張之琳，邱 靜，程 濤，黃本勝，馮紫熒

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510635；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海 519000)

1 研究背景

粵港澳大灣區(qū)(以下簡稱大灣區(qū))包括廣東省廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、東莞市、中山市、江門市、肇慶市(以下簡稱廣東九市)和香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)，總面積5.6萬km2，2020年總?cè)丝诩s8600萬，城鎮(zhèn)化率88.3%，是世界上人口密度最大、土地面積最廣的灣區(qū)。大灣區(qū)海港群和空港群眾多、基礎(chǔ)設(shè)施密集，在國家發(fā)展大局中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位。

大灣區(qū)位于珠江流域下游，東、西、北三面環(huán)山，濱海區(qū)域地勢低平，直面南海。大灣區(qū)地處亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，臺風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣多發(fā)，使大灣區(qū)面臨珠江流域洪水、臺風(fēng)暴潮與城市暴雨洪澇等水災(zāi)威脅。目前，大灣區(qū)外江防洪(潮)系統(tǒng)能力已達到50～200年一遇，但城市暴雨洪澇防御系統(tǒng)能力僅約為10～20年一遇[1]。同時，隨著城市化進程加快、氣候變化加劇，暴雨日數(shù)增多、強臺風(fēng)頻次增加[2]；加上近40年外海海平面波動升高[3]，大灣區(qū)“城市看?！爆F(xiàn)象連年發(fā)生，嚴重威脅到人民群眾生命安全和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。如廣州市“2020.5.22”[4]、深圳市“2019.4.11”暴雨導(dǎo)致城市出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇，分別造成4人、11人死亡。雖然城市基礎(chǔ)設(shè)施在不斷完善，但城市洪澇問題已成為制約大灣區(qū)經(jīng)濟社會健康發(fā)展的突出瓶頸。

《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》和《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強城市內(nèi)澇治理的實施意見》明確要求因地制宜、因城施策，提升城市防洪排澇能力，解決城市內(nèi)澇問題[5-6]。本文將分析典型城市洪澇現(xiàn)象并概括大灣區(qū)洪澇的基本特征，重點從降雨、臺風(fēng)暴潮、海平面變化等方面對城市洪澇問題的驅(qū)動要素開展剖析，可為完善大灣區(qū)城市洪澇防治體系、整體提升城市防洪除澇能力提供基礎(chǔ)和思路。

2 城市洪澇災(zāi)害及特征

2.1 典型洪澇現(xiàn)象洪澇災(zāi)害是嚴重的自然災(zāi)害，根據(jù)歷年《中國水旱災(zāi)害公報》，2006—2018年，全國平均每年有152座縣級以上城市受到洪澇災(zāi)害的影響。大灣區(qū)中心城市之一的廣州市近年來幾乎每年發(fā)生城市內(nèi)澇，經(jīng)統(tǒng)計，2016—2020年五年間廣州發(fā)生了19次嚴重內(nèi)澇現(xiàn)象，詳見表1；其中，5—6月的鋒面雨和8—9月的臺風(fēng)雨分別帶來11次和5次內(nèi)澇事件。洪澇災(zāi)害不僅會造成人民群眾生命財產(chǎn)的巨大損失；而且城市道路積水易引發(fā)交通擁堵，若遇上早高峰或重要節(jié)日，將帶來巨大的社會影響。

