□何書會 石煥玲

加強河北省城市水文分析基礎研究工作的思考與建議

□何書會 石煥玲

通過城市化對降雨、產(chǎn)流、匯流的影響分析，論述并提出加強河北省城市水文分析基礎研究工作的有關問題與建議。

城市水文；降雨；產(chǎn)流；匯流；洪水風險圖

城市化是21世紀人類社會經(jīng)濟發(fā)展的重要過程，隨著城市化進程的加快，使得城市人口不斷增加，城市規(guī)模不斷擴大，工業(yè)的迅速發(fā)展，也促使城市土地利用格局迅速改變。在城市下墊面結構改變及人類活動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及其規(guī)律的變化，尤其是對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計暴雨、洪水分析計算方法、參數(shù)、圖集和手冊，也就不能在城市建設和管理中直接應用并發(fā)揮正確的作用，因此，加強河北省城市水文分析基礎工作的研究，對我省的城市建設與管理，城市防洪減災以及全省的水利水電工程的規(guī)劃、設計、建設及管理有重要意義。

1.加強城市化對降水的影響研究

眾所周知，城市化對降水的影響有顯著的增加趨勢，其對降水的影響機理主要是城市的熱島效應、城市的阻礙效應和城市的凝結核效應等。由于城市的熱島效應促使城區(qū)上空的大氣層結構穩(wěn)定性較差，易于產(chǎn)生熱力對流，當有云團運動至城市上空時，熱力對流作用使云團加速發(fā)展，若此時空氣中的水汽充足，就易形成降水。城市建設中參差不齊的構筑物，尤其是近幾年高樓大廈的增多，促使城市地面粗糙度增加，空氣動力糙率明顯增大，造成城市上空氣流移動速度減慢且在城區(qū)滯留時間增加，進而導致城區(qū)降雨強度增大及降雨時間延長。城市化發(fā)展產(chǎn)生大量的PM2.5及粒徑大于PM2.5細顆粒物，這些塵埃和微小顆粒飄浮在空中，易于吸收水汽，形成云凝結核和冰核，進而起到促進增雨的作用。

據(jù)國內外研究資料表明，城市化使城區(qū)的強對流及災害性天氣增多，城市化存在較為明顯的增雨效應，城區(qū)的梅雨及其它不同類型雨增雨顯著，且降雨在年內的分配有向主汛期集中的趨勢，使城市的防洪排澇壓力增大，同時城市化對降雨的影響還存在許多不確定因素。據(jù)有關資料統(tǒng)計，隨著城市化發(fā)展，年降雨量變化有逐漸增加的趨勢，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，在時段雨量的變化上，城市化對短歷時大暴雨的影響尤為突出。從近十幾年幾場大暴雨分布看，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。

河北省對城市化影響降雨的研究較少，目前使用的設計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程近幾年剛剛加速，其城市水文資料的系列較短，國家正規(guī)的雨量站網(wǎng)分布基本上未考慮城市因素。根據(jù)有關規(guī)劃，隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，河北省的城市化進程還要加快。因此建議由省統(tǒng)一組織并設立城市化對降雨影響的專項課題進行研究，為我省的城市建設、管理和預警預報提供科學依據(jù)。

2.加強城市暴雨徑流關系的研究

城市化進程中，城市下墊面性質發(fā)生了變化，原本是森林草地和農田的生態(tài)系統(tǒng)被硬質不透水地面取代，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)展會導致流域或城區(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)行中的暴雨徑流關系其形式，山丘區(qū)水文分析為單一暴雨徑流關系（P～R），水文預報為前期影響雨量作為參數(shù)的暴雨徑流關系（P+Pa～R），平原區(qū)為地下水埋深為參數(shù)的暴雨徑流關系（P～h～R），這些均是植被條件和下墊面因素無大變化，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系的研究，雖然某些設計時也要考慮一些城市化的因素，但均缺乏城市水文分析基礎成果的支撐和實測資料的驗證，為了提高設計成果的精度，更好的反映河北省不同類型城市產(chǎn)流特征，應加速研究城市的暴雨徑流關系。

3.加強城市匯流計算方面的研究

在城市化進程中，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)匯流的機理發(fā)生了重大的變化。由原來簡單的坡面匯流匯入河網(wǎng)再匯入排水河道的干流，轉變?yōu)榻ㄖ镯斆鎱R流入排水設施，再與小區(qū)院內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)生高標準暴雨時，雨量超過了排水管網(wǎng)的排水能力，在管網(wǎng)排水匯流的同時，地面匯流開始，先由小區(qū)的出口（一般為門口）匯入街道，再由街巷匯流順坡勢匯入排水明渠。這種匯流過程的機理非常復雜，因此用我們現(xiàn)行的等流時線原理的瞬時單位線法和推理公式法等方法計算設計洪峰流量及洪水過程線是不可能的，也不具備其理論基礎。

在城市排水管網(wǎng)的設計中，雨水管網(wǎng)設計流量的計算由市政部門推薦的公式計算，該公式與水利部門的排水河渠的公式差別較大，無法進行溝通與對接。再者，市政部門的排水管網(wǎng)的標準一般為0.5～3年一遇，最高達5年一遇，而水利部門城市排水的標準一般為5～10年一遇，最高可達20～50年一遇，當然兩者的取樣方法是不同的，前者取樣方法采用年多個樣法，即每年每個歷時選取6～8個最大值，然后不論年次，將每個歷時子樣按大小次序排列，再從選樣資料年數(shù)的3～4倍最大值，作為統(tǒng)計資料。水利部門則是采用年最大值選樣法，即每年對每個暴雨歷時選取年最大值，作為統(tǒng)計的基礎資料。在城市排水流量的計算中時常發(fā)生兩者矛盾的情況和結果，因此，這些相關問題及城市匯流計算值得我們下大力氣認真去研究。

4.應編制《河北省城市水文手冊》

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

5.結語

城市水文分析的基礎研究工作是城市經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的重要基礎工作之一。隨著國家戰(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，河北省將迎來加大節(jié)點城市擴容和中等城市發(fā)展的最好時機，并構建以首都北京為核心的京津冀世界級城市群，這些都需要城市水文分析工作提供重要的科學依據(jù)，同樣城市防洪保安、防汛調度決策和城市水資源管理也需要水文基礎工作的支撐。然而城鎮(zhèn)化又嚴重影響著水文基本要素和水文規(guī)律變化，給提供科學和準確的水文成果增添了難度?？傊擎?zhèn)發(fā)展過程中必然會遇到一系列的水問題，我省水文工作應在做好常規(guī)暴雨洪水、水量水質監(jiān)測、分析和評價的同時，要開展一些城市水文研究工作，尤其是城市水文分析基礎的研究工作，提高城市水文和水利服務水平和能力，為國家重點戰(zhàn)略的實施和城市的建設與管理提供技術支撐和保障?！?/p>

2016-05-06

何書會，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設計研究院，副總工程師、正高級工程師。

石煥玲，女，漢族，河北省水利水電第二勘測設計研究院，高級工程師。