基于“7·20”暴雨极端条件下城市洪涝应急管理改进方法

《Progress in Disaster Science》：An approach to improving the emergency management for urban flood under extreme conditions based on the “Jul.20” rainstorm

　　

近年来全球各类灾难性灾害频发且强度加剧，如2005年美国卡特里娜飓风、2008年中国南方冰冻雨雪、2008年汶川地震、2011年东日本大地震等。随着气候变化与快速城市化，暴雨引发的城市内涝灾害频繁发生，人员与财产持续向城市聚集使得同等规模暴雨造成的内涝损失空前严重。据2022年全球自然灾害评估报告，2022年洪水灾害最为频繁，比历史平均水平高出14%，造成8049人死亡，较历史平均洪水死亡人数增加20%。2021年7月17日中国河南省遭遇罕见极端特大暴雨，其中郑州于7月20日遭受极端强降雨，创下中国大陆小时降雨量新纪录，"7·20"极端特大暴雨灾害造成380人伤亡失踪，188.49万人受灾，直接经济损失409亿元。面对极端暴雨下的城市灾难性洪涝灾害，政府应急响应不足。 尽管自20世纪60年代以来城市洪涝模拟取得显著进展，但在洪涝模拟与应急管理的整合方面仍存在若干知识空白。首先，基于一维与二维耦合的物理水动力模型虽能精确描述城市洪涝演变过程中的水力变化，但现有研究大多将洪涝建模与应急管理视为独立领域，限制了模拟结果对决策者的实际适用性。其次，虽然基于情景的方法已应用于台风风暴潮、地震风险等多种灾害的风险管理，但针对灾难性洪涝灾害情景的研究相对较少，灾难性洪涝风险响应的科学依据不足。第三，当前洪涝影响研究主要集中在最大淹没深度与空间范围，对关键设施处洪涝的时间动态关注有限，而后者对于时效敏感的应急干预至关重要。 为填补上述空白，本研究提出了一种"情景-效应-任务-能力"（scene-effect-task-ability）框架，整合了灾难性情景构建、耦合水动力建模与系统性应急管理分析。灾难性情景通过将典型历史灾害——即郑州"7·20"暴雨——本地化移植至成都的地理与气候背景来构建，形成一个最坏可信情景作为城市应急响应能力的压力测试。研究人员采用耦合的降雨径流模型、一维管网模型与二维地表模型模拟动态淹没过程。"情景-效应-任务-能力"方法在传统"情景-任务-能力"基础上引入效应分析环节，将洪涝模拟输出与应急任务识别及响应能力评估相衔接。 本研究在城市洪涝应急管理研究方面做出三项主要贡献。方法论上，将灾难性情景构建与耦合水动力建模及应急管理分析整合在统一的"情景-效应-任务-能力"框架内，弥合了洪涝模拟与应急决策之间的鸿沟。情景构建方面，提出一种本地化方法，将典型历史灾害特征移植到不同城市背景，为缺乏直接灾难性洪涝经历的城市提供了可转移的最坏可信洪涝情景构建方法。可操作输出方面，引入了关键承灾体的时间窗口分析，量化了应急干预可用时间裕度——如下穿隧道关闭、地铁站停运、公交车辆撤离——将洪涝模拟结果转化为时效敏感的决策触发条件。本研究的目标包括：构建成都极端降雨条件下的本地化灾难性洪涝情景；利用耦合水动力模型模拟动态淹没过程；分析城市基础设施与承灾体的时空效应；推导应急响应任务并评估当前响应能力；提供一个可适应其他面临类似挑战城市的城市洪涝应急管理可转移框架。

