加強(qiáng)河北省城市水文分析基礎(chǔ)研究工作的思考與建議

□何書(shū)會(huì) 石煥玲

加強(qiáng)河北省城市水文分析基礎(chǔ)研究工作的思考與建議

□何書(shū)會(huì) 石煥玲

通過(guò)城市化對(duì)降雨、產(chǎn)流、匯流的影響分析，論述并提出加強(qiáng)河北省城市水文分析基礎(chǔ)研究工作的有關(guān)問(wèn)題與建議。

城市水文；降雨；產(chǎn)流；匯流；洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

城市化是21世紀(jì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要過(guò)程，隨著城市化進(jìn)程的加快，使得城市人口不斷增加，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)的迅速發(fā)展，也促使城市土地利用格局迅速改變。在城市下墊面結(jié)構(gòu)改變及人類活動(dòng)的影響加劇等諸多因素的共同作用下，直接或間接影響著城市氣候和水文效應(yīng)及其規(guī)律的變化，尤其是對(duì)水文重要要素中的降雨、產(chǎn)流、匯流和水資源有著顯著的影響和改變，河北省常用的和已有的設(shè)計(jì)暴雨、洪水分析計(jì)算方法、參數(shù)、圖集和手冊(cè)，也就不能在城市建設(shè)和管理中直接應(yīng)用并發(fā)揮正確的作用，因此，加強(qiáng)河北省城市水文分析基礎(chǔ)工作的研究，對(duì)我省的城市建設(shè)與管理，城市防洪減災(zāi)以及全省的水利水電工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及管理有重要意義。

1.加強(qiáng)城市化對(duì)降水的影響研究

眾所周知，城市化對(duì)降水的影響有顯著的增加趨勢(shì)，其對(duì)降水的影響機(jī)理主要是城市的熱島效應(yīng)、城市的阻礙效應(yīng)和城市的凝結(jié)核效應(yīng)等。由于城市的熱島效應(yīng)促使城區(qū)上空的大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，易于產(chǎn)生熱力對(duì)流，當(dāng)有云團(tuán)運(yùn)動(dòng)至城市上空時(shí)，熱力對(duì)流作用使云團(tuán)加速發(fā)展，若此時(shí)空氣中的水汽充足，就易形成降水。城市建設(shè)中參差不齊的構(gòu)筑物，尤其是近幾年高樓大廈的增多，促使城市地面粗糙度增加，空氣動(dòng)力糙率明顯增大，造成城市上空氣流移動(dòng)速度減慢且在城區(qū)滯留時(shí)間增加，進(jìn)而導(dǎo)致城區(qū)降雨強(qiáng)度增大及降雨時(shí)間延長(zhǎng)。城市化發(fā)展產(chǎn)生大量的PM2.5及粒徑大于PM2.5細(xì)顆粒物，這些塵埃和微小顆粒飄浮在空中，易于吸收水汽，形成云凝結(jié)核和冰核，進(jìn)而起到促進(jìn)增雨的作用。

據(jù)國(guó)內(nèi)外研究資料表明，城市化使城區(qū)的強(qiáng)對(duì)流及災(zāi)害性天氣增多，城市化存在較為明顯的增雨效應(yīng)，城區(qū)的梅雨及其它不同類型雨增雨顯著，且降雨在年內(nèi)的分配有向主汛期集中的趨勢(shì)，使城市的防洪排澇壓力增大，同時(shí)城市化對(duì)降雨的影響還存在許多不確定因素。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，隨著城市化發(fā)展，年降雨量變化有逐漸增加的趨勢(shì)，尤其是主汛期降水量增加更為顯著，以上海為例，年降水的增雨系數(shù)在1.03～1.27之間，而汛期降水的增雨系數(shù)在1.21～1.53之間，在時(shí)段雨量的變化上，城市化對(duì)短歷時(shí)大暴雨的影響尤為突出。從近十幾年幾場(chǎng)大暴雨分布看，1996年8月4日暴雨石家莊市24h降雨量大于300mm，重現(xiàn)期在100年以上；2000年7月6日暴雨邯鄲市基本上為暴雨中心，其24h面平均降雨量為200mm，重現(xiàn)期接近20年；2012年7月21日暴雨北京市的房山區(qū)為暴雨中心區(qū)，最高雨量達(dá)到400mm，重現(xiàn)期在300年以上，這些或多或少的有著城市化因素的影子。

河北省對(duì)城市化影響降雨的研究較少，目前使用的設(shè)計(jì)暴雨等值線圖也未考慮城市化因素的影響，由于河北省城市化進(jìn)程近幾年剛剛加速，其城市水文資料的系列較短，國(guó)家正規(guī)的雨量站網(wǎng)分布基本上未考慮城市因素。根據(jù)有關(guān)規(guī)劃，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，河北省的城市化進(jìn)程還要加快。因此建議由省統(tǒng)一組織并設(shè)立城市化對(duì)降雨影響的專項(xiàng)課題進(jìn)行研究，為我省的城市建設(shè)、管理和預(yù)警預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

2.加強(qiáng)城市暴雨徑流關(guān)系的研究

城市化進(jìn)程中，城市下墊面性質(zhì)發(fā)生了變化，原本是森林草地和農(nóng)田的生態(tài)系統(tǒng)被硬質(zhì)不透水地面取代，隨著這些不透水面積急劇增加，地表的滲透能力、儲(chǔ)水能力逐漸減弱，城區(qū)總的蒸發(fā)量減少，城市產(chǎn)流的特性發(fā)生改變。因此，城市化的快速發(fā)展會(huì)導(dǎo)致流域或城區(qū)徑流深度、徑流系數(shù)增加，產(chǎn)流量明顯增大。

