浅析“7·20”郑州特大暴雨成因及对城市防洪措施探讨

受全球气候变化的影响,近几年城市洪涝灾害频繁发生。“7·20”郑州特大暴雨引发了新中国成立以来最严重的城市内涝灾害,造成了巨大的损失,受到国内外的广泛关注。基于“7·20”郑州特大暴雨事件,分析了暴雨及城市内涝的成因,回顾了我国的城市防洪成就,并提出了针对城市防洪的建议。

系统韧性视角下城市洪涝灾害风险减缓研究——以郑州“7·20”特大暴雨灾害为例

随着全球气候变化及城市化进程的加快,我国城市洪涝灾害频发且呈现日趋严峻的态势,造成巨大的生命财产损失,引发公众重新审视传统的应急体系。作为应急管理全过程的起点,风险减缓阶段通过灾前行动来降低灾害发生的可能性,是预防洪涝灾害发生的重要环节。文章在分析郑州“7·20”特大暴雨灾害主要成因的基础上,发现城市洪涝灾害风险减缓过程中仍存在许多问题,因此,基于“系统韧性”理论视角,文章建立一个“社会-生态-工程”韧性综合框架,以期为我国城市洪涝灾害风险减缓提供理论支撑与决策依据。

郑州“7·20”特大暴雨内涝成因及灾害防控

当前全球气候变化导致洪涝灾害频繁发生,尤其一些高强度、极端性的城市降水洪涝事件更是严重损害了人民群众的生命财产安全。郑州“7·20”特大暴雨内涝灾害是新中国成立以来最严重的城市内涝灾害,国内外专家学者对暴雨的特性及成因、内涝形成机理与防治途径等开展了大量研究。系统回顾郑州“7·20”特大暴雨城市内涝灾害,梳理了近年来城市内涝及郑州“7·20”特大暴雨内涝灾害的相关研究和主要成果,解析了郑州“7·20”特大暴雨的重现期、时空分布、形成机理等特性;分析了内涝形成机理与防治途径以及城市排水防涝基础设施、洪涝应急指挥、风险管理和城市规划中存在的主要问题。“7·20”特大暴雨具有极端性和难预测性的特点,其中单日和累积降水均超过历史极值。台风、地形以及“雨岛效应”的耦合影响造成了此次强降水天气过程。“7·20”特大暴雨城市内涝灾害暴露出郑州城区排水防涝基础设施、建设存在明显短板,河道防御体系存在瓶颈,应急设施和管理能力不足等问题。基于上述问题,应适当调整内涝防治标准,增强洪涝风险管理与规划建设管控措施,建设外洪内涝同防控的工程体系,加强城市洪涝智慧调度与应急指挥决策等方面的能力。

基于社交媒体数据的城市暴雨洪涝灾害风险评估——以郑州市“7·20”暴雨事件为例

近年来强降雨引发的城市洪涝灾害事件趋多,严重危害了人民的生命健康和财产安全,而客观、准确地开展城市暴雨洪涝灾害风险评估对于有效提升防灾减灾水平至关重要。但是,城市灾害点部分基础数据资料的缺失和滞后限制了城市暴雨洪涝灾害风险评估结果的准确性。随着移动互联技术的发展,民众在社交媒体上发布的相关灾害信息逐渐汇集成一种具有海量、时效性强和主题明确等特征的社交媒体数据资源,将其引入城市暴雨洪涝灾害风险评估工作对于准确刻画城市暴雨洪涝灾害的全貌无疑具有显著意义。以2021年郑州市“7·20”暴雨事件为例,首先从气象因素、基础地理信息、社会经济因素三方面选取了13个影响因子,然后基于爬虫技术获取微博数据中的内涝点信息,最后基于GBDT、XGB、RF和AdaB 4种机器学习模型对郑州市“7·20”暴雨洪涝灾害进行风险评估。结果表明:①基于上述模型得到的4组指标权重具有统计意义上的一致性,在各影响因子中,道路密度、植被覆盖指数、半小时最大降雨量和日最大降雨量在4组指标重要性排序中均位列前5,表明上述影响因子是本次暴雨洪涝灾害的主要致灾因素;②基于皮尔逊相关系数检验发现上述4种模型评估结果间的相关程度较高,所得出的极高风险区均集中在郑州市五大主城区的中心部分、中牟市东北部、新密市米村镇及城关镇、巩义市巩义站周边;③上述4种模型的AUC和ACC值均超过0.7,证实了机器学习模型在城市暴雨洪涝灾害风险评估中的有效性;相较于GBDT、XGB和RF模型,AdaB模型的评估结果精度最高,且得到的高风险与极高风险区的Rei值之和最大,表明其评估结果与实际情况相符。本研究通过将社交媒体数据引入城市暴雨洪涝灾害风险评估工作有效地提升了评估结果的准确性,可为郑州市及其他城市在类似强降水事件下的洪涝灾害风险预警和应急处置提供决策依据。

