2.2　城镇化对城镇洪涝灾害的影响

2.2.1　城镇化对暴雨径流的影响

暴雨径流是酿成城镇洪涝的激发因子，随着城镇化的发展，城镇暴雨径流有增大的趋势。本节分别就城镇化对暴雨和径流的影响进行讨论。

2.2.1.1　城镇化对暴雨的影响

1.城镇化后降雨量有增加的趋势

城镇化对降水的影响，不仅是城市水文学的重要课题而且也是气候学中需要研究的一个重要课题。不少学者在实测降水资料的基础上，从不同的角度做了大量分析。

（1）国外情况。

1）城市化前后的对比。

a.美国爱兹维尔用1910—1940年未经城市化前的降水量和1941—1970年已经城市化后的降水量进行对比，发现城市化后的降水量比未经城市化前的降水量增加4.25%。

b.位于地中海气候区的特拉维夫市附近有8个长期观测的气象站，比较未城市化前（1901—1930年）和城市化发展速度甚快时（1931—1960年）的降水量，单就11月份降水量而论，后30年比前30年增加了16%。各站的年降水量近30年来增加了5%～17%。

c.意大利那布勒斯城的降水资料表明在1886—1945年这段长时期中降水量没有明显变化，但是在1946—1975年，随着城市化的发展，降水量比前一时期增加了17%。

2）同时期城市与郊区的平行对比。

a.瑞典学者对首都斯德哥尔摩与其附近的乌普萨拉的1861—1910年50年的降水资料进行比较，发现斯德哥尔摩的降水量随时间进展而明显增加，反映了城市化发展对降雨量的影响见表2.2。

b.莫斯科、慕尼黑和美国的芝加哥、厄巴拉、圣路易斯等城市的降水量都比附近郊区多，其年平均降雨量的差别见表2.3。

c.印度科学家Khemani和Murty曾对孟买地区雨季降雨量做过分析。该地区有五个雨量站，其中两个站位于非城市化的郊区并与孟买有同期70年（1901—1970年）的观测资料。在这段时期中城区在1940年以后工业发展很快，城市化程度迅速提高。绘制城区与非城区雨季降水量的双累计曲线（图2.4）可以看出在1940年前后的明显转折，说明城市化后雨季降水量确有明显增大的趋势。利用这些资料，可分别计算城区和郊区不同时期的平均增量。计算结果表明，城市化前后相对提高了11.1%。

（2）国内情况。

1）城市化后城区降雨量明显大于郊区。

a.据北京市42个雨量站1983—1988年汛期（6—9月）雨量资料统计，城区雨量较郊区雨量大6.9%～15.1%，见表2.4。

b.浙江省嘉兴市，以邻近峡石、南浔、乌镇、桐乡4站为参证站，取用1965—1988年同步期、不同历时（1h、3h、6h、12h、24h）降雨量（同步系列，年最大值选样）资料，计算出各自的统计参数（均值，Cv）及50年一遇设计暴雨量，列于表2.5。由表看出，嘉兴市不同历时降雨量的均值及50年一遇设计值均明显大于郊区各站的相应值，形成一个以嘉兴市区为中心的相对高值区。

c.天津市，以耳闸站作为城区代表站，选取郊区城市化影响相对较小的筐儿港、张头窝、黄花店、东堤头、杨柳青、万家码头、九宣闸七个站作为参证站进行分析。

城区耳闸站和其临近站同选1973—1992年（同步系列）不同历时（1h、3h、6h、12h、24h）降雨量（年最大值选样）资料。计算出各自的统计参数（均值，Cv）及50年一遇设计暴雨量，列于表2.6。

2）城市化后城区设计雨量大于郊区。由表2.6可知，天津市耳闸站不同历时降雨量的均值及50年一遇设计值均明显大于郊区各站的相应值，形成一个以市区（耳闸站）为中心的相对高值区。

城市化影响使市区各时段的设计暴雨量较郊区明显增加，由此直接影响城市排水工程的设计。

3）城市化后降雨年内分配发生变化。选耳闸、东堤头两站1962—1988年的降雨资料，分别按表2.7中所列年段统计该年段的平均年降雨量、7—8月降雨量和7月下旬至8月上旬降雨量（该时段为海河流域主汛期）进行分析。