研究背景与现存问题

近年来全球灾难性灾害频发且强度加剧，如美国卡特里娜飓风（2005）、中国南方冰冻雨雪（2008）、汶川地震（2008）、东日本大地震（2011）、阿富汗雪崩（2012）、尼泊尔地震（2015）、刚果埃博拉疫情（2018）、西日本暴雨洪水（2018）、COVID-19（2020）、印度洪水（2021）及日本洪水（2023）。在灾难性灾害增多的趋势下，世界面临严峻挑战。洪水是发生最快、频率最高、次生灾害影响最大的自然灾害类型。尤其随着全球气候变化与快速城市化，暴雨导致的城市内涝灾害频繁发生，同时人员与财产持续向城市聚集，同等规模暴雨造成的损失空前严重。2022年全球自然灾害评估报告显示，洪水灾害比历史平均水平多14%，造成8049人死亡，较历史平均洪水死亡人数增加20%。2021年7月17日河南遭遇罕见极端特大暴雨，郑州"7·20"极端强降雨创下中国大陆小时降雨量新纪录，造成380人伤亡失踪，188.49万人受灾，直接经济损失409亿元。相比之下，2016年北京暴雨未造成人员伤亡，而2012年北京"7·21"暴雨导致79人死亡。面对极端暴雨下的城市灾难性洪涝，政府应急响应不足。

联合国第三次世界减灾大会通过的《2015-2030年仙台减灾框架》强调早期预警系统、多灾种风险评估与综合灾害风险管理的重要性，这些均与本研究的洪涝模拟与应急管理决策耦合方法密切相关。

尽管自20世纪60年代以来城市洪涝模拟取得显著进展，但仍存在若干知识空白：第一，大多数现有研究将洪涝建模与应急管理视为独立领域，限制了模拟结果对决策者的实用价值；第二，尽管情景方法已应用于台风风暴潮、地震风险等领域，但针对灾难性洪涝灾害情景的研究较少，灾难性洪涝风险响应的科学依据不足；第三，当前洪涝影响研究主要关注最大淹没深度与空间范围，对关键设施处洪涝时间动态的关注有限，而后者对时效敏感的应急干预至关重要。

研究内容与主要结论

为填补上述空白，本研究提出了"情景-效应-任务-能力"（scene-effect-task-ability）框架，整合灾难性情景构建、耦合水动力建模与系统性应急管理分析。灾难性情景通过将郑州"7·20"暴雨典型历史灾害本地化移植至成都的地理与气候背景来构建，形成最坏可信情景作为城市应急响应能力的压力测试。研究人员采用耦合的降雨径流模型、一维管网模型与二维地表模型模拟动态淹没过程。"情景-效应-任务-能力"方法在传统"情景-任务-能力"基础上引入效应分析，将洪涝模拟输出与应急任务识别及响应能力评估相衔接。

本研究的主要贡献包括：方法论上整合灾难性情景构建、耦合水动力建模与应急管理分析于统一框架，弥合洪涝模拟与应急决策间的鸿沟；情景构建上提出本地化方法，将典型历史灾害特征移植到不同城市背景，提供可转移的最坏可信洪涝情景构建方法；可操作输出上引入关键承灾体时间窗口分析，量化应急干预可用时间裕度，将洪涝模拟结果转化为时效敏感的决策触发条件。研究目标包括：构建成都极端降雨条件下的本地化灾难性洪涝情景；模拟动态淹没过程；分析城市基础设施与承灾体的时空效应；推导应急响应任务并评估当前响应能力；提供可适应其他城市的可转移框架。

主要关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）灾难性情景构建方法，通过收集历史灾害数据选择典型历史灾害（郑州"7·20"暴雨），总结其特征后根据研究区域实际情况进行合理匹配，确定最坏可信情景；（2）降雨径流模型，将研究区域划分为若干汇水区，每个子流域简化为非线性水库模型，基于曼宁公式计算地表出流，分别考虑无洼蓄不透水面、有洼蓄不透水面和透水面的产流机制，并采用Horton入渗方程描述入渗过程；（3）一维管网模型与二维地表模型的耦合，选用动力波模型进行一维管网模拟，包含圣维南方程组中的连续方程和动量方程，实现管网与地表的交互流动模拟。

研究结果

3.1 灾难性情景构建

灾难性情景构建是一种理论方法，用于分析灾难的基本信息与后果，并根据突发事件实际情况做好预防与应急准备。最坏最大可信灾难性情景是研究极端灾害的基础。研究人员通过确定区域与灾害类型后，收集历史灾害数据选择典型历史灾害，总结其特征，再根据区域实际情况合理匹配，确定最坏可信情景。

