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(qū)，原有自然水循環(huán)過程被破壞，因此亟待開展城市地區(qū)水文過程與洪澇響應(yīng)的研究。結(jié)合精細(xì)化洪澇模型在北京市應(yīng)用的成功案例，探析了城市內(nèi)澇多發(fā)的原因，從城市流域模型構(gòu)建、驗(yàn)證及應(yīng)用等三方面進(jìn)行城市水文模擬和洪澇響應(yīng)研究。

關(guān)鍵詞 水文循環(huán);城市水文過程;洪澇響應(yīng);精細(xì)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(jīng)浮出表面，且形勢嚴(yán)峻。通過研究發(fā)現(xiàn)造成洪澇災(zāi)害、水質(zhì)污染等問題的根本原因是城市建設(shè)行為對水文循環(huán)過程的干擾，當(dāng)超過水文循環(huán)自我調(diào)節(jié)能力的極限后，致使水文生態(tài)功能退化[1]。為此本文展開了對城市水文效應(yīng)的研究，結(jié)合北京城市流域洪澇模擬與應(yīng)用，總結(jié)了城市洪澇多發(fā)的原因。

1城市洪澇災(zāi)害形成的原因

1.1 全球溫升，暴雨強(qiáng)度增加

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

1.2 城市規(guī)劃缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)

近年來極端降雨事件發(fā)生越來越頻繁，城市治澇規(guī)劃中相應(yīng)的提標(biāo)改造、雨水利用設(shè)施建設(shè)等措施雖然在一定程度上緩解了城市內(nèi)澇，但建設(shè)耗資大、周期長，未能跟上城市化發(fā)展的腳步且未與城市防洪、河道水系、道路交通、園林綠地、環(huán)境保護(hù)等其他規(guī)劃相銜接[3]。因此解決城市內(nèi)澇必須結(jié)合工程措施與非工程措施，做到蓄、滯、排等手段相結(jié)合，并做好與其他專項(xiàng)規(guī)劃的協(xié)調(diào)。

1.3 與水爭道的現(xiàn)象普遍存在

現(xiàn)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(chǎn)開發(fā)或另作他用，與水爭道，歷史所形成的自然流態(tài)、自然調(diào)蓄洪區(qū)、生態(tài)環(huán)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(shí)方方面面的細(xì)節(jié)，因?yàn)槠涫且豁?xiàng)系統(tǒng)工程，涉及規(guī)劃、市政、水利、防洪等在內(nèi)的多個(gè)部門，且它們之間需要相互協(xié)調(diào)與配合，只有各個(gè)環(huán)節(jié)都不出現(xiàn)任何的紕漏，城市內(nèi)澇才能夠得到有效的控制。

1.5 防洪排澇設(shè)施配套不足且運(yùn)行不力

城市防洪排澇設(shè)施普遍配套不足，老城區(qū)防洪排澇設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)低，設(shè)施老化。老城區(qū)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(qū)內(nèi)澇的災(zāi)損。

2北京城市流域洪澇模擬與應(yīng)用

城市開發(fā)過程中土地利用方式的多樣化以及人類活動(dòng)均給城市水文帶來眾多影響，使得城市水文特性更為復(fù)雜，暴雨洪水的預(yù)見期縮短，洪澇災(zāi)害損失嚴(yán)重。通過對雨情、水情、工情、災(zāi)情以及地理信息采集，構(gòu)建城市流域模型，建立城市雨洪預(yù)警預(yù)報(bào)及應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，可以對城市汛情做出有效的預(yù)測，合理地指導(dǎo)內(nèi)澇治理和防汛搶險(xiǎn)工作。

2.1 城市流域模型構(gòu)建

通過構(gòu)建耦合的坡面產(chǎn)流和河網(wǎng)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(xiàn)期下游香泉隧道口防洪安全的基礎(chǔ)淹沒水深。通過構(gòu)建潮白河流域分布式水文模型，改變流域內(nèi)林地面積和草地面積情況，來預(yù)測模擬下墊面條件的不同對流域內(nèi)水文響應(yīng)的過程。精細(xì)化洪澇模型的構(gòu)建，根據(jù)城市流域產(chǎn)匯流規(guī)律，綜合考慮下墊面、管網(wǎng)及河道等因素，集成坡面產(chǎn)流、管網(wǎng)匯流、河道匯流及地表漫流水文水力模型，明確了精細(xì)化洪澇模型的技術(shù)路線和實(shí)施方案，形成了完整模型構(gòu)建技術(shù)框架，并在清河、涼水河流域均得到有效應(yīng)用?？傊ㄟ^綜合考慮降雨、下墊面、管網(wǎng)、河道、集水區(qū)等因素構(gòu)建不同尺度的精細(xì)化洪澇模型，設(shè)定多情景方案，量化不同尺度的流域洪澇風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 城市流域洪澇模型驗(yàn)證

在模型驗(yàn)證方面，依托物理模型實(shí)驗(yàn)量化河道糙率與水深、流量的響應(yīng)關(guān)系，為模擬參數(shù)設(shè)置提供科學(xué)依據(jù)。以北運(yùn)河下游為例，20年一遇洪水條件下糙率每增加0.01時(shí)，水位可增加0.40m。分別通過河道水文監(jiān)測站點(diǎn)實(shí)測流量過程、局地積水調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化洪澇模型合理性分析。根據(jù)近年來5場暴雨洪水過程，清河流域精細(xì)化洪澇模型對沈家墳閘模擬洪峰流量，相對誤差達(dá)到-6.2%，涼水河流域精細(xì)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(diào)查點(diǎn)模擬的積水深度相對誤差為17%，“7·20”積水監(jiān)測點(diǎn)模擬積水深度相對誤差為6%。如果河道監(jiān)測資料較少，則可基于河道20年一遇設(shè)計(jì)洪水過程和50年一遇校核洪水過程進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 城市流域模型應(yīng)用

通過模擬不同降雨重現(xiàn)期條件下各管網(wǎng)的排水負(fù)荷以及河網(wǎng)行洪特征，量化評估管網(wǎng)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(xiàn)期。基于洪澇模型構(gòu)建洪澇災(zāi)害情景，梳理洪澇應(yīng)對過程，明確應(yīng)對方案。在實(shí)際應(yīng)用中，首先確定與實(shí)際降雨最為接近的降雨情景，調(diào)出該情景對應(yīng)的流域模擬洪澇過程，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇預(yù)警平臺(tái)與實(shí)測降雨數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，支撐城市洪澇應(yīng)急快速響應(yīng)?；诤闈衬Ｐ停部梢粤炕_定在各降雨重現(xiàn)期條件下，不同風(fēng)險(xiǎn)等級對應(yīng)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域[4]。

3結(jié)束語

綜上所述，城市洪澇災(zāi)害已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展的一個(gè)隱患。這就需要在城市規(guī)劃中進(jìn)行科學(xué)論證，聽取水利、水文、氣象、環(huán)保、建設(shè)等多方面的意見，使城市發(fā)展建設(shè)與城市防洪標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，建設(shè)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(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)上大力開展城市水文研究，并不斷提高水文服務(wù)城市建設(shè)的能力和水平。

參考文獻(xiàn)

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

[3] 夏軍，左其亭.國際水文科學(xué)研究的新進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)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(xué)報(bào)，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(xué)水利學(xué)院，主要從事水資源系統(tǒng)以及城市水文研究。