应对可能出现的洪水。郑州市气象局则为排水防涝系统提供重要的气象监测和预警服务。通过先进的气象监测设备和技术，实时监测天气变化，准确预报降雨情况。在暴雨来临前，及时发布气象预警信息，为城市管理局、水利局等部门提供决策依据，以便提前做好排水防涝准备工作。当预计有强降雨时，气象局会提前发布暴雨预警信号，城市管理局根据预警信息，及时组织人员对排水设施进行检查和维护，加强对易涝区域的监控；水利局则根据预警信息，提前做好河道和水库的调度准备工作。在日常运行管理中，郑州市积极利用信息化手段，提升排水防涝系统的运行管理水平。建立了城市内涝监测预报预警系统，该系统覆盖视频信息11297路，监控点位415处，能够实时监测城市内涝情况，对雨情、水情进行实时监测和分析。通过在城市的各个关键位置安装雨量计、水位计等监测设备，将采集到的数据实时传输到监测中心，实现对城市排水防涝系统运行状况的实时监控。一旦监测到降雨量超过预警阈值或水位异常升高，系统会自动发出预警信号，提醒相关部门及时采取措施。利用地理信息系统（GIS）技术，对排水管网、泵站、河道等排水设施进行信息化管理，实现对排水设施的可视化监控和调度。通过GIS系统，可以直观地查看排水设施的位置、分布情况以及运行状态，方便管理人员进行决策和调度。在暴雨期间，管理人员可以通过GIS系统实时了解排水管网的水位变化和流量情况，及时调整泵站的运行参数，确保排水系统的正常运行。郑州市还定期对排水防涝系统进行维护和保养。组建了20余支专业疏挖队伍，按照雨污水管网“全年不间断，能挖尽挖”的总要求，落实“系统性、区域性、周期性”的工作原则，精心科学安排，全力开展排水管涵疏挖工作。每一个疏挖路段都采取“机械+人工”的方式同期规划、同步推进。依靠机械班组快速推进疏挖量，保证主管道、支管排水畅通；人工班组及时跟进，对边井、检查井实施无遗漏疏挖，杜绝死井、死管现象；疑难故障点安排冲刷车配合实施集中处置。为进一步提高疏挖质量，组建专业质检班组，实施“三级”质检机制，强化“流程监管、效果监管、层层监管”，形成“处置-质检-反馈”的闭环管理长效机制，确保疏挖实效。大力推进“汛前大疏挖”专项行动，该行动于春节后全面启动，全面开展雨水边井、支管、河道出水口的疏挖工作，立交桥下及周边的收排水设施优先安排，确保5月15日前完成第一遍疏挖，随后开展“回头看”和第二遍及多遍疏挖，直至汛期结束；同时按照“应装尽装”的原则，对破损、老旧的防坠网进行更换，5月15日前完成。尽管郑州市在排水防涝系统的运行管理方面采取了一系列措施，但仍存在一些问题。在部门协调方面，虽然各部门在排水防涝工作中都承担着相应的职责，但在实际工作中，部门之间的沟通协调还不够顺畅，存在信息共享不及时、工作衔接不紧密等问题。在“7・20”特大暴雨灾害中，城市管理局、水利局和气象局之间的信息传递存在一定的延迟，导致各部门在应对灾害时未能形成有效的合力，影响了排水防涝工作的效率和效果。部分排水设施的运行管理水平有待提高，一些老旧泵站的设备老化、运行效率低下，缺乏智能化的监控和管理系统，难以满足现代排水防涝的需求。在一些老旧泵站中，设备的自动化程度较低，需要人工手动操作，在暴雨期间，由于工作量大，容易出现操作失误，影响泵站的正常运行。同时，部分排水管网的维护管理也存在不足，管道老化、破损等问题未能及时得到修复，导致排水能力下降。一些老旧城区的排水管道由于使用年限较长，出现了腐蚀、破裂等问题，在暴雨时容易出现漏水、堵塞等情况，影响排水效果。此外，公众的参与度和意识也有待进一步提高。目前，公众对城市排水防涝工作的关注度不够，缺乏相关的知识和意识，在日常生活中，存在乱扔垃圾、破坏排水设施等行为，影响了排水防涝系统的正常运行。