城市泵站區(qū)域性排澇氣象調(diào)度技術(shù)研究

張翠榮 童奇 江鴻 徐迎春

（武漢市氣象局，武漢 430040）

0 引言

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，填平了許多具有排水作用的溝渠，開(kāi)發(fā)了許多具有蓄水作用的濕地，城市湖泊和水體等承水體體積逐漸萎縮，城市硬化面積不斷擴(kuò)大，城市下墊面容水能力越來(lái)越弱。當(dāng)前在遇到城市強(qiáng)降水災(zāi)害情況下，最有效的措施是利用水務(wù)部門管理下的各級(jí)泵站及時(shí)抽排[1]。而目前泵站排水防澇除了常規(guī)運(yùn)行的方案外，其他調(diào)度策略都是緊急狀態(tài)下的策略，排水防澇缺乏科學(xué)依據(jù)，具有盲目性和不科學(xué)性[2-3]。另一方面，排水調(diào)度決策依據(jù)的氣象信息很有限，即使有也是基于面向大眾的一般天氣預(yù)報(bào)信息，沒(méi)有針對(duì)性的預(yù)報(bào)預(yù)警信息，很難滿足排水調(diào)度決策的需要。因此，很有必要研究城市積水排澇氣象預(yù)警調(diào)度技術(shù)，為水務(wù)部門泵站抽排提供及時(shí)、準(zhǔn)確、精細(xì)化、專業(yè)化的氣象預(yù)警調(diào)度服務(wù)。

目前國(guó)內(nèi)許多城市都在開(kāi)展內(nèi)澇積水工作研究。比如，河北省通過(guò)獲取高精度地理信息、引進(jìn)國(guó)內(nèi)先進(jìn)模型、整合氣象系統(tǒng)雨量及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等方式，構(gòu)建首個(gè)河北省城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[4]；鄭州大學(xué)利用GIS空間分析技術(shù)和RS空間探測(cè)技術(shù)，集合城市地理、河道地形、工程設(shè)施、氣象監(jiān)測(cè)和防洪調(diào)度等基礎(chǔ)空間信息，以城區(qū)氣象自動(dòng)站資料、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、雷達(dá)預(yù)估降水和主觀降水預(yù)報(bào)等作為實(shí)況和預(yù)報(bào)，用降雨邊界條件，建立內(nèi)澇應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)及內(nèi)澇預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)；北京提出自下而上的城市暴雨積澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估方法，研制了北京地區(qū)城市暴雨積澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估系統(tǒng)等[5-6]。但是他們使用的方法多數(shù)是通過(guò)空間地理信息及氣象數(shù)值預(yù)報(bào)等資料做內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)或?qū)Τ鞘信艥衬芰ψ鲲L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。氣象部門針對(duì)強(qiáng)降水災(zāi)害引起的區(qū)域性積水災(zāi)害缺乏滿足水務(wù)部門排水調(diào)度決策需求的預(yù)報(bào)預(yù)警信息。

本文結(jié)合武漢市近年來(lái)建設(shè)的城市自動(dòng)降水監(jiān)測(cè)站資料，嘗試將氣象部門先進(jìn)的精細(xì)化降水預(yù)報(bào)方法應(yīng)用到城市泵站抽排研究中，針對(duì)城市積水問(wèn)題研究城市泵站區(qū)域性排漬氣象調(diào)度技術(shù)，為政府相關(guān)部門及水務(wù)部門應(yīng)對(duì)強(qiáng)降水災(zāi)害提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 資料選取

武漢暴雨研究所AREM模式資料：要素包括11層次的風(fēng)（U、V分量）、垂直速度和露點(diǎn)溫度等；氣壓層次單位為hPa，依次為1000、925、850、700、500、400、300、250、200、150和100 hPa；降水、2 m溫度、10 m風(fēng)等。中國(guó)氣象局T639和GRAPES數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品：要素包括降水產(chǎn)品和溫度產(chǎn)品等。武漢城市區(qū)域氣象站資料：收集整理武漢區(qū)域站A文件資料，從A文件獲得的氣象要素包括逐小時(shí)降水、逐小時(shí)溫度、逐小時(shí)濕度和逐小時(shí)風(fēng)場(chǎng)資料等。

2 城市泵站區(qū)域降水量精細(xì)化預(yù)報(bào)

2.1 精細(xì)化降水預(yù)報(bào)

