变化环境下城市水文学的发展与挑战_ii_城市雨洪模拟与管理

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1、变化环境下城市水文学的发展与挑战———II.城市雨洪模拟与管理宋晓猛1，2，张建云1，2，王国庆1，2，贺瑞敏1，2，王小军1，2(1．南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京2．水利部应对气候变化研究中心，江苏南京210029)210029;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

2、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;水安全中图分类号:TV124;TU992文献标志码:A文章编号:1001-6791(2014)05-0752-13近年来，

3、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［1］。由于城市化作为人类社会发展的一个重要标志［2］，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［3-4］。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［5］。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

4、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［6-8］，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

5、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(几小时甚至几十分收稿日期:2014-01-14;网络出版时间:2014-08-06网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20140806.0837.012.html基金项目:国家重点

6、基础研究发展计划(973计划)资助项目(2010CB951103);南京水利科学研究院研究生论文基金项目(LB51302)作者简介:宋晓猛(1987—)，男，江苏徐州人，博士研究生，主要从事水文水资源方面研究。E-mail:xmsong@nhri.cn753宋晓猛，等:变化环境下城市水文学的发展与挑战第5期钟)。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［9］。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

7、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［10］。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［11］。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

8、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［12］和Einfalt等［13］建议城市流域径流模拟研究需要的时间和空间分辨