表1 2016—2020年廣州市出現(xiàn)的嚴重內(nèi)澇現(xiàn)象

大灣區(qū)其他典型洪澇事件包括：2011年10月14日，佛山市發(fā)生暴雨到大暴雨，日降雨量最大值232.5 mm，致部分地區(qū)出現(xiàn)內(nèi)澇積水，最大水深0.31 m；2014年5月11日，深圳市遭遇特大暴雨襲擊，暴雨中心最大6小時、24小時降雨量均超100年一遇；2014年5月下旬，廣州市流溪河出現(xiàn)超100年一遇洪水；2015年5月4日，受強降雨影響，佛山市有18處低洼地區(qū)及道路、20畝水田出現(xiàn)短時積水，最大水深0.45 m；2018年8月27日—9月1日，惠州市西枝江發(fā)生特大洪水，白盆珠水庫出現(xiàn)超100年一遇的最大入庫流量；2019年4月11日，極端短時強降水導(dǎo)致深圳市多個區(qū)域突發(fā)洪水并造成部分區(qū)域受災(zāi)，致11人遇難。強鋒面雨和臺風(fēng)雨是引發(fā)大灣區(qū)城市洪澇的主要原因，深入分析強降雨特征對大灣區(qū)預(yù)防災(zāi)害風(fēng)險具有重大意義。

2.2 洪澇類型及特征大灣區(qū)地勢北高南低，中心區(qū)基本位于中部平原地區(qū)，城市濱江臨海而建，超標準降雨、臺風(fēng)、外江高潮位頂托內(nèi)河涌使區(qū)域洪災(zāi)、城市內(nèi)澇、臺風(fēng)暴潮等洪澇問題突出。大灣區(qū)洪澇災(zāi)害特征概括如下：(1)珠三角網(wǎng)河區(qū)上承西江、北江、東江來水，又納南海海潮，洪潮交匯，水動力條件復(fù)雜。洪澇主要是由鋒面雨和臺風(fēng)雨造成，當上游降雨造成較大洪水，下游又恰遇天文大潮，洪水排泄不暢，極易引發(fā)特大洪水與內(nèi)澇災(zāi)害。(2)廣東省汛期時長可達7個月，其中5月21日—6月20日“龍舟水”期間降雨集中，極易引發(fā)江河洪水、城鄉(xiāng)內(nèi)澇等災(zāi)害。(3)臺風(fēng)和風(fēng)暴潮災(zāi)害突發(fā)性強，往往幾個小時內(nèi)就釀成巨大災(zāi)害，影響嚴重的臺風(fēng)一般在1～2天內(nèi)形成，甚至數(shù)小時內(nèi)發(fā)生[7]。(4)9—11月為廣東沿海季節(jié)性高海平面期[3]，也是臺風(fēng)風(fēng)暴潮高發(fā)期，若在天文大潮期附近，易發(fā)生風(fēng)暴潮增水、季節(jié)性高海平面和天文大潮三者疊加的情況，形成災(zāi)害性高潮位；此時發(fā)生的風(fēng)暴潮和強降雨更易造成嚴重的洪澇災(zāi)害。

圖1 廣東省歷年洪澇災(zāi)害受災(zāi)人口和直接經(jīng)濟總損失

2.3 洪澇災(zāi)害經(jīng)濟損失及變化趨勢文獻[8]的研究指出1980年代以來，中國氣象災(zāi)害影響范圍逐漸擴大、影響程度日趨嚴重，直接經(jīng)濟損失不斷增加，但因災(zāi)死亡人數(shù)持續(xù)下降。為研究大灣區(qū)洪澇災(zāi)害影響及變化趨勢，首先分析廣東省1982—2020年洪澇災(zāi)害受災(zāi)人口和直接經(jīng)濟總損失，見圖1。結(jié)果顯示，近40年經(jīng)濟損失和受災(zāi)人口的年際變化具有相似性，但5年滑動平均值變化趨勢不同；經(jīng)濟損失波動增加，近10年達到峰值，部分原因是2013年臺風(fēng)“尤特”、2013年臺風(fēng)“天兔”、2014年西枝江特大洪水、2017年臺風(fēng)“天鴿”、2018年臺風(fēng)“山竹”分別造成直接經(jīng)濟損失約167億元、235億元、70億元、11億元、52億元。自然災(zāi)害具有區(qū)域性，其中2019年廣東省洪澇重災(zāi)區(qū)為河源、韶關(guān)，兩市因洪澇災(zāi)害直接經(jīng)濟損失占全省的84.9%，而大灣區(qū)九市占比2.9%；2020年洪澇重災(zāi)區(qū)為廣州、惠州，造成大灣區(qū)九市的經(jīng)濟損失占全省的93.1%；即近2年廣東省21個地市約一半的經(jīng)濟損失發(fā)生在大灣區(qū)九市，大灣區(qū)城市洪澇問題嚴峻。