利用降水量數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，建立武漢降水量預(yù)報(bào)方程，形成武漢市時(shí)間分辨率1 h、空間分辨率為1 km×1 km的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品（圖1）。

圖1 武漢市城市1 km× 1 km空間分辨率降水量格點(diǎn)預(yù)報(bào)示意圖Fig. 1 Map of grid prediction at 1 km spatial resolution of precipitation

2.2 武漢泵站匯水區(qū)域降水量格點(diǎn)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品

常青泵站事例：武漢市常青排水泵站一期擔(dān)負(fù)著漢口地區(qū)東起新華路、西止橋口區(qū)皮子街、南到中山大道、北抵解放大堤共公約24.67 km2匯水面積的漬水排往東西湖防洪大堤以外的任務(wù)。二期工程增加機(jī)場(chǎng)河系統(tǒng)和漢西系統(tǒng)，匯水面積約54.5 km2。

常青泵站按照匯水區(qū)域大約48個(gè)格點(diǎn)（圖2）。泵站區(qū)域性降水量預(yù)報(bào)結(jié)果為各格點(diǎn)降水量預(yù)報(bào)的平均值。

3 武漢市強(qiáng)降水過(guò)程泵站區(qū)域性匯水范圍雨洪關(guān)系

根據(jù)設(shè)計(jì)的泵站匯水范圍的降水通過(guò)排水管網(wǎng)到達(dá)排水泵站，有一部分的水通過(guò)地面下滲，植物吸收等容納。強(qiáng)降水雨洪關(guān)系：

其中，Q為泵站抽排水量，q為泵站所在匯水范圍面雨量，S為匯水面積，Ψ為徑流系數(shù)。

表1 武漢市主城區(qū)市屬泵站參數(shù)Table 1 The pumping station parameters in main urban area of Wuhan City

3.1 泵站選取

選取武漢市城區(qū)后湖、常青兩個(gè)泵站作為本文的試點(diǎn)研究對(duì)象。

3.2 面雨量計(jì)算

面雨量是描述整個(gè)區(qū)域（流域）內(nèi)單位面積上的平均降水量的物理量，能較客觀地反映整個(gè)區(qū)域的降水情況。常見(jiàn)計(jì)算方法有等值線法、數(shù)值法和算術(shù)平均法等。

武漢市隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下管網(wǎng)密布，下墊面比較復(fù)雜，某個(gè)區(qū)域的降水量采用算術(shù)平均比較簡(jiǎn)便易行。因此，本文面雨量的計(jì)算采用某區(qū)域內(nèi)自動(dòng)雨量的算術(shù)平均值作為該區(qū)域的面雨量。

根據(jù)武漢市現(xiàn)有自動(dòng)氣象站地點(diǎn)位置以及泵站匯水范圍，選取泵站匯水范圍對(duì)應(yīng)的城區(qū)自動(dòng)氣象站（圖3）。如后湖泵站擔(dān)負(fù)著武漢市漢口地區(qū)西起新華路、東至沿江、南達(dá)中山大道、北抵解放大堤約48.53 km匯水面積的雨、污水抽排，是目前我國(guó)最大的城市抽漬泵站。

根據(jù)后湖泵站所在匯水范圍，選定現(xiàn)有的鐵中自動(dòng)氣象站（30°39’N，114°19’E）和六中自動(dòng)氣象站（30°32’N，114°30’E）降水資料。各泵站面雨量采用對(duì)應(yīng)匯水范圍內(nèi)自動(dòng)站降水量的平均值，如后湖泵站面雨量采用鐵中自動(dòng)氣象站和六中自動(dòng)氣象站降水量的平均值。

圖3 常青泵站和后湖泵站所轄匯水范圍內(nèi)自動(dòng)氣象站空間站網(wǎng)分布Fig. 3 Locations of automatic weather stations in the catchment area around Changqing pumping station and Houhu pumping station

3.3 徑流系數(shù)的確定

徑流系數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)一定匯水面積地面徑流量與面降雨量的比值，徑流系數(shù)說(shuō)明在降水量中有多少水變成了徑流。該系數(shù)越高，表明降水量形成徑流越多，對(duì)于城市雨水徑流，系數(shù)越高，表明在城市地表形成的內(nèi)澇漬水越多。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的城市雨水設(shè)計(jì)流量算式，徑流系數(shù)按下式計(jì)算：

