变化环境下城市水文学的发展与挑战——城市雨洪模拟与管理.

　　摘要：全球气候变化和快速城市化改变了城市水循环过程，加剧了城市暴雨洪涝问题。从城市雨洪模型构建的角度，回顾了降雨观测与预报技术、城市雨洪产汇流计算方法以及城市雨洪模型的发展历程，总结了各种技术的特点、适用性和局限性，指出城市雨洪模型在机理认识和数据管理方面的不足，提出了城市雨洪模型的概念性框架与基本流程。从雨洪资源化的角度，介绍了城市雨洪管理基本理念和策略，分析了城市雨洪管理的主要技术方案。阐明了城市雨洪模拟与管理的发展趋势及前景，未来应该强化高精度降雨观测和临近定量降雨预报能力，探索城市化流域的产汇流机理和响应机制，开发有效的城市雨洪模型系统，发展多源信息耦合技术，开展城市雨洪模拟预报及资源化利用研究，实现城市可持续发展以及保障城市水安全。

　　关键词：城市水文学；定量降雨预报；城市洪水；城市雨洪管理；水安全

　　近年来，全球气候变化和强烈的人类活动使得全球水安全问题日益凸显，人类社会正面临着越来越严重的水资源短缺、水环境污染、洪涝和干旱灾害等。由于城市化作为人类社会发展的一个重要标志，城市区域的水安全问题更加突出，引起社会各界的广泛关注。然而城市基础设施建设与城市自身发展不协调，导致城市自然灾害风险和损失持续攀升，加之全球气候变化的不利影响，加剧了城市自然灾害发生的频次、风险及损失，尤其是城市暴雨洪涝问题特别显著。近年来，城市暴雨洪涝灾害频发，如2013年1月印度尼西亚首都雅加达地区，6月加拿大西部地区、印度北部地区、中欧地区，7月中国西南地区，8月阿富汗和巴基斯坦部分地区以及印度尼西亚，9月美国西南部地区（科罗拉多州和新墨西哥州），10月中国长三角沿海地区等。因此，如何应对和管理城市暴雨洪涝灾害风险成为当前迫切需要解决的问题，有效开展城市暴雨洪水预警预报和综合雨洪管理研究成为城市水文学研究的前沿课题。目前国内外在降雨观测与模拟，城市暴雨洪水模拟与预报预警以及城市雨洪利用及综合管理方面取得了一系列成果，本文对此进行介绍和评述，并指出变化环境下的城市雨洪模拟和管理方面研究的挑战，展望未来的主要研究趋势。

　　1、降雨观测与预报

　　众所周知，降雨是水循环过程的关键因素之一，是水文模型研究的基础资料和水文计算与预报最重要的输入项，也是陆面水文过程的主要输入驱动。因此，高精度的降雨时空分布观测与预报是城市雨洪模拟及预警预报研究的基础和先决条件。一般而言，持续性降雨或短历时高强度降雨是城市雨洪内涝的主要驱动因子，加之城市化流域汇流面积相对较小（一般数百到数千平方公里），汇流时间相对较短（几小时甚至几十分钟）。

　　因此，城市雨洪模拟对降雨资料的要求较高，即需要更精细的时间和空间分辨率以充分表现降雨的时空变异特征，如时间尺度往往从数分钟到数十分钟不等，空间尺度则为数百米到数千米之间。然而，由于降雨过程的高度时空变异性以及城市区域站点分布和观测范围的局限性，尚不能满足城市洪水预报的资料需求，即城市降雨观测及预报已成为城市雨洪模拟与预警预报的主要瓶颈。

　　1.1降雨观测

　　目前降雨观测的手段很多，主要包括地面站点观测、卫星遥感和天气雷达估测等。这3种方法的最大差别在于站点观测主要基于地面某一点记录，而天气雷达和卫星系统则从侧面或上部遥测降雨。地面观测雨量直接以空间均值用于洪水计算，而天气雷达和卫星观测数据需要通过特定处理算法计算地面降雨量。这3种方法各有优点及不足，在具体应用中往往相互补充与佐证。