3 城市洪澇驅(qū)動要素分析及初步對策探討

3.1 降雨

3.1.1 降雨量與降雨日數(shù) 在城市下墊面條件一定的情況下，強降雨是造成城市內(nèi)澇的主要原因，首先研究大灣區(qū)降雨年際變化規(guī)律。通過對比近20年大灣區(qū)各城市年降雨量變化趨勢，得廣東九市與香港、澳門趨勢具有相似性，因此選取香港、澳門長時間序列年降雨量和降雨日數(shù)數(shù)據(jù)進行分析，見圖2(空白區(qū)域為數(shù)據(jù)缺失年份)。結(jié)果顯示，100多年來香港和澳門的年降雨量都整體波動增加，平均每年增加值分別為2.23 mm、3.66 mm；10年滑動平均值的波動波長約為26年；降雨日平均雨量變化趨勢與年降雨量類似。近30年降雨量有下降趨勢，這與大灣區(qū)城市快速擴張的直接關(guān)系不明顯；根據(jù)趨勢可推測在未來一段時間內(nèi)大灣區(qū)年降雨量會繼續(xù)波動增加，且日降雨量更大。

圖2 年降雨量與降雨日平均雨量變化

3.1.2 暴雨情況 極端降水是引發(fā)城市洪澇事件最直接的驅(qū)動要素，以香港、澳門為例，分析大灣區(qū)暴雨日數(shù)變化趨勢，見圖3、圖4。結(jié)果顯示，140年來在降雨日數(shù)顯著波動減少的背景下(平均每十年減少1.55 d)，香港的暴雨日數(shù)波動增加(平均每10年增加0.22 d)。120年來澳門的暴雨日數(shù)波動增加(平均每10年增加0.28 d)但波動較香港更大。澳門暴雨日降雨量占全年比例雖然近30年在減少，但長期呈增加趨勢；1960年以前10年滑動平均值不足40%，但近60年可達50%以上。根據(jù)10年滑動平均值趨勢結(jié)果可推測將來大灣區(qū)暴雨日數(shù)會繼續(xù)波動增加、降雨會更集中于暴雨日，需承受的極端降雨風(fēng)險變大，這使得城市內(nèi)澇出現(xiàn)的風(fēng)險增加[8-9]。

圖3 1881—2020年香港暴雨日數(shù)與降雨日數(shù)變化

圖4 1901—2020年澳門暴雨日數(shù)與暴雨日降雨量占比變化

圖5 2011—2020年汛期降雨量占全年比例

3.1.3 汛期降雨情況 大灣區(qū)降雨年內(nèi)時間分布不均，汛期(自每年3月起廣東省內(nèi)86個國家氣象觀測站中累計有一半以上站點日雨量大于或等于38 mm的入汛日，至后期發(fā)生洪澇等災(zāi)害的風(fēng)險明顯降低的汛期結(jié)束日，一般為每年4月中旬至10月中旬)雨水強盛，局部強降雨可導(dǎo)致城市洪澇增多。以廣州、東莞、惠州為例，分析近10年汛期降雨量占全年雨量比例見圖5。結(jié)果顯示，廣州、東莞、惠州汛期降雨量占比在一定范圍內(nèi)波動，分別為74%～94%、65%～90%、63%～90%；三市10年的平均值約為81%?！褒堉鬯笔乔把雌诮邓衅?，以廣州市為例分析大灣區(qū)降雨集中程度。圖5顯示，近10年廣州龍舟水期間降雨量占全年比例為14%～35%(平均值為22%，約為汛期降雨量的1/4)，且有上升趨勢。大灣區(qū)集中在汛期、龍舟水期的降雨可能引發(fā)城市洪澇問題。