其中，Ψ為徑流系數(shù)，Q為過(guò)程總排水量（單位：m3），q為流域面雨量（單位：mm），q的計(jì)算采用算術(shù)平均法。利用近年來(lái)武漢市強(qiáng)降水過(guò)程（中到大雨以上）的流域泵站排水量數(shù)據(jù)和城市加密雨量站數(shù)據(jù)，可以通過(guò)上式計(jì)算各個(gè)泵站匯水范圍的平均徑流系數(shù)Ψ平均。

此方法計(jì)算泵站徑流系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是充分利用大數(shù)據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢(shì)，忽略武漢城市地表狀態(tài)和地形差異，給出一個(gè)平均的狀態(tài)，得出Ψ平均。

選取常青和后湖兩個(gè)泵站，收集近5年（2010—2015年）的泵站中到大雨強(qiáng)度以上降水過(guò)程的抽排資料，計(jì)算徑流系數(shù)（表2）。

表2 武漢市泵站匯水區(qū)域徑流系數(shù)Table 2 The runoff coefficient in the catchment area for pumping stations in Wuhan City

3.4 泵站雨洪關(guān)系

后湖泵站的雨洪關(guān)系為Q＝0.86qS；常青泵站的雨洪關(guān)系為Q=0.76qS。泵站雨洪關(guān)系適用中到大雨以上強(qiáng)降水天氣過(guò)程。

4 結(jié)論與討論

強(qiáng)降水過(guò)程雨水通過(guò)地面回流、地下管網(wǎng)等流向排水泵站，運(yùn)用泵站匯水范圍雨洪關(guān)系，可通過(guò)精細(xì)化降水量預(yù)報(bào)得出排水泵站的相關(guān)抽排量。雨洪關(guān)系中用到的降水量預(yù)報(bào)值取泵站匯水范圍內(nèi)精細(xì)化格點(diǎn)預(yù)報(bào)值的平均值。降水過(guò)程采用的是武漢市中到大雨以上強(qiáng)度的降水天氣過(guò)程。

4.1 強(qiáng)降水過(guò)程排水量預(yù)報(bào)

根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)降水過(guò)程的總降水量（精細(xì)化格點(diǎn)降水量預(yù)報(bào)值平均），利用式（1）計(jì)算降水過(guò)程的抽排水量。

根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)降水過(guò)程的小時(shí)降水量，選用最大小時(shí)降水量，利用式（1）計(jì)算最大小時(shí)降水量對(duì)應(yīng)的最大排水量。

4.2 強(qiáng)降水過(guò)程臨界降水量預(yù)警

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)抽排能力（每秒總流量），換算成小時(shí)流量，就是小時(shí)最大抽排量。利用雨洪關(guān)系計(jì)算方程，計(jì)算城區(qū)泵站匯水區(qū)域?qū)?yīng)的臨界（最大）1、3、6、12和24 h降水量。

臨界降水量計(jì)算公式：

其中，Q為泵站設(shè)計(jì)抽排能力，h為降水時(shí)間，Ψ為徑流系數(shù)，S為匯水面積。

強(qiáng)降水過(guò)程數(shù)值預(yù)報(bào)匯水區(qū)域最大小時(shí)（3、6、12和24 h）降水量超過(guò)對(duì)應(yīng)的臨界值（表3），可以提前預(yù)警。

表3 武漢市城區(qū)泵站臨界雨量Table 3 The critical precipitation for pumping stations in Wuhan urban

4.3 泵站抽排開(kāi)機(jī)數(shù)預(yù)報(bào)

根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)的不同時(shí)段的降水量，利用雨洪關(guān)系計(jì)算降水過(guò)程不同時(shí)段的排水量，結(jié)合泵站機(jī)組功率計(jì)算出泵站抽排開(kāi)機(jī)數(shù)量，即為正常情況下的最少開(kāi)機(jī)數(shù)量。

4.4 今后改進(jìn)建議

泵站設(shè)計(jì)的抽排能力（每秒總流量）和泵站機(jī)組數(shù)和功率是固定的，抽排水量預(yù)警預(yù)報(bào)是建立在雨洪關(guān)系上的，增加泵站匯水范圍內(nèi)的自動(dòng)雨量站，提高降水量精細(xì)化預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和時(shí)效性，是做好泵站抽排預(yù)警預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。

