加强河北省城市水文分析基础研究工作的思考与建议

□何书会 石焕玲

加强河北省城市水文分析基础研究工作的思考与建议

□何书会 石焕玲

通过城市化对降雨、产流、汇流的影响分析，论述并提出加强河北省城市水文分析基础研究工作的有关问题与建议。

城市水文；降雨；产流；汇流；洪水风险图

城市化是21世纪人类社会经济发展的重要过程，随着城市化进程的加快，使得城市人口不断增加，城市规模不断扩大，工业的迅速发展，也促使城市土地利用格局迅速改变。在城市下垫面结构改变及人类活动的影响加剧等诸多因素的共同作用下，直接或间接影响着城市气候和水文效应及其规律的变化，尤其是对水文重要要素中的降雨、产流、汇流和水资源有着显著的影响和改变，河北省常用的和已有的设计暴雨、洪水分析计算方法、参数、图集和手册，也就不能在城市建设和管理中直接应用并发挥正确的作用，因此，加强河北省城市水文分析基础工作的研究，对我省的城市建设与管理，城市防洪减灾以及全省的水利水电工程的规划、设计、建设及管理有重要意义。

1.加强城市化对降水的影响研究

众所周知，城市化对降水的影响有显著的增加趋势，其对降水的影响机理主要是城市的热岛效应、城市的阻碍效应和城市的凝结核效应等。由于城市的热岛效应促使城区上空的大气层结构稳定性较差，易于产生热力对流，当有云团运动至城市上空时，热力对流作用使云团加速发展，若此时空气中的水汽充足，就易形成降水。城市建设中参差不齐的构筑物，尤其是近几年高楼大厦的增多，促使城市地面粗糙度增加，空气动力糙率明显增大，造成城市上空气流移动速度减慢且在城区滞留时间增加，进而导致城区降雨强度增大及降雨时间延长。城市化发展产生大量的PM2.5及粒径大于PM2.5细颗粒物，这些尘埃和微小颗粒飘浮在空中，易于吸收水汽，形成云凝结核和冰核，进而起到促进增雨的作用。

据国内外研究资料表明，城市化使城区的强对流及灾害性天气增多，城市化存在较为明显的增雨效应，城区的梅雨及其它不同类型雨增雨显著，且降雨在年内的分配有向主汛期集中的趋势，使城市的防洪排涝压力增大，同时城市化对降雨的影响还存在许多不确定因素。据有关资料统计，随着城市化发展，年降雨量变化有逐渐增加的趋势，尤其是主汛期降水量增加更为显著，以上海为例，年降水的增雨系数在1.03～1.27之间，而汛期降水的增雨系数在1.21～1.53之间，在时段雨量的变化上，城市化对短历时大暴雨的影响尤为突出。从近十几年几场大暴雨分布看，1996年8月4日暴雨石家庄市24h降雨量大于300mm，重现期在100年以上；2000年7月6日暴雨邯郸市基本上为暴雨中心，其24h面平均降雨量为200mm，重现期接近20年；2012年7月21日暴雨北京市的房山区为暴雨中心区，最高雨量达到400mm，重现期在300年以上，这些或多或少的有着城市化因素的影子。

河北省对城市化影响降雨的研究较少，目前使用的设计暴雨等值线图也未考虑城市化因素的影响，由于河北省城市化进程近几年刚刚加速，其城市水文资料的系列较短，国家正规的雨量站网分布基本上未考虑城市因素。根据有关规划，随着社会和经济的发展，河北省的城市化进程还要加快。因此建议由省统一组织并设立城市化对降雨影响的专项课题进行研究，为我省的城市建设、管理和预警预报提供科学依据。

2.加强城市暴雨径流关系的研究

城市化进程中，城市下垫面性质发生了变化，原本是森林草地和农田的生态系统被硬质不透水地面取代，随着这些不透水面积急剧增加，地表的渗透能力、储水能力逐渐减弱，城区总的蒸发量减少，城市产流的特性发生改变。因此，城市化的快速发展会导致流域或城区径流深度、径流系数增加，产流量明显增大。