3.1.4 大灣區(qū)降雨分布 大灣區(qū)降雨空間分布也不均。有關(guān)研究表明[10]，在城市熱島效應(yīng)、凝結(jié)核效應(yīng)、高層建筑障礙效應(yīng)等的影響下，城區(qū)的年降水量、汛期雷暴雨的次數(shù)和暴雨量高于郊區(qū)。大灣區(qū)各城市的城鎮(zhèn)化率不同，將其看作一個“大城市”，城鎮(zhèn)化率相對低的城市看作其“郊區(qū)”，對大灣區(qū)降雨分布進行分析。各城市2001—2020年20年年平均降雨量、氣溫及2020年城鎮(zhèn)化率見圖6。結(jié)果顯示，大灣區(qū)各城市氣溫與其城鎮(zhèn)化率具有一定的正相關(guān)性(圖7(a))，呈現(xiàn)出“熱島效應(yīng)”。香港城鎮(zhèn)化率最高、氣溫最高；與之對應(yīng)，肇慶市城鎮(zhèn)化率最低、氣溫最低；但各城市降雨量與其城鎮(zhèn)化率的相關(guān)性低(圖7(b))。根據(jù)江門、珠海的降雨量，得大灣區(qū)降雨主要分布在沿海城市。城鎮(zhèn)化對洪澇的影響主要體現(xiàn)在增大城市流域的徑流量和洪峰流量，并降低流域的基流和城市周邊區(qū)域地下水和地表水的交互過程[11-15]。一般來說，城市熱島效應(yīng)可能導(dǎo)致各城市區(qū)域極端暴雨的頻次及強度增加[16-17]；但對于大灣區(qū)，地理位置對各城市降雨量的影響更大，更下游的沿海城市面臨更多的鋒面雨和臺風(fēng)雨影響。

圖6 大灣區(qū)各城市降雨量及氣溫分布

圖7 2020年城鎮(zhèn)化率與20年平均氣溫、降雨量的關(guān)系

圖8 30年降雨量統(tǒng)計值與溫度統(tǒng)計值的關(guān)系

3.1.5 溫度變化與降雨量的關(guān)系 降雨與氣候變化的關(guān)系密切，IPCC第六次評估報告指出，全球氣候變化會導(dǎo)致極端降水的頻率和強度持續(xù)增加[18]。為研究大灣區(qū)長時間序列溫度變化與降雨量的關(guān)系，分析香港、澳門、珠海30年降雨量統(tǒng)計值(如1881—1910年的統(tǒng)計值計為1910)與對應(yīng)溫度統(tǒng)計值的關(guān)系，見圖8。結(jié)果顯示，香港、澳門、珠海的溫度都隨時間明顯上升，尤其近50年上升0.3～0.6 ℃。140年來香港降雨量波動變化(圖2(a))，但降雨量與溫度統(tǒng)計值的正向關(guān)系較強。近50年澳門降雨量減少(圖2(b))，但對比100年前溫度和降雨量都有所增加。溫度上升增加了大灣區(qū)的降雨量；氣候變暖可導(dǎo)致水文循環(huán)過程加快、大氣的持水能力增強，而且潮濕和溫暖的大氣穩(wěn)定性較差，易導(dǎo)致臺風(fēng)、暴雨的頻率和強度增加[19]。