基于CORS网数据的河南“7·20”特大暴雨期间大气水汽分布特征分析

河南“7·20”特大暴雨导致了严重的城市内涝和多起地质灾害。大气水汽是发生极端降雨的主要驱动力之一,分析“7·20”特大暴雨期间大气水汽的时空变化,有助于提高对降雨-水汽区域性作用机制的认识。利用河南CORS网中8个GNSS测站的观测数据,反演了暴雨前后(7月17—24日)时间分辨率为5 min的PWV数据,在此基础上与基于ERA-5再分析数据通过积分求得的PWV值进行了对比,并结合实际降雨量分析了暴雨期间水汽的时空分布特征。结果表明:GNSS-PWV的偏差和均方根误差分别为0.4、2.3 mm;暴雨前3 d内PWV值呈现快速上升趋势,并在暴雨前3 h达到最大值,在7月22日后逐渐减少到正常范围;GNSS-PWV的变化趋势与实际降雨过程基本符合。研究结果可为基于GNSS观测数据的实时全天候气象预警工作提供一定的理论基础。

基于郑州“7·20”特大暴雨移置的山东省傅疃河流域洪水形势分析

在气候变化和快速城市化扩张的背景下,我国的极端暴雨洪涝灾害风险呈增加趋势。2021年,河南郑州市“7·20”特大暴雨造成了重大人员伤亡和财产损失,暴露出对特大灾害认识准备不足、防范组织不力、应急处置不当等诸多问题。以山东日照市傅疃河流域为研究对象,采用暴雨移置和洪水模拟的方式,拟定暴雨中心位于傅疃河上游三庄镇和下游日照街道两种方案,基于分布式水文模型和二维水动力模型分析了其在“7·20”特大暴雨情景下的洪水形势,并对比分析了两种方案的洪水过程影响。结果表明,两种方案下流域内的日照水库、马陵水库入库洪峰均超过其历史最大入库洪峰,下游社会经济区整体受灾范围分别为151.96 km2、166.02km2;暴雨中心位于城区时,下游区域平均淹没水深从0.46 m上涨至0.73 m,社会经济区受灾范围增加了9.3%。在现状工程条件下,山东日照市傅疃河流域在遭遇极端暴雨时,将有较大范围的居民聚集区、重要社会机构和基础设施受到洪水的侵袭,因而参考极端暴雨情景分析进行应急预案的编制和汛前演练尤为必要。

突发暴雨灾害应急协作网络研究——以郑州“7·20”特大暴雨为例

构建突发灾害应急协作网络,明确应急主体职能分工,是我国应急管理体制建设的重要组成部分。基于郑州市“7·20”特大暴雨灾害,运用社会网络分析法,构建整体网络二维分析框架,依据网络规模、网络凝聚力、网络密度、中心度及凝聚子群等指标进行测度,揭示突发暴雨灾害应急协作网络整体结构与主体角色特征。研究结果表明,郑州突发暴雨灾害应急协作网络类型为闭合紧密型,组织间联系紧密,但领导组织较多,导致应急主体职能交叉,应急效率降低。因此,在突发暴雨灾害应对过程中,应明确领导机构权责划分,加强权力与资源的下放,进一步发挥协作网络在应急管理中的优势。

以郑州“7·20”特大暴雨为例探讨城市气象灾害应急响应处置机制

随着城市化进程的加快,城市气象灾害对城市生产和生活的影响日益显著,城市气象灾害的防御和处置工作将更加重要。以2021年河南郑州“7·20”特大暴雨为例,详述了本次特大暴雨过程及气象预警服务和应急处置措施,剖析了当前我国城市气象灾害应急响应机制不健全、应急处置滞后等问题,提出了如何进一步完善城市气象灾害应急管理机制及处置预案等建议。