3.2 降雨径流建模

为计算地表径流，研究人员将研究区域划分为若干汇水区，每个子流域简化为非线性水库模型。水库容量为洼地最大蓄水量，通过子流域水量平衡计算水库水深并随时间连续更新。当水库超过最大蓄水量时产生地表出流，出流量由曼宁公式计算：Q = W(d - d_p)^5/3 × S^1/2/n，其中Q为出流量（m³/s），W为子流域宽度（m），S为坡度，n为曼宁糙率系数。地表径流分为三类分别计算：无洼蓄不透水面的径流等于降雨减去蒸发损失；有洼蓄不透水面的径流等于降雨减去蒸发和洼蓄量；透水面的径流需扣除洼蓄量及入渗和蒸发的初始损失。入渗过程采用Horton方程描述：f_t = f_c + (f₀ - f_c) × e^-kt，其中f_t为t时刻入渗率（mm/h），f_c为稳定入渗率，f₀为初始土壤入渗率，k为入渗衰减系数（h^-1）。

3.3 一维管网模型与二维地表模型的耦合

由于排水管网面积大、流态复杂，存在回流、压力流和回水效应，研究人员选择动力波模型进行一维管网模拟，包括连续方程?Q/?x + ?A/?t = 0和动量方程。

讨论与结论

关于灾难性洪涝灾害应对的研究现状表明，灾难最初主要用于保险基金领域，近年来灾难频发使防灾、救灾和灾评迅速进入公众视野。灾难性洪涝灾害是最具破坏性的自然灾害之一，可导致重大人员伤亡、基础设施大规模损毁、严重经济损失和社会混乱。气候变化加速、城市化加快、规划不当等因素叠加增加了灾难性洪涝的破坏力。

美日及欧洲发达国家自20世纪60年代起致力于城市暴雨内涝模拟研究，70年代开发并完善了一系列城市暴雨内涝模型。内涝模型发展可分为三个阶段：经验模型、概念水文模型和物理水动力模型。经验模型基于经验方程计算城市径流，结构简单、参数少、数据质量要求低，但模拟精度不足。概念水文模型利用GIS技术将研究区域划分为多个汇水单元分别模拟径流过程。物理水动力模型基于一维和二维水动力学，将研究区域划分为网格，具有分布式特点，能精确描述城市洪涝演变过程中各水力要素的变化。

在预警预报方面，遥感与数值天气预报等技术自20世纪90年代以来迅速发展。洪水预报技术的发展方向之一是将数值预报与水文模型单向耦合，研究区域主要集中在流域层面，城市区域洪水预报研究相对较少。城市内涝常由短历时强降雨引起，具有突发性、降雨强度大和空间分布不均的特点。

1967年情景概念首次被提出，随后学者从不同角度定义其内涵。20世纪40年代美国将情景分析应用于军事领域，随着对应急准备的日益重视，情景方法在国际上广泛应用于多个领域，如日本地震灾害应急管理。基于情景的灾害风险管理是通过分析灾害情景的可能性及相应后果来确定风险防控措施。Li等人提出了基于情景的自然灾害风险分析方法与定量评价模型，以台风风暴潮为例验证了方法的可行性。此后，Li等人提出了不确定性条件下应急疏散管理与风险分析的基于情景建模方法，提高了核应急管理中的风险响应与灾害应对能力。Bousso采用基于情景的设计方法连接信息系统设计与公共卫生及应急管理。Henly-Shepard等人提出了基于情景建模的三阶段社会学习框架帮助社区降低风险。Kwesi-Bouor等人利用基于情景的系统动态分析方法研究政策干预对应急准备中风险缓解的影响。Pavel和Vacareanu提出了基于情景的地震风险评估方法并分析了六个地震情景。Chen等人基于情景模拟评估了暴雨致城市内涝灾害下居民疏散情况。Rohmat等人基于洪涝模拟确定了管理洪水风险的建议。

目前关于灾难性洪涝灾害的研究相对较少，灾难性洪涝风险响应的基础不够充分，需要在以下方面突破：内外动力因素影响下灾难性洪涝孕育、形成、演化与成灾的过程与机理；灾难性洪涝的系统感知与风险识别；灾难性洪涝的复合链式演化；灾难性洪涝的预警预测；灾难性洪涝的科学响应与处置；全社会抗御灾难性洪涝能力的提升。灾难性洪涝后果严重，因此极端情况下城市灾难性洪涝情景的科学构建可以预先分析可能产生的巨大后果，并能像压力测试一样检验政府的应急响应能力，对应急响应能力的提升具有重要参考价值。