3.2 臺風(fēng)暴潮

3.2.1 近十年影響大灣區(qū)的臺風(fēng) 大灣區(qū)是中國受臺風(fēng)暴潮威脅最嚴重的區(qū)域之一，臺風(fēng)帶來的雨、洪、潮組合影響是大灣區(qū)洪澇的重要原因之一，對影響大灣區(qū)的臺風(fēng)特征進行分析可為防災(zāi)減災(zāi)提供參考。經(jīng)統(tǒng)計，2011—2020年明顯影響(發(fā)生暴雨及以上)大灣區(qū)的臺風(fēng)有47場，詳見表2。結(jié)果顯示，對大灣區(qū)造成明顯降雨影響的臺風(fēng)中，熱帶風(fēng)暴(TS)、強熱帶風(fēng)暴(STS)、臺風(fēng)(TY)、強臺風(fēng)(STY)、超強臺風(fēng)(UTY)分別有11、14、7、8、7場；其中，恰逢天文大潮的臺風(fēng)有21場，僅占總數(shù)的45%，因此，非天文大潮期也應(yīng)加強對臺風(fēng)風(fēng)險的防范。有11場臺風(fēng)在大灣區(qū)以東登陸，有26場在大灣區(qū)以西登陸，有9場在大灣區(qū)登陸(其中江門、珠海、深圳、香港分別為3、3、2、1場)，有1場未登陸；與1951—2015年臺風(fēng)統(tǒng)計結(jié)果接近[20]。2011—2020年各年影響大灣區(qū)的臺風(fēng)數(shù)量為3～7場，年際變化與近10年降雨量波動變化趨勢類似(圖2)；其中，2013年、2017年受影響場次最多。經(jīng)統(tǒng)計，6、7、8、9、10月登陸/生成的臺風(fēng)數(shù)分別為8、11、15、8、5場；最早為“艾云尼”(2018年6月6日初次登陸湛江)，最晚為“海馬”(2016年10月21日登陸汕尾)。10年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)有限，但文獻[21-22]的研究指出1990年代之后全球平均每年產(chǎn)生4～5級強臺風(fēng)的數(shù)量相比1970年代幾乎翻了一倍；臺風(fēng)可能帶來的極端降雨、超警戒潮位、河流洪水，都可能給大灣區(qū)帶來洪澇風(fēng)險。

表2 2011—2020年引起大灣區(qū)暴雨洪澇的臺風(fēng)統(tǒng)計

3.2.2 影響各城市臺風(fēng)次數(shù) 為更清楚地了解臺風(fēng)對大灣區(qū)的影響，分析各城市近十年受到明顯影響的臺風(fēng)場次見圖9。結(jié)果顯示，臺風(fēng)為江門帶來極端降雨的次數(shù)最多，為35場；受地理位置影響，粵西登陸的臺風(fēng)大多能影響到江門；香港受到30場臺風(fēng)的明顯影響。對于江門、珠海、澳門、香港，熱帶風(fēng)暴和強熱帶風(fēng)暴影響次數(shù)之和大于強臺風(fēng)和超強臺風(fēng)數(shù)之和；對于肇慶、佛山、廣州、惠州，規(guī)律相反；可知更強類型的臺風(fēng)能影響到更上游的內(nèi)陸城市。超強臺風(fēng)在大灣區(qū)東部造成的影響場次多于西部，與以往研究結(jié)果[18]“臺風(fēng)在廣東省登陸后往往向西或向東北轉(zhuǎn)向，其中向北轉(zhuǎn)向的臺風(fēng)主要以超強臺風(fēng)級別為主”一致。

圖9 2011—2020年大灣區(qū)各城市受臺風(fēng)明顯影響的次數(shù)

圖10 1980—2020年海平面變化

3.3 珠江口海平面變化沿海城市泄洪和排澇難度會因受高海平面頂托影響而增大，可能加重洪澇災(zāi)害。例如，2020年8月18—19日，臺風(fēng)“海高斯”影響期間，江門沿海海平面高于常年同期，持續(xù)普降暴雨又恰逢天文大潮，加劇了洪澇影響；臺風(fēng)給江門沿海帶來的直接經(jīng)濟損失超過1.5億元。除了風(fēng)暴潮增水、季節(jié)性高海平面和天文大潮帶來的影響，珠江口海平面本身也在變化，1980—2020年全國及珠江口沿海海平面變化情況見圖10[3]。結(jié)果顯示，1980年以來全國海平面總體呈波動上升趨勢，上升速率為3.3 mm/a；然而，近40年珠江口沿海海平面上升速率為3.5 mm/a[3]，高于全國水平。而且，近10年珠江口沿海海平面變化幅度大，上升速率高達9.3 mm/a。海平面上升可導(dǎo)致河口水位抬高、潮流頂托作用加強，河道排水不暢，泄洪和排澇的難度加大。預(yù)計未來30年，珠江口沿海海平面將上升60～175 mm[3]，將會給大灣區(qū)城市洪澇帶來新的風(fēng)險。