郑州“7·20”特大暴雨雨滴谱特征分析

暴雨的发生是多尺度条件和宏微观物理过程相互作用的结果,对暴雨降水微物理特征的分析是研究暴雨形成机制的重要一环。2021年7月20日15:25-17:27(北京时,下同)一强中尺度对流系统影响郑州,累积降水量312.1 mm,简称为极端暴雨降水。除极端暴雨降水时段,20日08:00-20:00其他时间累积降水量183.4 mm,简称为暴雨降水。本文利用郑州降水现象仪观测资料,对比分析了极端暴雨和暴雨降水的雨滴谱和积分参数特征,主要结论为:(1)暴雨对流降水不同雨强的平均雨滴谱随着雨强增大,直径D小于1.0 mm的小雨滴数密度增加得较少,中等(1.0<D≤3.0 mm)和大(D>3.0 mm)直径雨滴数密度增加得较快;极端暴雨不同雨强平均雨滴谱随着雨强增大,各直径档雨滴数密度都明显增大,同时平均雨滴谱粒子数密度之间的差异比较复杂,有时小雨滴数密度差别大,有时较大雨滴数密度差别大,不同雨强平均雨滴谱之间的差异导致参数随着雨强增大的变化特征有显著不同。暴雨参数D_(m)(lgN_(w))随着雨强增大而逐渐增大(稍微增大),表明粒子直径的增大是暴雨降水雨强增大的主要因素,粒子浓度的增加是次要因素。极端暴雨降水参数D_(m)(lgN_(w))随着雨强增大的变化趋势有不同的变化特征,指示极端暴雨降水不同雨强雨滴谱的形成机制可能存在不同。(2)参数lgN_(w)-D_(m)分布显示,暴雨和极端暴雨对流降水雨滴谱都是以大陆性对流降水为主,暴雨对流性降水雨滴谱形成机制主要是暖雨-冰相混合和少量冰相控制;而极端暴雨降水雨强小于100 mm·h^(-1)时雨滴谱形成机制主要是暖雨-冰相混合和冰相控制,雨强大于100 mm·h^(-1)时雨滴谱形成机制主要是暖雨-冰相混合。(3)暴雨降水中存在少量平衡雨滴谱(约占2.8%)和较大比例的过渡谱(约占60.5%)。极端暴雨降水中没有平衡谱,但过渡谱有极高比例(约占83.9%),表明雨滴破碎过程在极端暴雨降水中有更广泛的作用。

基于遥感数据光流场的2021年郑州“7·20”特大暴雨动力条件和水凝物输送特征分析

本文针对2021年7月20日河南省郑州市发生的"7·20"特大暴雨天气过程,主要基于FY-4A静止气象卫星成像仪和地基天气雷达遥感数据,利用光流法分别计算遥感数据图像的光流场(Optical Flow Field)。经与FNL数据水平风和地面风速观测对比表明,气象卫星和雷达光流场可以近似反映大气和云系的高空和低空的运动特征。在此基础上,分析了与暴雨天气过程有关的动力条件和水凝物输送特征。结果显示,在20日午后,存在从华南经河南延伸至华北"西南—东北"走向的水汽和云水输送带,其中对流活动非常明显,并一直延伸至河南中北部的既有云系中,为河南郑州地区特大暴雨的形成提供了有利的水汽和云水输送条件。20日午后至16时(北京时)最强降水发生前,郑州地区低空由辐散转为强烈的气旋状辐合,并且高空的反气旋涡度增强,表明郑州地区整个降水系统上升运动增强。在最强降水发生前,从郑州地区南侧输入的水凝物急剧增加。这些结果表明,郑州地区不仅存在大量水汽输入,同时还有大量水凝物随强对流云输送进入到大范围降水系统的上升运动区,可能极大地加速了水汽转化为云水进而形成降水的微物理过程转化速率,这可能是此次郑州特大暴雨快速增强的主要成因。本文提出的基于遥感数据光流场的分析方法在暴雨短临预报和预警中有显著的应用潜力。

河南省西平县小洪河郑州“7·20”特大暴雨移置洪水响应分析

为提高河南省西平县小洪河流域防洪水平,通过暴雨移置法将郑州“7·20”特大暴雨移置到洪汝河流域,分析小洪河流域在“7·20”特大暴雨条件下的洪水过程。结果表明:在郑州“7·20”特大暴雨条件下,西平县小洪河流域水利工程(除石漫滩外)均超保证水位;水库大坝、河道堤防均有可能出现漫溢、溃坝、决堤险情;小洪河堤防险工处可能决口;滞洪区、行洪区需全部投入运用。提出了针对性改善建议:在防洪工程调度运用中对大中型水库工程防洪库容试行全部拦蓄原则;完善滞洪区、行洪区群众转移预案编制;变更小洪河桂李站保证水位为62.51 m,保证流量为420 m^(3)/s;建立小洪河洪水演进模型等。