一些市民在路边随意丢弃垃圾，导致雨水篦子被堵塞，影响雨水的收集和排放；还有一些市民私自损坏排水管道等设施，给排水防涝工作带来了困难。3.4“7・20”特大暴雨暴露的问题在2021年7月17-23日，河南省遭遇历史罕见特大暴雨，其中以7月20日突发的郑州市“7・20”城市内涝灾害最为极端突出。此次暴雨过程中，郑州市多个气象监测站点记录到了破纪录的降雨量。从降雨强度来看，7月20日16-17时，郑州国家气象站的降雨量达到了201.9毫米，这一数据不仅突破了郑州当地的历史极值，也打破了中国大陆气象观测记录历史极值。从累积降雨量来看，7月17日20时-23日20时，郑州全市累积降雨量达到617.1毫米，而郑州常年平均全年降雨量仅为640.8毫米，如此高强度、大累积量的降雨在短时间内集中出现，给郑州市的排水防涝系统带来了巨大的挑战。郑州市的排水防涝系统在此次特大暴雨中暴露出排水能力严重不足的问题。郑州市部分区域的排水管网设计标准偏低，按照传统的设计理念，排水管网主要是依据一定重现期的降雨来设计的，而“7・20”特大暴雨的降雨强度远远超过了排水管网的设计标准。在一些老旧城区，排水管网的管径较小，排水能力有限，当遭遇如此极端的降雨时，管网无法及时将大量雨水排出，导致地面积水迅速上升。郑州市二七区的一些老旧街道，排水管道管径仅为300-600毫米，在暴雨期间，这些管道的排水能力远远无法满足实际需求，街道积水深度迅速达到1米以上，车辆被淹没，居民出行困难。排水系统的规划布局不合理也在此次灾害中凸显出来。部分区域存在排水管网覆盖不足的情况，一些新建城区和城乡结合部的排水设施建设滞后，没有形成完善的排水网络。在这些区域，雨水无法有效收集和排放，一旦遇到强降雨，就容易形成内涝。郑州市航空港区的部分新建区域，由于排水管网建设不完善，在“7・20”特大暴雨中，大量雨水在道路上积聚，形成了大面积的积水区，许多新建的住宅小区被积水围困，居民生活受到严重影响。一些排水管网的走向和坡度设计不合理，导致雨水在管道内流动不畅，容易出现堵塞和积水现象。在郑州市金水区的一些道路，排水管道的坡度较小，雨水在管道内流速缓慢，在暴雨期间，大量雨水在管道内淤积，无法及时排出，加剧了地面积水的程度。此次特大暴雨还暴露了郑州市排水防涝系统中河道行洪能力不足的问题。郑州市主城区的雨水主要通过贾鲁河及其支流等13条河流排入淮河，而在“7・20”特大暴雨期间，这些河道的水位迅速上涨，部分河道出现漫溢现象。由于河道的行洪能力有限，无法及时容纳和排泄大量的洪水，导致河水倒灌进入城市，进一步加重了城市内涝的灾情。贾鲁河在暴雨期间水位急剧上升，超过了河道的设计洪水位，河水漫溢到周边的居民区和商业区，许多房屋被淹没，商家的货物受损严重。部分河道存在淤积和堵塞的情况，也降低了河道的行洪能力。由于长期缺乏有效的清淤和维护，一些河道的河床抬高，河道断面缩小，过水能力减弱。在“7・20”特大暴雨中，这些淤积和堵塞的河道无法充分发挥行洪作用，加剧了洪水对城市的威胁。在“7・20”特大暴雨灾害中，郑州市排水防涝系统的运行管理和应急响应方面也暴露出诸多问题。部门之间的协调配合不够顺畅，信息共享不及时，导致在应对灾害时无法形成有效的合力。城市管理局、水利局和气象局等部门在灾害发生时，信息传递存在延迟，各部门之间的工作衔接不紧密，无法及时采取有效的应对措施。在暴雨初期，气象局虽然发布了降雨预警信息，但由于信息传递不畅，城市管理局和水利局未能及时收到，导致排水设施的准备工作滞后，错过了应对灾害的最佳时机。部分排水设施的运行管理水平有待提高，一些老旧泵站的设备老化、运行效率低下，缺乏智能化的监控和管理系统，难以在关键时刻发挥应有的作用。