3.4 洪澇問題初步對策探討粵港澳大灣區(qū)預(yù)防洪澇的策略包括：①從流域系統(tǒng)角度完善行洪、擋潮、除澇的工程體系，包括堤防與防洪墻、水庫、擋潮閘、分洪工程、蓄滯洪區(qū)、雨水排水系統(tǒng)等的應(yīng)用和布局；②落實韌性城市建設(shè)理念[1-2]，兼顧環(huán)境治理，將部分土地恢復(fù)成河流、湖泊以增加河水流通的空間；保障城市蓄水空間并科學(xué)規(guī)劃河灘地的土地利用；③完善機制體制提升管理水平，充分發(fā)揮河湖長制等體制優(yōu)勢，多方面合作開展洪澇風(fēng)險管理，構(gòu)建部門間高效協(xié)作機制；④健全和完善“四預(yù)”措施，強化汛情預(yù)報預(yù)警能力，提升防洪除澇運行、管理、決策和指揮的信息化和智能化水平；并重視提高公眾對洪水風(fēng)險的認識和緊急應(yīng)變能力。

4 結(jié)論

粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟社會的快速發(fā)展有力支撐了防洪減災(zāi)能力的整體提升，但海平面上升、臺風(fēng)暴潮頻發(fā)和極端降雨強度加大使大灣區(qū)面臨的城市洪澇災(zāi)害情勢嚴峻。本文分析了典型城市洪澇現(xiàn)象并概括了大灣區(qū)洪澇的特征，對大灣區(qū)降雨、臺風(fēng)暴潮、海平面變化等洪澇問題驅(qū)動要素進行了分析，結(jié)果可為大灣區(qū)防災(zāi)減災(zāi)工作提供重要參考。主要結(jié)論如下：

(1)強鋒面雨和臺風(fēng)雨是引發(fā)大灣區(qū)城市洪澇的主要原因。大灣區(qū)洪澇的特征包括珠三角網(wǎng)河區(qū)水動力條件復(fù)雜、廣東省汛期時間長、受臺風(fēng)暴潮威脅嚴重、存在季節(jié)性高海平面期等。

(2)近100多年大灣區(qū)的年降雨量、降雨日平均雨量、暴雨日數(shù)及暴雨日降雨量占全年比例都波動增加，其中年降雨量10年滑動平均值的波動波長約為26年；近10年廣州、東莞、惠州汛期降雨量占全年比例達81%；大灣區(qū)城市降雨呈現(xiàn)增多且趨于集中的態(tài)勢。

(3)近20年的數(shù)據(jù)表明，大灣區(qū)城市群呈現(xiàn)出“熱島效應(yīng)”，溫度與城鎮(zhèn)化率有一定正相關(guān)性，且各城市30年溫度統(tǒng)計值上升趨勢明顯并與降雨量變化密切正相關(guān)；但各城市降雨量與其城鎮(zhèn)化率的關(guān)系并不明顯，由于地理位置的影響，降雨主要分布在沿海城市如香港、江門、珠海。

(4)近10年為大灣區(qū)帶來明顯降雨影響的臺風(fēng)有47場，主要在大灣區(qū)以西登陸，發(fā)生在6—10月；為江門、香港帶來暴雨及以上降雨的場次最多，分別為35、30場；但僅約半數(shù)臺風(fēng)暴雨在天文大潮期發(fā)生。

(5)近40年珠江口沿海海平面上升速率高于全國水平，預(yù)計未來海平面上升將會加劇大灣區(qū)洪澇事件的發(fā)生頻率和災(zāi)害程度。