城市水文過程與洪澇響應(yīng)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(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、驗證及應(yīng)用等三方面進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短、強度大、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方方面面的細節(jié)，因為其是一項系統(tǒng)工程，涉及規(guī)劃、市政、水利、防洪等在內(nèi)的多個部門，且它們之間需要相互協(xié)調(diào)與配合，只有各個環(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，明確了精細化洪澇模型的技術(shù)路線和實施方案，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?，通過綜合考慮降雨、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。

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(yīng)關(guān)系，為模擬參數(shù)設(shè)置提供科學(xué)依據(jù)。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(jiān)測站點實測流量過程、局地積水調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)進行精細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(diào)查點模擬的積水深度相對誤差為17%，“7·20”積水監(jiān)測點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(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?；诤闈衬Ｐ蜆?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。在實際應(yīng)用中，首先確定與實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，從而實現(xiàn)內(nèi)澇預(yù)警平臺與實測降雨數(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?，也可以量化確定在各降雨重現(xiàn)期條件下，不同風(fēng)險等級對應(yīng)的內(nèi)澇風(fēng)險區(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)濟社會健康發(fā)展的一個隱患。這就需要在城市規(guī)劃中進行科學(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

[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(qū)流域洪水過程模擬：以清河為例[J].水力發(fā)電學(xué)報，2015，34（6）：71-80.

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