實(shí)際應(yīng)用中多通過(guò)提前預(yù)警，提前抽排來(lái)調(diào)度，這樣對(duì)一次強(qiáng)降水過(guò)程真正對(duì)應(yīng)的抽排水量是不太精確的。

隨著降水精細(xì)化預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性的提高，自動(dòng)雨量站網(wǎng)的密布，是可能實(shí)現(xiàn)泵站自動(dòng)抽排水調(diào)度的。

5 排澇氣象調(diào)度技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2015年7月15日，武漢市發(fā)生大暴雨天氣過(guò)程（76.4 mm）。根據(jù)精細(xì)化預(yù)報(bào)結(jié)果，武漢市氣象臺(tái)提前24 h（14日）給武漢市水務(wù)局和武漢市泵站排水調(diào)度處發(fā)布暴雨預(yù)警信息——“未來(lái)24 h有強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生，請(qǐng)注意防范”。之后15日13時(shí)發(fā)布未來(lái)3 h預(yù)警信息——“未來(lái)3 h將有30 mm左右強(qiáng)降水，請(qǐng)注意防范”，并提醒泵站排水部門“未來(lái)3 h武漢市降水量將超過(guò)3 h臨界雨量，建議提前抽排，防范可能發(fā)生的積水風(fēng)險(xiǎn)”。

實(shí)況顯示，2015年7月15日武漢市后湖泵站匯水范圍自動(dòng)站降水實(shí)況（表4），計(jì)算的面雨量14時(shí)為2.3 mm，15時(shí)為32.6 mm，16時(shí)為12.7 mm，3 h達(dá)47.8 mm。其中15時(shí)和16時(shí)雨量超過(guò)1 h臨界雨量，14—16時(shí)雨量超過(guò)3 h臨界雨量（表3）。

表4 武漢市后湖泵站匯水區(qū)自動(dòng)站雨量實(shí)況（單位：mm）Table 4 The actual precipitation at the automatic weather stations in the catchment area of Houhu pumping station in Wuhan City (unit∶ mm)

6 城市泵站區(qū)域性排澇氣象調(diào)度技術(shù)研究

本文結(jié)合最新精細(xì)化格點(diǎn)降水量預(yù)報(bào)產(chǎn)品和泵站區(qū)域性雨洪關(guān)系，進(jìn)行城市泵站區(qū)域性排澇氣象調(diào)度技術(shù)研究。其中面雨量為泵站匯水區(qū)域范圍內(nèi)格點(diǎn)預(yù)報(bào)值的平均值，強(qiáng)降水過(guò)程指中到大雨以上的降水天氣。獲得以下結(jié)論：

1）強(qiáng)降水過(guò)程小時(shí)臨界降水量預(yù)警（也可設(shè)計(jì)1、3、6、12 h等）。根據(jù)泵站設(shè)計(jì)每秒總流量計(jì)算泵站區(qū)域性降水過(guò)程小時(shí)抽排能力，利用雨洪關(guān)系，可得出小時(shí)泵站區(qū)域性臨界降水量，氣象預(yù)報(bào)小時(shí)雨量（泵站匯水區(qū)域格點(diǎn)雨量預(yù)報(bào)值平均）超過(guò)臨界值提前預(yù)警。

2）泵站區(qū)域過(guò)程臨界降水量預(yù)警。根據(jù)泵站設(shè)計(jì)控制水位高度、區(qū)域匯水面積，得出區(qū)域內(nèi)強(qiáng)降水過(guò)程控制最大抽排水量，利用雨洪關(guān)系，計(jì)算泵站區(qū)域過(guò)程臨界降水量，強(qiáng)降水過(guò)程降水量預(yù)報(bào)超過(guò)這個(gè)臨界值，可提前預(yù)警，結(jié)合泵站實(shí)際水位提前抽排減壓或增加其他抽排措施。

3）泵站小時(shí)抽排開(kāi)機(jī)數(shù)量預(yù)測(cè)（也可設(shè)計(jì)1、3、6、12 h等）。根據(jù)強(qiáng)降水過(guò)程小時(shí)降水量預(yù)報(bào)，利用雨洪關(guān)系，計(jì)算強(qiáng)降水過(guò)程抽排水量，再根據(jù)泵站工作機(jī)組設(shè)計(jì)功率（一般為9 m3·s-1），可得出小時(shí)泵站開(kāi)機(jī)抽排工作機(jī)組預(yù)測(cè)。