河北省现行中的暴雨径流关系其形式，山丘区水文分析为单一暴雨径流关系（P～R），水文预报为前期影响雨量作为参数的暴雨径流关系（P+Pa～R），平原区为地下水埋深为参数的暴雨径流关系（P～h～R），这些均是植被条件和下垫面因素无大变化，属于一般区域的分析研究成果，缺乏城市化条件下的暴雨径流关系的研究，虽然某些设计时也要考虑一些城市化的因素，但均缺乏城市水文分析基础成果的支撑和实测资料的验证，为了提高设计成果的精度，更好的反映河北省不同类型城市产流特征，应加速研究城市的暴雨径流关系。

3.加强城市汇流计算方面的研究

在城市化进程中，除主要的改变是城市地区不透水面积的增加外，另一个重要的改变是河网密度减小并由密集的排水管网所代替，这使城区汇流的机理发生了重大的变化。由原来简单的坡面汇流汇入河网再汇入排水河道的干流，转变为建筑物顶面汇流入排水设施，再与小区院内地面流一起汇入市政公共排水管网，而后排入河网（明渠），最终排入河流干流。发生高标准暴雨时，雨量超过了排水管网的排水能力，在管网排水汇流的同时，地面汇流开始，先由小区的出口（一般为门口）汇入街道，再由街巷汇流顺坡势汇入排水明渠。这种汇流过程的机理非常复杂，因此用我们现行的等流时线原理的瞬时单位线法和推理公式法等方法计算设计洪峰流量及洪水过程线是不可能的，也不具备其理论基础。

在城市排水管网的设计中，雨水管网设计流量的计算由市政部门推荐的公式计算，该公式与水利部门的排水河渠的公式差别较大，无法进行沟通与对接。再者，市政部门的排水管网的标准一般为0.5～3年一遇，最高达5年一遇，而水利部门城市排水的标准一般为5～10年一遇，最高可达20～50年一遇，当然两者的取样方法是不同的，前者取样方法采用年多个样法，即每年每个历时选取6～8个最大值，然后不论年次，将每个历时子样按大小次序排列，再从选样资料年数的3～4倍最大值，作为统计资料。水利部门则是采用年最大值选样法，即每年对每个暴雨历时选取年最大值，作为统计的基础资料。在城市排水流量的计算中时常发生两者矛盾的情况和结果，因此，这些相关问题及城市汇流计算值得我们下大力气认真去研究。

4.应编制《河北省城市水文手册》

《水文手册》是计算暴雨洪水和水资源既简单又直接的工具和方法之一。河北省现有全省的《河北省设计暴雨图集》、《河北省中小流域设计暴雨洪水图集》、《河北省平原地区中小面积排涝水文计算手册》和各设区市的《地区水文水资源计算手册》等，随着河北省社会经济的飞速发展和城市扩容的加速，急需编制《河北省城市水文手册》以适应城市快速发展的现实。

5.结语

城市水文分析的基础研究工作是城市经济建设和社会发展的重要基础工作之一。随着国家战略京津冀一体化的深入及《京津冀都市圈区域规划》的出台，河北省将迎来加大节点城市扩容和中等城市发展的最好时机，并构建以首都北京为核心的京津冀世界级城市群，这些都需要城市水文分析工作提供重要的科学依据，同样城市防洪保安、防汛调度决策和城市水资源管理也需要水文基础工作的支撑。然而城镇化又严重影响着水文基本要素和水文规律变化，给提供科学和准确的水文成果增添了难度。总之城镇发展过程中必然会遇到一系列的水问题，我省水文工作应在做好常规暴雨洪水、水量水质监测、分析和评价的同时，要开展一些城市水文研究工作，尤其是城市水文分析基础的研究工作，提高城市水文和水利服务水平和能力，为国家重点战略的实施和城市的建设与管理提供技术支撑和保障。□

2016-05-06

何书会，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，副总工程师、正高级工程师。

石焕玲，女，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，高级工程师。