在一些老旧泵站中，设备的自动化程度较低，需要人工手动操作，在暴雨期间，由于工作量大，操作人员容易出现失误，影响泵站的正常运行。部分排水管网的维护管理也存在不足，管道老化、破损等问题未能及时得到修复，导致排水能力下降。一些老旧城区的排水管道由于使用年限较长，出现了腐蚀、破裂等问题，在暴雨时容易出现漏水、堵塞等情况，影响排水效果。应急响应机制也存在缺陷，在灾害发生后，未能迅速启动有效的应急预案，抢险救援工作进展缓慢。应急预案的制定不够完善，对极端降雨情况下的应对措施考虑不足，缺乏针对性和可操作性。在“7・20”特大暴雨灾害中，虽然启动了应急预案，但由于预案中对一些关键问题的处理措施不够明确，导致抢险救援工作缺乏统一的指挥和协调，效率低下。应急物资储备不足，抢险救援设备和人员的调配不够及时，也影响了灾害应对的效果。在一些受灾严重的区域，由于缺乏足够的排水泵、沙袋等应急物资，无法及时排除积水，减轻灾害损失。抢险救援人员的数量不足，且专业技能参差不齐，在应对复杂的灾害情况时，难以迅速有效地开展救援工作。“7・20”特大暴雨灾害充分暴露了郑州市排水防涝系统在排水能力、规划布局、河道行洪、运行管理和应急响应等方面存在的问题。这些问题不仅给郑州市带来了巨大的人员伤亡和财产损失，也为城市的可持续发展敲响了警钟。因此，深入分析这些问题，采取有效的改进措施，加强郑州市排水防涝系统的建设和管理，提高城市应对极端降雨的能力，已成为当务之急。四、降雨对郑州市排水防涝系统的影响4.1不同降雨强度下排水系统的响应4.1.1小强度降雨在小强度降雨条件下，郑州市排水系统通常能够较为顺畅地运行。小强度降雨一般指降雨量较小、降雨历时较长且降雨强度低于排水系统设计标准下限的降雨情况。以郑州市多年降雨数据为依据，当降雨量在每小时5毫米以下，且降雨历时在3小时以上时，可视为小强度降雨。在这种降雨条件下，排水管网能够依靠重力自流，将雨水迅速收集并输送至下游河道或处理设施。由于降雨量较小，排水管网的水力负荷较低，水流速度相对稳定，一般不会出现积水现象。在一些新建城区，排水管网采用了先进的设计理念和较大管径的管道，在小强度降雨时，排水效果更为显著，路面几乎无积水残留，车辆和行人能够正常通行。排水泵站在小强度降雨时，通常处于低负荷运行状态或闲置状态。因为依靠排水管网的重力排水能力，足以满足小强度降雨的排水需求，泵站无需启动。这不仅节省了能源消耗，还减少了泵站设备的磨损，延长了设备的使用寿命。泵站的智能化控制系统能够实时监测排水管网的水位和流量，当水位低于设定的启动阈值时，泵站自动停止运行，实现了节能高效的运行模式。小强度降雨对城市内河流水位的影响也较小。由于降雨产生的地表径流较少，汇入河道的水量有限，河道水位基本保持稳定，不会出现明显的上涨。城市内河流水质也不会因小强度降雨而受到较大影响。小强度降雨能够对城市地表进行一定程度的冲刷，将部分污染物带入排水系统，但由于降雨量较小，污染物的稀释和扩散作用相对较弱，不会对河流水质造成严重污染。在一些水质较好的内河，小强度降雨反而有助于补充河水水量，维持河流的生态平衡。小强度降雨时，城市内的调蓄设施，如雨水花园、下沉式绿地等，能够发挥一定的雨水吸纳和蓄渗作用。这些调蓄设施通过植被的截留、土壤的渗透等方式，将部分雨水暂时储存起来，然后缓慢释放，进一步减轻了排水管网的压力。雨水花园中的植物能够吸收部分雨水，减少地表径流的产生，同时植物的根系还能改善土壤结构，增加土壤的透水性。下沉式绿地则利用地势较低的特点，将雨水收集起来，通过土壤的过滤和净化作用，使雨水得到初步处理后再缓慢渗入地下或排入排水管网。4.1.2中等强度降雨中等强度降雨对郑州排水系统构成了一定压力，且引发内涝的风险不容小觑。一般而言，中等强度降雨指的是降雨量每小时在5-30毫米之间，降雨历时在3-12小时左右的降雨。