變化環(huán)境下城市水文學(xué)的發(fā)展與挑戰(zhàn)_ii_城市雨洪模擬與管理

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1、變化環(huán)境下城市水文學(xué)的發(fā)展與挑戰(zhàn)———II.城市雨洪模擬與管理宋曉猛1，2，張建云1，2，王國(guó)慶1，2，賀瑞敏1，2，王小軍1，2(1．南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京2．水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，江蘇南京210029)210029;摘要:全球氣候變化和快速城市化改變了城市水循環(huán)過(guò)程，加劇了城市暴雨洪澇問(wèn)題。從城市雨洪模型構(gòu)建的角度，回顧了降雨觀測(cè)與預(yù)報(bào)技術(shù)、城市雨洪產(chǎn)匯流計(jì)算方法以及城市雨洪模型的發(fā)展歷程，總結(jié)了各種技術(shù)的特點(diǎn)、適用性和局限性，指出城市雨洪模型在機(jī)理認(rèn)識(shí)和數(shù)據(jù)管理方面的不足，提出了城市雨洪模型的概念性框架與

2、基本流程。從雨洪資源化的角度，介紹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術(shù)方案。闡明了城市雨洪模擬與管理的發(fā)展趨勢(shì)及前景，未來(lái)應(yīng)該強(qiáng)化高精度降雨觀測(cè)和臨近定量降雨預(yù)報(bào)能力，探索城市化流域的產(chǎn)匯流機(jī)理和響應(yīng)機(jī)制，開(kāi)發(fā)有效的城市雨洪模型系統(tǒng)，發(fā)展多源信息耦合技術(shù)，開(kāi)展城市雨洪模擬預(yù)報(bào)及資源化利用研究，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展以及保障城市水安全。關(guān)鍵詞:城市水文學(xué);定量降雨預(yù)報(bào);城市洪水;城市雨洪管理;水安全中圖分類(lèi)號(hào):TV124;TU992文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1001-6791(2014)05-0752-13近年來(lái)，全球氣候變化和強(qiáng)烈的人類(lèi)活動(dòng)使得

3、全球水安全問(wèn)題日益凸顯，人類(lèi)社會(huì)正面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的水資源短缺、水環(huán)境污染、洪澇和干旱災(zāi)害等［1］。由于城市化作為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志［2］，城市區(qū)域的水安全問(wèn)題更加突出，引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注［3-4］。然而城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與城市自身發(fā)展不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致城市自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和損失持續(xù)攀升，加之全球氣候變化的不利影響，加劇了城市自然災(zāi)害發(fā)生的頻次、風(fēng)險(xiǎn)及損失，尤其是城市暴雨洪澇問(wèn)題特別顯著［5］。近年來(lái)，城市暴雨洪澇災(zāi)害頻發(fā)，如2013年1月印度尼西亞首都雅加達(dá)地區(qū)，6月加拿大西部地區(qū)、印度北部地區(qū)、中歐地區(qū)，7月中國(guó)西南地區(qū)，8月阿富汗和巴基斯坦部分地區(qū)以及印

4、度尼西亞，9月美國(guó)西南部地區(qū)(科羅拉多州和新墨西哥州)，10月中國(guó)長(zhǎng)三角沿海地區(qū)等。因此，如何應(yīng)對(duì)和管理城市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題［6-8］，有效開(kāi)展城市暴雨洪水預(yù)警預(yù)報(bào)和綜合雨洪管理研究成為城市水文學(xué)研究的前沿課題。目前國(guó)內(nèi)外在降雨觀測(cè)與模擬，城市暴雨洪水模擬與預(yù)報(bào)預(yù)警以及城市雨洪利用及綜合管理方面取得了一系列成果，本文對(duì)此進(jìn)行介紹和評(píng)述，并指出變化環(huán)境下城市雨洪模擬和管理方面研究的挑戰(zhàn)，展望未來(lái)的主要研究趨勢(shì)。1降雨觀測(cè)與預(yù)報(bào)眾所周知，降雨是水循環(huán)過(guò)程的關(guān)鍵因素之一，是水文模型研究的基礎(chǔ)資料和水文計(jì)算與預(yù)報(bào)最重要的輸入項(xiàng)，也是陸面水文過(guò)

5、程的主要輸入驅(qū)動(dòng)。因此，高精度的降雨時(shí)空分布觀測(cè)與預(yù)報(bào)是城市雨洪模擬及預(yù)警預(yù)報(bào)研究的基礎(chǔ)和先決條件。一般而言，持續(xù)性降雨或短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨是城市雨洪內(nèi)澇的主要驅(qū)動(dòng)因子，加之城市化流域匯流面積相對(duì)較小(一般數(shù)百到數(shù)千平方公里)，匯流時(shí)間相對(duì)較短(幾小時(shí)甚至幾十分收稿日期:2014-01-14;網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2014-08-06網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20140806.0837.012.html基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2010CB951103);南京水利科學(xué)

6、研究院研究生論文基金項(xiàng)目(LB51302)作者簡(jiǎn)介:宋曉猛(1987—)，男，江蘇徐州人，博士研究生，主要從事水文水資源方面研究。E-mail:xmsong@nhri.cn753宋曉猛，等:變化環(huán)境下城市水文學(xué)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第5期鐘)。因此，城市雨洪模擬對(duì)降雨資料的要求較高，即需要更精細(xì)的時(shí)間和空間分辨率以充分表現(xiàn)降雨的時(shí)空變異特征，如時(shí)間尺度往往從數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘不等，空間尺度則為數(shù)百米到數(shù)千米之間［9］。然而，由于降雨過(guò)程的高度時(shí)空變異性以及城市區(qū)域站點(diǎn)分布和觀測(cè)范圍的局限性，尚不能滿足城市洪水預(yù)報(bào)的資料需求，即城市降雨觀測(cè)及預(yù)報(bào)已成為城市雨洪模擬與預(yù)警預(yù)報(bào)

7、的主要瓶頸［10］。1.1降雨觀測(cè)目前降雨觀測(cè)的手段很多，主要包括地面站點(diǎn)觀測(cè)、衛(wèi)星遙感和天氣雷達(dá)估測(cè)等。這3種方法的最大差別在于站點(diǎn)觀測(cè)主要基于地面某一點(diǎn)記錄，而天氣雷達(dá)和衛(wèi)星系統(tǒng)則從側(cè)面或上部遙測(cè)降雨。地面觀測(cè)雨量直接以空間均值用于洪水計(jì)算，而天氣雷達(dá)和衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)需要通過(guò)特定處理算法計(jì)算地面降雨量。這3種方法各有優(yōu)點(diǎn)及不足，在具體應(yīng)用中往往相互補(bǔ)充與佐證［11］。為提高降雨觀測(cè)精度，最初是通過(guò)增加地面觀測(cè)站點(diǎn)以及調(diào)整站網(wǎng)布局等手段來(lái)解決觀測(cè)的局限性。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了諸多研究探討降雨站點(diǎn)密度的最佳配置問(wèn)題，如Berne等［12］和Einfalt等［13］建議城

8、市流域徑流模擬研究需要的時(shí)間和空間分辨