由表2.7中可以看出：东堤头站各年段主汛期降雨量约占相应年段7—8月降雨量的一半，同时约占年降雨量的1/3；耳闸站在1962—1975年年段，平均主汛期降雨量（7月下旬至8月上旬）占7—8月及占年降雨量的比值与东堤头站的情况接近，而1976—1988年年段耳闸站各项降雨量的比值较1962—1975年年段的相应项比值明显偏小。

2.城区暴雨出现频次明显多于城郊

城市化快速发展年段，城区日雨量大于50mm的平均天数增加。

（1）以北京市为例，城区站1962—1988年年段，日雨量大于等于50mm的暴雨日数平均每年约2.3d；而同期郊区站相应量级的暴雨日数则平均为1.8d。

（2）以天津市耳闸站（代表城区）、东堤头站（代表城郊）以及浙江省嘉兴（代表城区）、桐乡（代表城郊）为例分别进行比较。大致认为：1962—1975年年段代表城市化初始阶段，1976—1988年年段代表城市化较快速发展阶段。暴雨日数（指日雨量大于等于50mm的天数，以下同）及t检验结果列于表2.8。

由表2.8可看出，在1976—1988年期间年均日雨量大于等于50mm的暴雨日数，天津市城区（耳闸站）与浙江省嘉兴市城区分别为3.15d和3.08d；而在1962—1975年年段，两地暴雨日数分别仅1.57d与1.50d。同时还可看出，在城市化发展的1976—1988年年段，天津市城区与浙江嘉兴市城区日雨量不小于50mm的暴雨日数都明显多于相应郊区的暴雨日数；而在城市化初期的1962—1975年年段，城区与城郊日雨量不小于50mm的暴雨日数并无显著差别。

为了检验上述四站暴雨次数系列一致性的差异，采用了t检验法，根据各站逐年暴雨次数系列，按式（2.1）计算统计量|t|：

检验时，将上述各站的暴雨日数系列分成两个统计时段，即1962—1975年年段与1976—1988年年段，分别求出|t|值，当|t|＞tα，表明两年段的暴雨发生次数有显著差异，否则表明两统计时段的一致性较好。经计算，天津市耳闸站与浙江省嘉兴站的|t|分别为3.28与2.24；而天津市郊的东堤头站与浙江省嘉兴郊外的桐乡站|t|则分别为0.49与0.66。若给定信度α=0.05，则按t分布表查得tα=2.20，可见天津市耳闸站与浙江省嘉兴站的|t|＞tα。表明城市化后，天津市区与嘉兴市区的暴雨日数确实显著高于城市化快速发展以前，同时也说明城市化发展前后大于50mm降雨的雨日系列存在不一致性，而天津市郊的东堤头站与嘉兴市郊区的桐乡站则|t|＜tα，表明该两地大于50mm的暴雨雨日数的一致性没有显著变化。

此外，还可看出天津市耳闸站的|tα|大于嘉兴站的|tα|，说明天津市的城市化发展速度高于嘉兴市的发展速度。

从耳闸站与东堤头站以及嘉兴站与桐乡站的主汛期雨量（7月下旬至8月上旬）、7—8月降雨量和年降雨量的双累积曲线也可以看出城市化快速发展前后（1977年左右）有明显的趋势性变化（双累积曲线发生转折）。这意味着天津市与嘉兴市的城市化开始快速发展以对城市降雨产生了趋势性影响。现以耳闸站与东堤头站为例，点绘双累积曲线，见图2.5。

从图2.5中可以看出：每组双累积曲线均大致在1977年（1978年）点据附近发生转折，显示出城市化影响在20世纪70年代后期有所增强。比较三条累积曲线可见：城市化影响对7—8月降雨量比较明显、年雨量次之、主汛期降雨量相对较小（时日较短）。

3.城市化引起暴雨变化的主要物理机制

（1）城市热岛效应。工业化，使城区的二氧化碳等气体和微粒含量增多，以及大量的人工热源使得城市的气温明显高于附近郊区，这种现象称为“热岛效应”。这种热岛效应加剧城市空气的层结不稳定，有利于产生热力对流。当城市水汽充足时，就容易形成局地对流云和对流性降水，从而导致城市降水次数增多、降雨量加大。

（2）城市阻滞效应。城市化发展，使得城区建筑群增多、且高低不一，于是使城市的粗糙度远大于郊区。这不仅引起湍流，而且对稳动滞缓的降水系统（如静止锋、静止切变、缓进冷锋等）产生阻滞效应，使其移动速度减缓，在城区滞留时间加长，导致城区降水强度增大，降水历时延长。