在这种降雨强度下，郑州市的排水系统开始面临较大挑战。排水管网的水力负荷明显增加，水流速度加快，部分管径较小或排水能力较弱的管道可能出现排水不畅的情况。在一些老旧城区，排水管道老化、管径偏小，在中等强度降雨时，容易出现积水现象。郑州市二七区的一些老旧街道，排水管道管径仅为300-600毫米，当降雨量达到每小时15毫米以上时，部分路段就会出现积水，积水深度可达10-20厘米，影响车辆和行人的正常通行。排水泵站在中等强度降雨时，需要根据实际情况启动部分机组，以提升排水能力。当排水管网的水位上升到一定程度，达到泵站的启动水位时，泵站的水泵开始运行，将雨水提升至更高的水位，再通过排水管道输送至下游。泵站的运行需要合理调度，根据雨情和水位的变化，及时调整水泵的开启数量和运行功率。如果调度不当，可能会导致排水效率低下，加重内涝风险。在一些泵站，由于缺乏智能化的监控和管理系统，操作人员无法及时准确地掌握雨情和水位变化，导致水泵的启动和停止不够及时，影响了排水效果。中等强度降雨还会使城市内河流水位明显上涨。随着地表径流的增加，大量雨水汇入河道，河道水位迅速上升。如果河道的行洪能力不足，水位上涨过快，可能会导致河水漫溢，淹没周边区域，加剧内涝灾害。部分河道存在淤积、行洪不畅的问题，在中等强度降雨时，这些问题更加凸显。郑州市金水区的东风渠，由于河道部分地段存在淤积，在中等强度降雨时，水位上涨明显，部分河段出现河水漫溢现象，周边的道路和居民区被积水淹没，居民生活受到严重影响。在中等强度降雨条件下，城市内的调蓄设施能够在一定程度上缓解排水压力。雨水花园、下沉式绿地等调蓄设施可以吸纳和储存部分雨水，减少地表径流的产生。但随着降雨量的增加，调蓄设施的容量可能会逐渐饱和，无法继续发挥有效的调蓄作用。在一些调蓄设施建设不足的区域，调蓄能力更是有限，难以应对中等强度降雨带来的排水压力。一些新建城区虽然建设了部分调蓄设施，但由于规划不合理，调蓄设施的分布不均匀，导致部分区域的调蓄能力不足，在中等强度降雨时，仍会出现积水现象。中等强度降雨时，城市内涝风险开始显现，尤其是在地势低洼、排水设施不完善的区域。这些区域容易形成积水点，积水深度和范围会随着降雨时间的延长而不断增加。郑州市惠济区的一些低洼地段，在中等强度降雨时，经常出现积水深度超过30厘米的情况，积水范围可达数百米，严重影响交通和居民生活。因此，针对中等强度降雨对排水系统的影响，需要进一步优化排水系统的设计和布局，提高排水能力，加强对排水设施的维护和管理，完善应急预案，以降低内涝风险。4.1.3高强度降雨高强度降雨对郑州市排水系统的应对能力提出了严峻考验，也是城市内涝灾害的主要诱发因素。高强度降雨通常指降雨量每小时超过30毫米，降雨历时在12小时以内，且降雨强度超过排水系统设计标准的降雨情况。在高强度降雨条件下，郑州市排水系统的排水能力严重不足，难以应对如此大量的雨水排放需求。排水管网的水力负荷急剧增加，水流速度极快，管道内的压力迅速上升，容易导致管道破裂、接口漏水等问题。在“7・20”特大暴雨中，郑州市多个区域的排水管网出现了严重的损坏，大量雨水从破裂的管道中涌出，加剧了地面积水的程度。排水泵站在高强度降雨时，虽然全力运行，但由于降雨强度过大，仍无法满足排水需求。泵站的抽排能力有限，在短时间内难以将大量雨水排出。部分泵站还可能因为设备故障、电力供应中断等原因，无法正常运行，进一步降低了排水系统的排水能力。在“7・20”特大暴雨中，郑州市一些老旧泵站的设备老化，在高强度降雨时出现了故障，导致无法及时抽排积水，使得周边区域的内涝情况更加严重。高强度降雨会使城市内河流水位急剧上涨，超过河道的设计洪水位，导致河水漫溢。