　　为提高降雨观测精度，最初是通过增加地面观测站点以及调整站网布局等手段来解决观测的局限性。国内外开展了诸多研究探讨降雨站点密度的最佳配置问题，如Berne等和Einfalt等建议城市流域径流模拟研究需要的时间和空间分辨率分别为1~5min和1~3km；而Schilling指出城市水文学者对于降雨资料的需求（如时间序列>20年，时间分辨率1min，空间分辨率1km2，雨量精度误差<3%等）属于理想主义追求，但其同时强调气象雷达的发展与推广将有助于提高降雨观测技术，也必将成为降雨观测的主要手段。此外，诸多研究结果证实传统的站点观测（如倾斗式雨量计和称重式雨量计）存在各种误差，特别在降雨时空变异性以及单个站点代表性方面。随着英国天气雷达网、美国下一代天气雷达系统（NEXRAD）、欧盟高级天气雷达网联合研究计划（COST75）及其他发达国家新一代雷达网的建设，雷达降雨观测技术得到了长足发展，如英国水文所开发了河流预报系统（RFFS）和水文雷达系统（HYRAD）组成实时降雨和洪水预报系统；美国开展了水文降雨分析项目（HRAP），将雷达降雨用于水文预报全面业务化等；中国也于2000年开始建设新一代天气雷达网，以提高天气预报精度和增强洪涝灾害监测预报能力。雷达降雨观测的发展为城市水文学研究提供了重要支撑，进一步增强了城市雨洪模拟及预报能力。如Berne等分析了雷达测雨与站点观测降雨的时空变异特征，指出雷达测雨更能描述降雨时空变异特征；中国在淮河和黄河流域重点防洪地段开展雷达测雨与洪水预报应用研究。因此，雷达测雨可以提供更多不同时空尺度的降雨特征，为城市水文学研究提供更多支撑。但由于雷达数据存在更复杂的误差特征以及监测网络不健全等问题，使得雷达测雨在城市水文学中的应用并不广泛。为此，又发展了新的探测方法和资料处理技术，如微波中继器更适合于城市区域的水文应用以及更高频率的观测要求。虽然以TRMM（TropicalRainfallMeasuringMission）为代表的卫星降雨产品数据在大尺度流域水文模拟及预报方面开展了诸多应用，但在城市水文学上的应用尚不多见。总之，以雷达测雨技术为代表的新型观测手段取得了诸多进展为城市水文学研究及城市雨洪模拟与预报提供了重要支撑。因此，加强地面站点观测、天气雷达测雨和卫星遥感测雨等多源信息融合分析和应用，推动城市水文学及城市雨洪预报研究，提高水文预报精度和增长预报预见期，进一步完善和发展预警预报技术是未来城市水文学发展的一个重要方面。

　　1.2降雨预报

　　精确地降雨预报是突发性洪水预报的关键因素，如城市区域短历时、强降雨的定量预报（QuantitativePrecipitationForecasts，QPF）是城市暴雨洪水预报预警的重要前提。目前国际上已经发展了许多先进的QPF系统，融合了地面中尺度观测资料、探空资料、闪电资料、风廓线资料、雷达数据以及中尺度数值天气预报等以提高预报的时空精度。随着观测和预报技术的不断发展，数值模式时空分辨率的不断提高以及模式物理过程的不断改进，QPF的时空分辨率、预报时效及精度有了很大提高；以集合预报为基础的概率QPF和即时QPF预报技术以及数值模式实施检验与订正技术的发展，支撑着极端强降雨灾害预警预报研究，为应对突发灾害性天气提供了有力支撑。QPF技术包含很多，如线性回归、分位数回归法、Logistic回归法、基于先验气候分布的层次模型、耦合气象雷达和数值天气模式结果的集成方法，人工神经网络以及基于贝叶斯的统计方法等。虽然这些方法在城市水文学中的应用日益增多，特别是降雨集成预报技术以及多源信息耦合分析等，但QPF预报精细化及准确率离应用的需求仍有差距，尚缺乏系统的综合研究，如评价各种方法的优缺点及适用性和预报结果的不确定性等。因此，需要水文学者与气象学者开展密切合作，集合城市水文学和气象学的知识开发适应城市水文研究尺度的预报方法，为城市雨洪预警预报研究提供基础。