重大自然灾害事件的网络舆情传播及网络表达——基于河南郑州“7·20”特大暴雨

随着网民在微博等社交媒体平台参与度不断提升,越来越多的网民开始关注热点事件,并不断发表个人言论。以2021年河南郑州“7·20”特大暴雨为研究个案,基于新浪微博2021年7月18日至8月6日的全量数据,分别从时间、发布主体、网民情绪演化和高频词四个视角探寻网民对该网络舆情事件发布主体情绪的类型、特征、强度和规律。研究发现:预警期“好”“恶”、应急期“好”“恶”、灾后期“好”“哀”等这几个类别平均情感强度较大,通过了解和把握发布主体的情绪呈现及其舆情特征,可为政府及其有关部门舆情监测和舆论引导提供新的思路。

突发自然灾害事件多主体风险信息感知全过程模型研究--以郑州“7·20”暴雨灾害事件为例

为给突发自然灾害事件风险信息感知工作提供理论支撑,厘清公众风险信息感知的影响因素和演变过程,构建突发自然灾害事件多主体风险信息感知全过程模型。结合当前应急管理工作实际情况,深入剖析突发自然灾害事件多主体风险信息感知的价值和特征,提炼影响因素,明晰自然灾害信息与前期准备、风险感知以及应急响应三者之间的作用机理,在此基础上构建突发自然灾害多主体风险信息感知的全过程作用模型,并以郑州“7·20”暴雨灾害事件为对照样本进行阐释验证。研究发现:前期准备与包括风险意识在内的应急素养是风险信息感知环节有效开展的必要条件,必须将前期准备、风险感知、应急响应工作进行有机结合,为应对突发自然灾害事件提供更为坚实的助力。

基于复杂网络的郑州市特大暴雨洪涝灾害链研究

以郑州“7·20”特大洪涝灾害链作为案例,采用危险与可操作性分析(HAZOP)法,对城市洪涝灾害的节点和传播路径进行建模,并结合复杂网络理论,选用度、边介数、平均路径长度、连通度等指标定量分析城市洪涝灾害链的脆弱性、关键节点和关键传播路径。在此基础上,提出断链减灾策略,并对其减灾效果进行科学评估。结果表明郑州“7·20”特大洪涝灾害链中节点度数、点介数和特征向量中心度都将关键事件指向交通中断、抗洪物资供应不足、应急指挥不力、地铁进水、生产线爆炸等,而“抗洪物资供应不足-暴雨洪涝”“交通中断-抗洪物资供应不足”“应急指挥不力-暴雨洪涝”这三条边对整个灾害链网络的结构起到关键作用。应急供电、应急通信、应急交通和停工停产可以有效断链减灾,并且以应急供电的断链减灾效果最显著。相关结果可以为有效应对城市洪涝灾害链提供知识图谱,辨识关键节点和传播路径,并建立断链减灾策略。

郑州“7·20”特大暴雨降水特征及其内涝影响

基于郑州市自动气象观测站资料,对河南郑州2021年“7·20”特大暴雨的降水极端性、降水时段、小时降水变化等特征及其内涝影响进行分析,提出超标准降水条件下内涝防治的建议。分析表明:河南郑州“7·20”特大暴雨是一次极端强降水天气过程,可以分为5个明显的降水阶段,第三阶段和第四阶段呈现短时强降水频发、重发特征,特别是20日12—18时郑州市主城区连续出现80 mm以上的小时降水,是造成郑州市主城区严重城市内涝的主要原因。按照现有的内涝防治设计标准,郑州市主城区仍不足以防范此种强度的降水,但仍可以通过完善城市内涝防治的超标应急系统、提高城市易涝点内涝防治标准等措施减轻内涝灾害。

郑州主城区2021年“7·20”特大暴雨洪涝特征及应对策略

2021年7月17-23日,河南省遭遇历史罕见强降雨,形成了严重的洪涝灾害。郑州市受灾最为严重,因灾死亡失踪人数占全省的95.5%,主城区更是发生了地铁5号线亡人事件等造成重大人员伤亡和引发重大社会影响的灾害。在摸清郑州市主城区洪涝来源、防洪排涝现状的基础上,分析了“7·20”特大暴雨、洪水、内涝的特征。以“7·20”特大暴雨灾害暴露的问题为导向,针对郑州市主城区,提出了降低暴雨致灾力、提升工程防灾力、减小承灾体暴露度、增强城市承洪韧性等应对超标准暴雨洪涝的对策与建议。