由于河道行洪能力不足，无法及时容纳和排泄大量的洪水，河水会倒灌进入城市，淹没道路、建筑物和地下设施，造成严重的内涝灾害。贾鲁河在“7・20”特大暴雨中，水位迅速上涨，超过了河道的设计洪水位，河水漫溢到周边的居民区和商业区，许多房屋被淹没，商家的货物受损严重。城市内的调蓄设施在高强度降雨时，很快就会达到饱和状态，无法继续发挥调蓄作用。雨水花园、下沉式绿地等调蓄设施的容量有限，在短时间内大量降雨的情况下，无法吸纳和储存过多的雨水。此时，调蓄设施不仅无法缓解排水压力，还可能因为积水过深，对设施本身造成损坏。在一些小区的雨水花园中，由于降雨量过大，积水深度超过了花园的设计容量，导致植物被淹死，土壤被冲刷，调蓄设施的功能严重受损。高强度降雨还会引发山洪灾害，尤其是在郑州市西部和南部的山区。山区地形复杂，地势陡峭，雨水迅速汇聚，形成强大的山洪。山洪携带大量的泥沙和石块，破坏力极强，不仅会冲毁道路、桥梁等基础设施，还会对山区居民的生命财产安全造成严重威胁。在“7・20”特大暴雨中，郑州市西部的巩义市等地发生了严重的山洪灾害，许多村庄被山洪冲毁，居民房屋倒塌，人员伤亡惨重。高强度降雨下，郑州市排水系统存在的问题暴露无遗，内涝灾害的成因主要包括排水能力不足、排水设施损坏、河道行洪不畅、调蓄设施饱和以及山洪灾害的影响等。为了提高郑州市排水系统应对高强度降雨的能力，需要采取一系列措施，如加大排水管网的建设和改造力度，提高排水泵站的抽排能力，加强河道的整治和清淤，增加调蓄设施的数量和规模，完善山洪灾害预警和防治体系等。同时，还需要加强城市规划和管理，合理控制城市建设规模，减少对自然水系的破坏，提高城市的整体抗灾能力。4.2降雨特征与排水系统韧性的关系降雨强度是影响郑州排水系统韧性的关键因素之一。高强度降雨会使排水系统面临巨大的压力，当降雨强度超过排水系统的设计标准时，排水管网容易出现满管流甚至溢流的情况，导致地面积水迅速增加，内涝风险急剧上升。在“7・20”特大暴雨中，短时间内的高强度降雨使得郑州市许多排水管网不堪重负，大量雨水无法及时排出，造成了严重的内涝灾害。据统计，在暴雨期间，郑州市部分区域的积水深度超过2米，交通全面瘫痪，大量车辆被淹没，众多地下设施也遭受了严重的损坏。这表明，降雨强度的增大对排水系统的冲击是直接且显著的，会严重影响排水系统的正常运行，降低其韧性。降雨历时也对排水系统韧性有着重要影响。较长的降雨历时会使排水系统持续处于高负荷运行状态，增加排水设施的磨损和故障风险。当降雨历时延长时，排水管网中的水流长时间保持较高水位，容易导致管道接口松动、破裂，泵站设备长时间运行也可能出现过热、磨损等问题，从而降低排水系统的排水能力和可靠性。在2020年的一次持续降雨过程中，由于降雨历时长达24小时，郑州市一些老旧泵站的设备出现了故障，无法正常运行，导致周边区域的积水无法及时排出，内涝情况加剧。长时间的降雨还会使地面径流不断增加，超出排水系统的调蓄能力，进一步加重内涝灾害。降雨频率同样不容忽视。频繁的降雨会使排水系统频繁启动和运行，增加设备的维护成本和损耗，同时也会使城市内河流水位频繁波动，影响河道的生态功能和行洪能力。如果排水系统在短时间内多次应对降雨，设备得不到充分的维护和检修，就容易出现故障，降低排水系统的韧性。在夏季降雨较为频繁的时期，郑州市的排水系统经常处于忙碌状态，一些排水设施由于频繁使用而出现故障，需要及时进行维修和更换，这不仅增加了维护成本，还会影响排水系统的正常运行。频繁的降雨还会使城市内河流水位频繁变化，对河道的生态环境造成破坏，影响水生生物的生存和繁衍。为提升郑州市排水系统的韧性，可采取一系列针对性措施。在工程技术方面，应加大排水管网的建设和改造力度，提高排水管网的设计标准和排水能力。