　　2、城市雨洪模拟技术

　　城市雨洪模型在城市雨洪管理、防洪排涝、雨洪利用和水污染控制等方面发挥了重要作用。城市的产汇流机制远比天然流域复杂，且城市排水系统内具有多种水流状态，包括重力流、压力流、环流、回水、倒流和地面积水等。需要采用水文学和水力学相结合的途径，充分利用数值模拟技术，研制能够模拟复杂流态的城市排水系统的数学模型。根据预报的降雨过程，利用研制的模型模拟和预测城市地面的积水过程，以满足城市防汛减灾工作对水情和涝情预测计算的要求。

　　2.1城市雨洪产汇流计算

　　城市雨洪产汇流计算是城市雨洪模拟的关键和基础，主要包括城市雨洪产流计算、城市雨洪地表汇流计算和城市雨洪管网水流计算。城市地表覆盖分布不均，不透水面与透水面之间错综复杂的空间分布，加之对城市地区复杂下垫面产流规律认识不足和资料短缺导致城市雨洪产流计算精度偏低。目前多采用一些简单的经验性公式或数据统计分析拟合公式。虽说国内外展开了诸多试验和应用研究探讨城市下垫面类型的产流规律，但单点尺度或实验室尺度研究与实际状况仍存在较大差距。如城市区域不透水表面的空间分布以及不透水表面的连通性直接影响到城市的产流特征，如何确定上述因素对城市区域产流规律的影响是今后需要努力的方向。对于城市地表汇流计算，诸多结果证实水动力学计算模型所需初始和边界条件复杂，计算繁琐，在应用方面较为困难；而水文学方法计算简单，但物理机制方面尚不明晰。如传统推理法可用于城市设计洪峰流量计算，但不能反映雨洪流量过程；单位线法对实测资料依赖性较大，不易于计算流量过程线；线性水库未考虑非线性特征，计算结果可靠性不足；非线性水库和等流时线法相对计算比较简单，应用方便且精度较高。针对两类方法的局限性，迫切需要开展城市水文-水动力耦合模型研究，综合考虑水文学方法的简便快捷以及水动力学方法的准确性，建立适合城市区域的地表汇流计算方法，提高城市地表汇流计算精度。然而现有的研究并未给出一种合适或理想的紧密耦合方式以解决上述问题，需要经过长期深入的研究以求较好的途径完成上述目标。城市雨水管网汇流计算方面则相对成熟，包括简单的水文学方法和复杂的水动力学方法。根据已有研究成果分析，若精度要求较高，资料条件好，可采用动力波或扩散波进行模拟计算，反之则可采用马斯京根法进行计算。

　　2.2城市雨洪模型

　　20世纪60年代起，计算机模型开始广泛用于流域水文模拟，至今已经发展了上百种流域水文模型。而城市雨洪模型则主要起步于20世纪70年代，最初由部分政府机构（如美国环保署）组织开展模型研发工作，目前已经发展了多种城市雨洪模型，由简单的概念性模型到复杂的水动力学模型，由统计模型到确定性模型。一般而言，模型都包括降雨径流模块、地表汇流模块和地下管网模块等。

　　纵观城市雨洪模型的发展，模型大致可以分成以下3类：①将水文学方法和水力学方法相结合，分别用于模拟城市地面产汇流过程及雨水在排水管网中的运动，该方法基本单元是水文概念上的集水区域，所以其计算结果仅能反映计算范围内关键位置或断面的洪涝过程；②采用一二维水动力学模型模拟城市内洪水的演进过程，该方法可以充分考虑城市地形和建筑物的分布特点，较好地模拟城区洪水的物理运动过程，并可详细提供洪水演进过程中各水力要素的变化情况；③利用GIS的数字地形技术分析洪水的扩散范围、流动路径，从而确定积水区域，该方法以水体由高向低运动的原理作为计算的基本依据，所提供计算结果仅能反映城市洪水运动的最后状态，不能详细描述洪水的运动过程。对比国内外城市雨洪模型的特点可知：在性能方面，国内自主开发的软件功能相对比较单一，主要围绕某个特定问题展开，而国外模型相对成熟且功能较强，集合水量水质模拟及排水防洪规划等多方面内容；在通用性方面，国内则突出重点地区的应用研发，通用性较差，国外模型则广泛用于城市排水设计、规划和管理等诸多工作，形成了一系列的商业性软件或工具，为成果推广应用提供可能。城市雨洪模型发展至今已经形成了较为完善的概念框架和流程。

