城市水文過程與洪澇響應研究

陳玉超?李璞媛

摘 要 在城市中，水文研究是非常重要的部分。高度城市化地區，原有自然水循環過程被破壞，因此亟待開展城市地區水文過程與洪澇響應的研究。結合精細化洪澇模型在北京市應用的成功案例，探析了城市內澇多發的原因，從城市流域模型構建、驗證及應用等三方面進行城市水文模擬和洪澇響應研究。

關鍵詞 水文循環;城市水文過程;洪澇響應;精細化洪澇模型

引言

隨著中國城市化速度日益加快，水資源安全隱患已經浮出表面，且形勢嚴峻。通過研究發現造成洪澇災害、水質污染等問題的根本原因是城市建設行為對水文循環過程的干擾，當超過水文循環自我調節能力的極限后，致使水文生態功能退化[1]。為此本文展開了對城市水文效應的研究，結合北京城市流域洪澇模擬與應用，總結了城市洪澇多發的原因。

1城市洪澇災害形成的原因

1.1 全球溫升，暴雨強度增加

全球氣候變化已經引起了水資源分布的變化，導致我國洪澇災害更加頻發，由于城市熱島效應明顯，城區溫度高于周邊，城區出現局地暴雨的頻率與強度均高于周邊地區，局部的小氣候條件容易快速形成歷時短、強度大、范圍小的突發性暴雨，暴雨刷新了許多地區降雨量的歷史記錄，像2012年7月21日全市平均降雨量達170mm，為1949年以來最大日降水[2]。

1.2 城市規劃缺乏統籌協調

近年來極端降雨事件發生越來越頻繁，城市治澇規劃中相應的提標改造、雨水利用設施建設等措施雖然在一定程度上緩解了城市內澇，但建設耗資大、周期長，未能跟上城市化發展的腳步且未與城市防洪、河道水系、道路交通、園林綠地、環境保護等其他規劃相銜接[3]。因此解決城市內澇必須結合工程措施與非工程措施，做到蓄、滯、排等手段相結合，并做好與其他專項規劃的協調。

1.3 與水爭道的現象普遍存在

現代城市多將道路作為城市景觀軸線，非法填、堵、占用或出賣城市周邊上下游河道河溝、灘涂、低洼地帶和有限的極為寶貴的濕地搞房地產開發或另作他用，與水爭道，歷史所形成的自然流態、自然調蓄洪區、生態環境等被人為破壞殆盡。

1.4 在城市管理方面的不到位

城市管理到位需要落實方方面面的細節，因為其是一項系統工程，涉及規劃、市政、水利、防洪等在內的多個部門，且它們之間需要相互協調與配合，只有各個環節都不出現任何的紕漏，城市內澇才能夠得到有效的控制。

1.5 防洪排澇設施配套不足且運行不力

城市防洪排澇設施普遍配套不足，老城區防洪排澇設施標準低，設施老化。老城區大多為雨污合流排水體制，排水管徑小，排水不暢，加之管理不善等原因，加劇了老城區內澇的災損。

2北京城市流域洪澇模擬與應用

城市開發過程中土地利用方式的多樣化以及人類活動均給城市水文帶來眾多影響，使得城市水文特性更為復雜，暴雨洪水的預見期縮短，洪澇災害損失嚴重。通過對雨情、水情、工情、災情以及地理信息采集，構建城市流域模型，建立城市雨洪預警預報及應急響應系統，可以對城市汛情做出有效的預測，合理地指導內澇治理和防汛搶險工作。

2.1 城市流域模型構建

通過構建耦合的坡面產流和河網模型的香山小流域暴雨洪水過程模型，模擬分析在50年和100年降雨重現期下游香泉隧道口防洪安全的基礎淹沒水深。通過構建潮白河流域分布式水文模型，改變流域內林地面積和草地面積情況，來預測模擬下墊面條件的不同對流域內水文響應的過程。精細化洪澇模型的構建，根據城市流域產匯流規律，綜合考慮下墊面、管網及河道等因素，集成坡面產流、管網匯流、河道匯流及地表漫流水文水力模型，明確了精細化洪澇模型的技術路線和實施方案，形成了完整模型構建技術框架，并在清河、涼水河流域均得到有效應用。總之，通過綜合考慮降雨、下墊面、管網、河道、集水區等因素構建不同尺度的精細化洪澇模型，設定多情景方案，量化不同尺度的流域洪澇風險。

2.2 城市流域洪澇模型驗證

在模型驗證方面，依托物理模型實驗量化河道糙率與水深、流量的響應關系，為模擬參數設置提供科學依據。以北運河下游為例，20年一遇洪水條件下糙率每增加0.01時，水位可增加0.40m。分別通過河道水文監測站點實測流量過程、局地積水調查監測數據進行精細化洪澇模型合理性分析。根據近年來5場暴雨洪水過程，清河流域精細化洪澇模型對沈家墳閘模擬洪峰流量，相對誤差達到-6.2%，涼水河流域精細化洪澇模型對大紅門閘模擬洪峰流量，相對誤差為6.3%，“7·21”積水調查點模擬的積水深度相對誤差為17%，“7·20”積水監測點模擬積水深度相對誤差為6%。如果河道監測資料較少，則可基于河道20年一遇設計洪水過程和50年一遇校核洪水過程進行驗證。

2.3 城市流域模型應用

通過模擬不同降雨重現期條件下各管網的排水負荷以及河網行洪特征，量化評估管網排水能力和河道行洪能力，確定各河道、明渠、干管、支管能夠滿足的暴雨重現期。基于洪澇模型構建洪澇災害情景，梳理洪澇應對過程，明確應對方案。在實際應用中，首先確定與實際降雨最為接近的降雨情景，調出該情景對應的流域模擬洪澇過程，從而實現內澇預警平臺與實測降雨數據的關聯，支撐城市洪澇應急快速響應。基于洪澇模型，也可以量化確定在各降雨重現期條件下，不同風險等級對應的內澇風險區域[4]。

3結束語

綜上所述，城市洪澇災害已經成為我國經濟社會健康發展的一個隱患。這就需要在城市規劃中進行科學論證，聽取水利、水文、氣象、環保、建設等多方面的意見，使城市發展建設與城市防洪標準相適應，建設人與自然和諧相處的新型城市。城市水文剛剛起步，在搞好城市水文站網規劃建設的基礎上大力開展城市水文研究，并不斷提高水文服務城市建設的能力和水平。

參考文獻

[1] 劉春臻.自然氣候變異與人為氣候變化對徑流影響研究進展[J].氣候變化研究進展，2008，4（3）：133-139.

[2] 潘興瑤，李其軍，陳建剛，等.城市地區流域洪水過程模擬：以清河為例[J].水力發電學報，2015，34（6）：71-80.

[3] 夏軍，左其亭.國際水文科學研究的新進展[J].地球科學進展， 2006，21（3）：256-261.

[4] 周小珍，潘興瑤，陳建剛，等.潮白河流域1980—2013年平均水平衡特征研究[J].自然資源學報，2016，31（4）：649-657.

作者簡介

陳玉超（1992-），漢族，男，河南駐馬店人，碩士生，就讀于華北水利水電大學水利學院，主要從事水資源系統以及城市水文研究。