根据郑州市的降雨特征和城市发展需求，合理扩大排水管道的管径，优化管网布局，确保雨水能够迅速、顺畅地排出。增加排水泵站的数量，提高泵站的抽排能力，配备先进的排水设备和智能化控制系统，实现对排水系统的实时监测和精准调控。加强城市内河的整治和清淤工作，拓宽河道断面，加深河道深度，提高河道的行洪能力，确保在暴雨期间能够及时排泄洪水。推广海绵城市建设理念也是提升排水系统韧性的重要举措。通过建设雨水花园、下沉式绿地、透水铺装等海绵设施，增强城市对雨水的吸纳、蓄渗和净化能力，减少地表径流的产生，从而减轻排水系统的压力。雨水花园可以利用植物和土壤的作用，吸收和储存部分雨水，降低雨水的流速和流量；下沉式绿地能够将雨水引入绿地中，通过土壤的渗透和净化作用，使雨水得到初步处理后再缓慢渗入地下或排入排水管网；透水铺装则可以让雨水迅速渗透到地下，补充地下水，减少地面积水。这些海绵设施不仅可以提高城市的生态环境质量，还能有效提升排水系统的韧性。在管理体制方面，应建立健全排水防涝系统的管理机制，加强部门之间的协调配合，完善应急预案。建立统一的排水防涝指挥中心，实现对排水设施的统一调度和管理，提高应对暴雨等极端天气的能力。加强气象、水利、城管等部门之间的信息共享和沟通协作，及时准确地掌握雨情、水情和排水系统的运行状况，为科学决策提供依据。完善应急预案，明确各部门在暴雨灾害发生时的职责和任务，加强应急演练，提高应急响应速度和处置能力。定期对排水系统进行维护和保养，确保排水设施的正常运行，及时发现和修复排水管网中的问题，提高排水系统的可靠性。提升公众的排水防涝意识也至关重要。通过宣传教育，提高公众对城市排水防涝工作的认识和重视程度，增强公众的自我保护意识和应急能力。开展排水防涝知识讲座、发放宣传资料、举办应急演练等活动，向公众普及排水防涝知识和应急避险技能，让公众了解如何在暴雨天气中保护自己的生命财产安全。鼓励公众积极参与城市排水防涝工作，如举报破坏排水设施的行为、自觉维护排水设施的正常运行等，形成全社会共同参与的良好氛围。通过以上措施的综合实施，可以有效提升郑州市排水系统的韧性，提高城市应对降雨灾害的能力，保障城市的安全运行和居民的生命财产安全。4.3案例分析：“7・20”特大暴雨内涝灾害4.3.1暴雨过程与灾情回顾2021年7月17-23日，河南省遭遇历史罕见特大暴雨，其中郑州市“7・20”特大暴雨引发的城市内涝灾害尤为极端突出。此次暴雨过程呈现出诸多异常特征，给郑州市带来了极其严重的影响。从降雨强度来看，其极端性令人震惊。7月20日16-17时，郑州国家气象站的降雨量达到了201.9毫米，这一数据不仅打破了郑州当地的历史极值，更是突破了中国大陆气象观测记录历史极值。如此高强度的降雨在短时间内集中出现，使得城市面临巨大的排水压力。从累积降雨量方面分析，7月17日20时-23日20时，郑州全市累积降雨量达到617.1毫米，而郑州常年平均全年降雨量仅为640.8毫米，这意味着在短短几天时间内，郑州降下了几乎一整年的雨量。此次暴雨的时空分布也具有显著特点。从时间分布上，降雨时段集中在17-22日，其中19-20日降雨强度达到峰值，呈现出明显的多峰结构。17-18日，郑州市出现分散性弱降雨；18日下午到夜里，强降雨首先在郑州西部的巩义、登封市出现；19日上午降雨有所减弱，下午到夜间，巩义、荥阳、登封、新密等市的降雨再次加强；20日凌晨降水从郑州西部开始，暴雨中心逐步向东移动加强，20日中午后强降雨向城市中心区及新密市北部汇集，降雨强度激增，16-18时，有18站次小时降雨量超过100毫米；21日凌晨降雨减弱，21日白天-22日上午，郑州市再次受分散性强降雨影响。从空间分布来看，降雨中心在河南北部地区移动。17