　　总体上，城市雨洪模型框架主要包括数据收集与处理模块、城市雨洪计算分析模块和成果输出与综合可视化模块三大类，主要流程包括：①确定模型总体结构，一般含输入输出、模型运算和服务模块等；②确定模型微观结构，如降雨径流模块的计算结构、管网系统模块的计算组成以及各模块的耦合问题等；③整理数据，结合模型结构，确定数据集或建立相适应的数据库；④确定模型参数及边界条件，进行参数率定和验证；⑤成果输出与展示，结合GIS空间分析处理功能，耦合城市雨洪模型，实现成果可视化展示。

　　2.3模型参数优化与不确定性分析

　　模型参数优化与不确定性分析是数学模型应用的关键环节。模型的不确定性可能来源于模型结构，模型输入数据以及模型参数。特别是城市雨洪模型，由于模型结构相对于流域水文模型更为复杂，且资料的缺失或不全可能导致输入的不确定性，以及参数众多带来的参数不确定性问题，这些都成为城市雨洪模型应用过程中的主要难题之一。因此，模型率定、敏感性和不确定性分析是评估模型结果精度和可靠性的关键。目前，重点针对模型参数问题已经开展了诸多研究，如Barco等针对SWMM模型进行自动优化，Dotto等评估了MUSIC模型的参数敏感性，Thorndahl等探讨了MOUSE模型的参数优化及不确定性问题，Khu等分析了不同优化方法在BEMUS模型中的应用，Deletic等提出了全局不确定性评估框架，应用在水量水质耦合模型中。尽管在不确定性方面取得了一些共识，但在理论和实践方面仍存在诸多挑战和困难。随着城市水循环理论的不断完善，城市雨洪模型计算模块逐渐增多，数据资料需求难度增大，加之气候变化等外界因素干扰，致使模型复杂度急剧增加，不确定性问题更加凸显。因此，如何综合处理上述不确定性问题将成为今后模型研究和应用推广的一个重点方向。

　　3、城市雨洪管理与利用

　　雨水作为城市水循环系统中的重要环节，对调节地区水资源和改善生态环境极为关键。诸多研究证实城市雨洪管理是解决城市防洪排涝、减缓水污染、缓解水资源短缺、构建人水和谐城市景观的有效途径，然而不合理的城市发展与规划致使严重的城市水资源短缺和雨洪灾害问题。因此，如何有效开展城市雨洪管理与利用成为城市水文学研究的热点话题。在过去的几十年中，欧美部分发达国家已形成了较为完善的城市雨洪管理体系，如美国通过最佳管理措施（BMP）和低影响开发（LID）的应用大幅度削减了城市面源污染，英国利用可持续排水系统（SUDS）大大改善了城市水生态环境，澳大利亚实施的水敏感型城市设计（WSUD）也极大地缓减了城市供水紧张等问题。近年来，为综合应对未来城市发展挑战，坚持可持续发展的原则，中国也尝试开展城市雨洪管理体系研究与探索，如“十一五”期间北京和上海等特大城市率先开展城市雨水资源化利用研究与试点。虽然在一定程度上取得了良好效果，但尚未形成体系，缺乏综合有效的管理技术、相关法规及政策支持。因此，鉴于中国城市化发展现状及水资源安全问题，国内城市雨洪管理研究面临着重要的机遇及挑战，应结合实施的最严格水资源管理制度和水生态文明建设等相关政策，深入探讨中国城市雨水综合利用与管理技术，为建设生态文明城市及保障城市水安全提供技术支撑。