此外，城市凝结核的增多，也是使降水增多的又一因素。

城市化影响降水的机制，以城市热岛和城市阻碍效应最为重要。

2.2.1.2　城镇化对径流的影响

城镇化的一个显著特点是地下排水管道增多，地面排水能力加大（如增加泵站）。暴雨发生时，地上、地下排水错综复杂，使区域的降雨径流关系远较自然流域复杂。

首先，下垫面发生变化，随着城市化进程的加速，城区土地利用发生了巨大的变化，如清除树木、平整土地、建造房屋、修筑道路、整治排水河道，垦殖水域、洼地，缩小水面率、增加不透水面积。据统计全国城市建设用地面积由1990年的11608km2增加到2010年的39758.4km2，增加2.4倍。从而减少了蒸散发与林木截留、减少下渗并降低了地下水位、加快雨水沿路面的汇集速度，使雨期径流增加（洪峰增大，峰形尖瘦，地面径流量增大），且减少基流。

其次，城市排水系统的影响，因地下排水管道与泵站的兴建，加快了城区雨水的排泄速度，1949年全国只有103个城市有排水设施，排水管道总长6035km。1978年全国城市排水管道长度为2.0万km，到2010年达到37万km，较1978年增长17.5倍；致使汇流速度加快，河道地表径流增多。

第三，城市河道因整治而发生很大改变，由于城市建设的需要而进行河道整治、疏浚、裁弯取直、兴建排洪沟等工程，进一步加快水道的排水效率，从而加重下游的洪水问题。下面举几个实例，具体阐述城镇化对径流的影响。

1.市区面积扩大，不透水面积增多，致使地表径流增多

随着城市化的发展，市区面积逐渐扩大，不透水面积增多，导致城市地表径流增多。以天津市为例，城市化的发展加速了市政建设，市区不透水面积增加和新的排水管网的大量布设，大大改变了雨洪的形成条件。从而使城市排水和防洪问题更加突出。为了说明市区不透水面积变化和市区面积扩大对暴雨积涝的影响，选择1978年8月9日和1984年8月10日两次降雨过程，采用美国城市雨洪管理模型（SWMM），对两次暴雨所造成的洪水总量及洪峰流量的加大情况进行了模拟计算，见表2.9和图2.6。

由表2.9和图2.6可以看出，由于城市的发展，市区规模扩大和市区不透水面积增加，使降雨入渗减少、径流系数加大，致使地面径流量和洪峰流量加大。

2.相同暴雨条件下，城市化后洪水峰值加高、形状变陡

城市化后，城市改变了流域的自然面貌，直接影响了雨洪的形成过程，增大了洪水总量，加快了汇流速度，使洪峰增高和峰现时间提前，加剧了洪水的威胁。这是近年来各大城市洪灾频繁发生的原因之一。据北京市对实测雨洪资料分析，城郊非城市化地区降雨小于100mm基本不产流，且大雨的径流系数也在0.2以下；城区，由于大部分为不透水地面，降雨损失明显减少，实测洪水的径流系数经达到0.4～0.5；其中，流域汇流情况改变更为明显，如单位线洪峰提高约一倍，峰现时间缩短约2h。

现以北京市通榆河乐家花园站20世纪60年代前后两次雨洪过程与80年代的一次洪水过程的对比为例，洪水过程线绘于图2.7，并将相应的雨量列于表2.10。由表2.10可知，这三次洪水，无论降雨总量或最大1h雨量都十分接近；但是，1983年那次洪水的洪峰流量几乎两倍于60年代前后的两次洪水的洪峰流量，图2.7显示出1983年洪峰高、形状陡峭的特点。

再以四川峨眉径流试验站保宁小区无因次单位线为例，自1964年西南交大在当地建校后，不透水面积增加，使得无因次单位线明显增高，见图2.8。

由图2.8可以看出，用消除降水因素影响的单位线进行对比更能说明城市化对洪水的影响。

又据文献报道，北京市百万庄小区的下渗试验结果表明，在60min的人工降雨实验中，新沥青路面下渗损失为2.8mm，而草地下渗损失则为46.9mm。另外，尽管下渗的雨水经过地下也都会慢慢流入河道，但因不同地面状况大大改变了地表径流与地下径流的比例分配，从城市排水角度看，地表与地下径流比例的改变势必引起设计排水强度的变化，从而影响排水设施的规划安排。