郑州“7·20”特大暴雨河道堤防险情调查分析

2021年郑州“7·20”特大暴雨期间,郑州市域内河道堤防出现河道漫溢、堤防决口、岸坡坍塌及拦(跨)河建筑物损毁等险情。在现场查勘基础上,围绕河道堤防等工程治理、运行维护、应急处置等环节分析了河道堤防有关险情发生的原因,总结了经验教训,并对灾后重建提出了对策建议。

郑州中心城区2021年“7·20”特大暴雨洪涝复盘模拟分析

2021年7月17-23日,河南省发生历史罕见特大暴雨,全省遭受严重洪涝灾害,造成了重大的人员伤亡和财产损失,其中郑州市受灾尤为严重。为了支撑国务院郑州“7·20”特大暴雨灾害调查组的相关工作,采用洪水分析软件IFMS/Urban构建郑州中心城区暴雨洪涝模型,对中心城区积水情况进行了模拟,并分析了郑州市主要内河的水位情况,为揭示灾害成因和重构灾害情景提供依据及参考。

2021年郑州“7·20”特大暴雨五龙口停车场内涝及地铁隧洞进水分析

五龙口停车场位于郑州市贾鲁河流域的五龙口明沟排水片区,区内涝水主要通过五龙口明沟排泄。经过调查勘测与资料分析,停车场场区地势较周边道路及街区明显低洼,郑州“7·20”特大暴雨过程场区积水主要为停车场场区及明渠起点上游汇水范围内涝水。研究构建了五龙口停车场内涝分析模型,由五龙口明沟排水范围地表二维水动力模型、五龙口明沟的河道一维水动力模型以及隧洞进水模型构成,并利用郑州“7·20”水灾调查结果对模型进行了合理性分析。为全面分析五龙口停车场挡墙倒塌、五龙口明沟西侧堆土与明渠起点盖板对五龙口停车场及周边积水、地铁隧洞进水影响,研究利用五龙口停车场内涝分析模型对4种工况情景展开模拟分析,分析结果表明,若五龙口明沟明渠起点附近不存在临时堆土、盖板,五龙口停车场挡墙不发生倒塌,环保路与蓝天路交汇口最大积水深度可降低0.35 cm,五龙口停车场进出场地铁隧洞的最大进水流量可减少约50%,进水总量可减少约60%。

河南郑州山区4市2021年“7·20”特大暴雨灾害调查的思考与建议

2021年7月17-21日,河南郑州市下辖的新密、荥阳、登封、巩义山区4市普降超历史极值的特大暴雨,4市全域受灾,山洪、中小河流洪水、坡面洪流、内涝、滑坡齐发遍发,4万多间房屋损毁,造成4市251人遇难,有16个村(街道)发生了3人及以上的死亡失踪事件。荥阳市崔庙镇王宗店村和崔庙村海沟寨位于索河上游的一条流域面积仅有22 km^(2)的无名沟道的上下游,相距6 km,分别有23人和19人遇难,损失极为惨重,教训极为深刻。笔者作为国务院河南郑州“7·20”特大暴雨灾害调查组之山洪地质灾害专项组专家,全程参与调查了山区4市山洪灾害预防、监测预警、应急响应、救援处置工作。针对山区4市在山洪灾害防御预案、山洪风险认知、预警信息发布、山区河道风险管理、机构改革对山洪灾害应急管理的影响、山洪灾害防治体系运行情况评估6个方面,分析了存在的问题和原因,给出了个人的思考和认识,提出了加强和改进工作的措施建议:(1)制修订山洪灾害防御预案,确保符合实际和可操作;(2)全面推行山洪灾害危险区清单管理和风险告知制度,实现风险可识、周知;(3)调整指令性预警信息发布流程,确保信息权威、直达;(4)加强山区河道监管,给洪水以流路,从源头上减少、消弭山洪风险;(5)优化防汛应急管理体制机制,水利和应急管理等部门共商共担共享共建防指平台,形成防抗救合力;(6)加大山洪灾害防治投入,持续提升基层山洪灾害防御能力。