河北省現(xiàn)行中的暴雨徑流關(guān)系其形式，山丘區(qū)水文分析為單一暴雨徑流關(guān)系（P～R），水文預(yù)報(bào)為前期影響雨量作為參數(shù)的暴雨徑流關(guān)系（P+Pa～R），平原區(qū)為地下水埋深為參數(shù)的暴雨徑流關(guān)系（P～h～R），這些均是植被條件和下墊面因素?zé)o大變化，屬于一般區(qū)域的分析研究成果，缺乏城市化條件下的暴雨徑流關(guān)系的研究，雖然某些設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮一些城市化的因素，但均缺乏城市水文分析基礎(chǔ)成果的支撐和實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證，為了提高設(shè)計(jì)成果的精度，更好的反映河北省不同類型城市產(chǎn)流特征，應(yīng)加速研究城市的暴雨徑流關(guān)系。

3.加強(qiáng)城市匯流計(jì)算方面的研究

在城市化進(jìn)程中，除主要的改變是城市地區(qū)不透水面積的增加外，另一個(gè)重要的改變是河網(wǎng)密度減小并由密集的排水管網(wǎng)所代替，這使城區(qū)匯流的機(jī)理發(fā)生了重大的變化。由原來(lái)簡(jiǎn)單的坡面匯流匯入河網(wǎng)再匯入排水河道的干流，轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ镯斆鎱R流入排水設(shè)施，再與小區(qū)院內(nèi)地面流一起匯入市政公共排水管網(wǎng)，而后排入河網(wǎng)（明渠），最終排入河流干流。發(fā)生高標(biāo)準(zhǔn)暴雨時(shí)，雨量超過(guò)了排水管網(wǎng)的排水能力，在管網(wǎng)排水匯流的同時(shí)，地面匯流開(kāi)始，先由小區(qū)的出口（一般為門(mén)口）匯入街道，再由街巷匯流順坡勢(shì)匯入排水明渠。這種匯流過(guò)程的機(jī)理非常復(fù)雜，因此用我們現(xiàn)行的等流時(shí)線原理的瞬時(shí)單位線法和推理公式法等方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量及洪水過(guò)程線是不可能的，也不具備其理論基礎(chǔ)。

在城市排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量的計(jì)算由市政部門(mén)推薦的公式計(jì)算，該公式與水利部門(mén)的排水河渠的公式差別較大，無(wú)法進(jìn)行溝通與對(duì)接。再者，市政部門(mén)的排水管網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)一般為0.5～3年一遇，最高達(dá)5年一遇，而水利部門(mén)城市排水的標(biāo)準(zhǔn)一般為5～10年一遇，最高可達(dá)20～50年一遇，當(dāng)然兩者的取樣方法是不同的，前者取樣方法采用年多個(gè)樣法，即每年每個(gè)歷時(shí)選取6～8個(gè)最大值，然后不論年次，將每個(gè)歷時(shí)子樣按大小次序排列，再?gòu)倪x樣資料年數(shù)的3～4倍最大值，作為統(tǒng)計(jì)資料。水利部門(mén)則是采用年最大值選樣法，即每年對(duì)每個(gè)暴雨歷時(shí)選取年最大值，作為統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)資料。在城市排水流量的計(jì)算中時(shí)常發(fā)生兩者矛盾的情況和結(jié)果，因此，這些相關(guān)問(wèn)題及城市匯流計(jì)算值得我們下大力氣認(rèn)真去研究。

4.應(yīng)編制《河北省城市水文手冊(cè)》

《水文手冊(cè)》是計(jì)算暴雨洪水和水資源既簡(jiǎn)單又直接的工具和方法之一。河北省現(xiàn)有全省的《河北省設(shè)計(jì)暴雨圖集》、《河北省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》、《河北省平原地區(qū)中小面積排澇水文計(jì)算手冊(cè)》和各設(shè)區(qū)市的《地區(qū)水文水資源計(jì)算手冊(cè)》等，隨著河北省社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市擴(kuò)容的加速，急需編制《河北省城市水文手冊(cè)》以適應(yīng)城市快速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)。

5.結(jié)語(yǔ)

城市水文分析的基礎(chǔ)研究工作是城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)工作之一。隨著國(guó)家戰(zhàn)略京津冀一體化的深入及《京津冀都市圈區(qū)域規(guī)劃》的出臺(tái)，河北省將迎來(lái)加大節(jié)點(diǎn)城市擴(kuò)容和中等城市發(fā)展的最好時(shí)機(jī)，并構(gòu)建以首都北京為核心的京津冀世界級(jí)城市群，這些都需要城市水文分析工作提供重要的科學(xué)依據(jù)，同樣城市防洪保安、防汛調(diào)度決策和城市水資源管理也需要水文基礎(chǔ)工作的支撐。然而城鎮(zhèn)化又嚴(yán)重影響著水文基本要素和水文規(guī)律變化，給提供科學(xué)和準(zhǔn)確的水文成果增添了難度?？傊擎?zhèn)發(fā)展過(guò)程中必然會(huì)遇到一系列的水問(wèn)題，我省水文工作應(yīng)在做好常規(guī)暴雨洪水、水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)的同時(shí)，要開(kāi)展一些城市水文研究工作，尤其是城市水文分析基礎(chǔ)的研究工作，提高城市水文和水利服務(wù)水平和能力，為國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略的實(shí)施和城市的建設(shè)與管理提供技術(shù)支撐和保障。□

2016-05-06

何書(shū)會(huì)，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，副總工程師、正高級(jí)工程師。

石煥玲，女，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，高級(jí)工程師。