2.2.2　城镇洪涝灾害归因分析

城市洪涝灾害的致灾因子主要包括两大类：一类是洪涝源，即所谓的激发源，我国的洪涝源绝大多数来自暴雨洪水；另一类是承灾体，即所谓的受灾对象，主要包括城市的自然地理环境、经济社会发展状况和防洪除涝能力等。一般而言，在相同洪涝源条件下，承灾体不同，造成的洪涝灾害程度可以有很大的差异。在分析城市致灾洪涝源时，不仅要分析城市暴雨洪水的一般特性，更要认识我国城市暴雨洪水的特殊性。

造成城市水灾损失的另一重要因素是内涝。或因外河水位高，城区涝水成灾；或因当地暴雨大，城区排水能力不足；或二者兼而有之。

城市除涝标准一般都较低，大都3～5年一遇，城区排水标准更低，一般采用1年一遇左右的暴雨强度标准。不过，关于排水标准，需要说明的是，一般所谓的城区排水标准是针对单一地下管道的排水能力而言的，而非城市全部地下管道排水能力的总和。相反，一般天然流域的防洪标准则指的是流域出口断面总和的行洪能力，而非流域面上大小支流的单一排水能力。城市排水标准与河道防洪标准其内涵不同，不宜比较。

2.2.2.1　城市洪涝致灾源的特殊性

城市遭受洪涝灾害不仅与大江大河洪水有关，还同众多中小河流洪水有关。据全国水利普查统计，我国流域面积大于100km2的河流有22909条，大于1000km2面积的河流有2221条，1万km2以上的河流有228条。我国有93%的城市位于中小河流之滨，且大多数防洪标准不足10～20年一遇，众多设防标准更低的中小河流大多位于我国暴雨洪水频发区，这是我国城市防洪除涝面临的最为严峻的形势。

我国城市致灾洪涝源的特殊性如下：

1.洪涝源分布范围很广

中国位于亚洲季风气候区，季风气候决定了中国雨季在年内的高度集中。每当夏季风北上，西南、东南暖湿气流与西风带系统冷空气相遇，或者受台风影响时，往往产生大暴雨或特大暴雨。根据暴雨资料及200场登陆台风资料的统计分析，并参照王家祁的《中国暴雨》中图6.4“中国年最大24h点雨量均值等值线”的50mm等值线南北走向趋势，可以大致确定一条暴雨频发分界线，见图2.9。这条暴雨频发分界线从云南经四川、陕西、山西、河北到东北小兴安岭、该线几乎与台风伸入内地的边缘吻合（王家祁《中国暴雨》图3.5），亦与年暴雨日数均值等于1的等值线（王家祁《中国暴雨》图10.1）基本相合。在这条暴雨频发分界线以东为暴雨频发区，也正是中国七大江河中下游与沿海诸河受洪水威胁严重的地区。中国的洪灾主要由暴雨造成，特别是城市内涝更与短历时、高强度暴雨密切相关。中国暴雨的极值分布是东部大于西部，但东部地区的南北差异不大。例如，最大24h雨量，南方有台湾的新竂1672mm，海南的天池962mm，江苏的潮桥822mm；北方有河南的林庄1060mm，河北的獐么952mm，辽宁的复兴1000mm（调查），内蒙古的才多才当1400mm（调查）。中国的城市绝大多数都位于东部暴雨洪水的频发地区。据统计，位于暴雨分界线以东25个省（自治区、直辖市）内，有防洪任务的城市共617座，占93.5%。暴雨频发区与城市空间分布的叠合是中国城市深受洪水威胁的根本原因。

2.大暴雨洪水发生频繁

暴雨活动的随机性很强，就一个城市而言，发生高强度大暴雨的机会可能很小；然而，就一个广大地区上的城市群来说，同一量级暴雨出现的机会就会很多，城市遭遇暴雨洪水袭击的可能性也就很大。中国最大点暴雨记录大多集中于东部几个有地形突变的地区，西部大多地区暴雨极值较小，见中国实测和调查最大60min、6h和24h点雨量分布见图2.10～图2.12。

