城市水文过程与洪涝响应研究
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摘 要 在城市中，水文研究是非常重要的部分。高度城市化地区，原有自然水循环过程被破坏，因此亟待开展城市地区水文过程与洪涝响应的研究。结合精细化洪涝模型在北京市应用的成功案例，探析了城市内涝多发的原因，从城市流域模型构建、验证及应用等三方面进行城市水文模拟和洪涝响应研究。
关键词 水文循环;城市水文过程;洪涝响应;精细化洪涝模型
引言
随着中国城市化速度日益加快，水资源安全隐患已经浮出表面，且形势严峻。通过研究发现造成洪涝灾害、水质污染等问题的根本原因是城市建设行为对水文循环过程的干扰，当超过水文循环自我调节能力的极限后，致使水文生態功能退化[1]。为此本文展开了对城市水文效应的研究，结合北京城市流域洪涝模拟与应用，总结了城市洪涝多发的原因。
1 城市洪涝灾害形成的原因
1.1 全球温升，暴雨强度增加
全球气候变化已经引起了水资源分布的变化，导致我国洪涝灾害更加频发，由于城市热岛效应明显，城区温度高于周边，城区出现局地暴雨的频率与强度均高于周边地区，局部的小气候条件容易快速形成历时短、强度大、范围小的突发性暴雨，暴雨刷新了许多地区降雨量的历史记录，像2012年7月21日全市平均降雨量达170mm，为1949年以来最大日降水[2]。
1.2 城市规划缺乏统筹协调
近年来极端降雨事件发生越来越频繁，城市治涝规划中相应的提标改造、雨水利用设施建设等措施虽然在一定程度上缓解了城市内涝，但建设耗资大、周期长，未能跟上城市化发展的脚步且未与城市防洪、河道水系、道路交通、园林绿地、环境保护等其他规划相衔接[3]。因此解决城市内涝必须结合工程措施与非工程措施，做到蓄、滞、排等手段相结合，并做好与其他专项规划的协调。
1.3 与水争道的现象普遍存在
现代城市多将道路作为城市景观轴线，非法填、堵、占用或出卖城市周边上下游河道河沟、滩涂、低洼地带和有限的极为宝贵的湿地搞房地产开发或另作他用，与水争道，历史所形成的自然流态、自然调蓄洪区、生态环境等被人为破坏殆尽。
1.4 在城市管理方面的不到位
城市管理到位需要落实方方面面的细节，因为其是一项系统工程，涉及规划、市政、水利、防洪等在内的多个部门，且它们之间需要相互协调与配合，只有各个环节都不出现任何的纰漏，城市内涝才能够得到有效的控制。
1.5 防洪排涝设施配套不足且运行不力
城市防洪排涝设施普遍配套不足，老城区防洪排涝设施标准低，设施老化。老城区大多为雨污合流排水体制，排水管径小，排水不畅，加之管理不善等原因，加剧了老城区内涝的灾损。
2 北京城市流域洪涝模拟与应用
城市开发过程中土地利用方式的多样化以及人类活动均给城市水文带来众多影响，使得城市水文特性更为复杂，暴雨洪水的预见期缩短，洪涝灾害损失严重。通过对雨情、水情、工情、灾情以及地理信息采集，构建城市流域模型，建立城市雨洪预警预报及应急响应系统，可以对城市汛情做出有效的预测，合理地指导内涝治理和防汛抢险工作。
2.1 城市流域模型构建
通过构建耦合的坡面产流和河网模型的香山小流域暴雨洪水过程模型，模拟分析在50年和100年降雨重现期下游香泉隧道口防洪安全的基础淹没水深。通过构建潮白河流域分布式水文模型，改变流域内林地面积和草地面积情况，来预测模拟下垫面条件的不同对流域内水文响应的过程。精细化洪涝模型的构建，根据城市流域产汇流规律，综合考虑下垫面、管网及河道等因素，集成坡面产流、管网汇流、河道汇流及地表漫流水文水力模型，明确了精细化洪涝模型的技术路线和实施方案，形成了完整模型构建技术框架，并在清河、凉水河流域均得到有效应用。总之，通过综合考虑降雨、下垫面、管网、河道、集水区等因素构建不同尺度的精细化洪涝模型，设定多情景方案，量化不同尺度的流域洪涝风险。
2.2 城市流域洪涝模型验证
在模型验证方面，依托物理模型实验量化河道糙率与水深、流量的响应关系，为模拟参数设置提供科学依据。以北运河下游为例，20年一遇洪水条件下糙率每增加0.01时，水位可增加0.40m。分别通过河道水文监测站点实测流量过程、局地积水调查监测数据进行精细化洪涝模型合理性分析。根据近年来5场暴雨洪水过程，清河流域精细化洪涝模型对沈家坟闸模拟洪峰流量，相对误差达到-6.2%，凉水河流域精细化洪涝模型对大红门闸模拟洪峰流量，相对误差为6.3%，“7·21”积水调查点模拟的积水深度相对误差为17%，“7·20”积水监测点模拟积水深度相对误差为6%。如果河道监测资料较少，则可基于河道20年一遇设计洪水过程和50年一遇校核洪水过程进行验证。
2.3 城市流域模型应用
通过模拟不同降雨重现期条件下各管网的排水负荷以及河网行洪特征，量化评估管网排水能力和河道行洪能力，确定各河道、明渠、干管、支管能够满足的暴雨重现期。基于洪涝模型构建洪涝灾害情景，梳理洪涝应对过程，明确应对方案。在实际应用中，首先确定与实际降雨最为接近的降雨情景，调出该情景对应的流域模拟洪涝过程，从而实现内涝预警平台与实测降雨数据的关联，支撑城市洪涝应急快速响应。基于洪涝模型，也可以量化确定在各降雨重现期条件下，不同风险等级对应的内涝风险区域[4]。
3 结束语
综上所述，城市洪涝灾害已经成为我国经济社会健康发展的一个隐患。这就需要在城市规划中进行科学论证，听取水利、水文、气象、环保、建设等多方面的意见，使城市发展建设与城市防洪标准相适应，建设人与自然和谐相处的新型城市。城市水文刚刚起步，在搞好城市水文站网规划建设的基础上大力开展城市水文研究，并不断提高水文服务城市建设的能力和水平。
参考文献
[1] 刘春臻.自然气候变异与人为气候变化对径流影响研究进展[J].气候变化研究进展，2008，4（3）：133-139.
[2] 潘兴瑶，李其军，陈建刚，等.城市地区流域洪水过程模拟：以清河为例[J].水力发电学报，2015，34（6）：71-80.
[3] 夏军，左其亭.国际水文科学研究的新进展[J].地球科学进展， 2006，21（3）：256-261.
[4] 周小珍，潘兴瑶，陈建刚，等.潮白河流域1980—2013年平均水平衡特征研究[J].自然资源学报，2016，31（4）：649-657.
作者简介
陈玉超（1992-），汉族，男，河南驻马店人，硕士生，就读于华北水利水电大学水利学院，主要从事水资源系统以及城市水文研究。
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