据不完全资料统计，在1958—1983年的26年间，全国18个省（自治区、直辖市）内918条集水面积为100～1000km2的中小河流中，有117个流域出现过50年一遇以上的大洪水。

对于一个局部地区而言，出现大洪水的概率可能很小；然而，对于一个较大范围而言，这一量级的大洪水出现的机会就会很多。例如，据黄河支流泾河2万km2范围内小流域洪水资料出现概率的分析，在50km2一个局部范围内出现的50年一遇大洪水，若出现在2万km2范围内，其概率只有2年一遇。因此就大范围内城市群整体而言，城市遭受大暴雨洪水袭击的机会自然十分频繁了。

3.局部洪水强度极具毁灭性

中国局部洪水强度之大是十分惊人的，位于中小河流沿岸的城市，一旦遭遇大洪水的袭击，是很难避免洪水灾害的。图2.13展示出1000km2流域面积出现100年一遇洪峰流量分布图。

图2.13上存在一条流量为3000m3/s的分界线，几乎与暴雨分界线吻合，该线以东，太行山东侧、河南省西部山丘区、江淮平原、浙江沿海与广西等地，面积在1000km2以上的流域、100年一遇的洪峰流量可以大到1万m3/s以上，这种量级的洪水已经接近世界纪录，就目前城市防洪能力而言，是很难抵御的。例如，湖南省资水安化县，1998年6月12—24日13d内，累计降雨870mm，全县29个乡镇受灾，直接经济损失13亿多元；安徽省潜山县，1996年6月23日—7月19日，县城降雨972mm，县城5次进水，直接经济损失4380万元。

我国设市城市中，有93.5%的城市受到洪水威胁，其中有600座城市处在暴雨洪水频发地区；特别严重的是，中国的自然地理环境与独特的暴雨条件，导致中国暴雨洪水具有接近世界纪录的强度，摧毁力极强。

2.2.2.2　城市化后洪涝承灾体的变化

由于农田变为城区，城市受灾源从以农业损失为主的地区变为以第二、第三产业损失为主，土房损失变为砖石结构的房屋、地下商场、地下建筑物损失。车辆损失大幅增加，人员伤亡减少，资产损失大幅增加（表现为损失类型的变化）。由于承灾体的变化导致损失类别及其损失率的变化，因而在相同的暴雨、洪水量级和淹没水深条件下，不同承灾体的灾害损失大不相同。

城市承灾体损失包括直接经济损失和间接经济损失两类：

1.承灾体直接经济损失类别

主要包括农作物减产损失，林、牧、渔业损失，工矿、商业企业固定资产（房屋、机械、生产经营设备、交通运输工具等）、流动资金（原材料、成品、半成品及库存物资等）的财产损失与工商企业因淹停工、停业而减少创造的社会财富、减少的净产值；交通运输线路破坏（如铁路、公路的路基、桥涵、航运的码头、航道、船闸、航标等的破坏）损失和中断运输造成的损失；供电、通信、输油、输气、输水设施及管线破坏损失和中断供电、供油、供气、供水及中断通信造成的损失；市政工程设施破坏损失（如水利水电工程和城市各类市政设施）；城乡居民财产损失（房屋、生产交通工具、家用电器、家具、衣被、粮草、畜禽等）；信息、金融、高科技产业以及其他方面的洪灾损失等。

2.承灾体间接经济损失类别

主要包括三部分内容：

（1）抗洪抢险、抢运物资、灾民救护、转移、安置、救济灾区、开辟临时交通、通讯、供电与供水管线等的费用。

（2）由于洪水淹没区内工商企业停产、农业减产、交通运输受阻或中断，致使其他地区有关工矿企业因原材料供应不足或中断而停工、停产及产品积压造成的经济损失，以及淹没区外工矿企业为解决原材料不足和产品外运采用其他途径绕道运输所增加的费用等造成的“地域性波及损失”。

（3）洪灾以后，原淹没区内重建在恢复期间农业净产值的减少；原淹没区与影响区工商企业在恢复期间减少的净产值和多增加的年运行费用；以及恢复期间用于救灾与恢复生产的各种费用支出等“时间后效性波及损失”。

间接经济损失的第一部分通过实地调查统计求得；后两部分损失的估算大致可分为直接估算法与经验系数法两种。

由上可知，城市与非城市承灾体存在巨大的差异，损失率的不同，在相同暴雨洪水条件下，损失自然大不相同。