探索城市水文發(fā)展的新途徑

□岳利軍（河南省水文水資源局）

探索城市水文發(fā)展的新途徑

□岳利軍（河南省水文水資源局）

長(zhǎng)期以來(lái)，河南省水文工作的重點(diǎn)是在大江大河及其支流上布點(diǎn)觀測(cè)，城市水文在干旱、洪澇、水污染方面的監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)依然還是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。因此，在河南省城鎮(zhèn)大發(fā)展的時(shí)期，探索城市水文，增強(qiáng)水文支撐能力，拓展水文領(lǐng)域，使水文工作更深入、更廣泛地為經(jīng)濟(jì)社會(huì)服務(wù)，是水文工作者面臨的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)，更是當(dāng)前及今后很長(zhǎng)一段時(shí)期水文的一項(xiàng)重要工作任務(wù)。

2016年7月8日8時(shí)到9日上午，河南省北部出現(xiàn)了一次強(qiáng)降水過(guò)程，此次降雨的特點(diǎn)是歷時(shí)短，強(qiáng)度大，區(qū)域集中。暴雨中心主要位于新鄉(xiāng)市、鶴壁市。新鄉(xiāng)市區(qū)3 h的降雨量為250 mm，6 h降雨量345.30 mm，次最大降雨量461 mm，60 min最大降雨、6 h最大降雨均超百年一遇。尤其是新鄉(xiāng)市區(qū)的幾處城市雨量站6 h最大降雨量頻率千年一遇，24 h最大降雨量頻率達(dá)千年一遇,突破歷史極值。特大暴雨導(dǎo)致新鄉(xiāng)市區(qū)內(nèi)澇嚴(yán)重，積水齊腰深，一些低洼的橋下，水面幾乎要沒(méi)到橋面上，大量的私家車被泡，京廣鐵路一度中斷運(yùn)行。

2016年7月19日，一場(chǎng)突破歷史極值的特大暴雨襲擊了河南安陽(yáng)。1 h最大降雨量安陽(yáng)縣新大堰、嶺頭、李莊，林州市硯花水等雨量站均達(dá)100 mm以上。24 h最大降雨量林州市百石灣、東崗、硯花水雨量站分別為738、697、667.50 mm，均超千年一遇，多站24 h最大降雨量超過(guò)300 a一遇。受強(qiáng)降水的影響，安陽(yáng)城區(qū)一片汪洋，城市交通癱瘓，京廣鐵路多趟列車晚點(diǎn)，京港澳高速安陽(yáng)段三個(gè)以上站口全部封閉，連接安陽(yáng)和林州的安林公路、安姚公路都被大水沖斷。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，河南省18個(gè)省轄市城區(qū)面積不斷擴(kuò)大，城市人口不斷增多。2009年在全省18個(gè)省轄市增設(shè)79處雨量遙測(cè)站，并將這些城市的雨量觀測(cè)信息納入到全省水文信息監(jiān)測(cè)網(wǎng)中，全省共有90處城市雨量站，基本控制了18個(gè)省轄市的城區(qū)降雨分布，其中鄭州市區(qū)雨量站點(diǎn)達(dá)15處。城市雨量站按照“重要雨水情信息報(bào)送及預(yù)警制度”要求，1 h內(nèi)降雨量超過(guò)50 mm向各級(jí)防汛指揮部門發(fā)送預(yù)警短信息。各級(jí)水情部門向省防指、新鄉(xiāng)市防指發(fā)送各類預(yù)警信息2000余條。

隨著城市水域的整治和綠化美化，許多城市河道都修建了橡膠壩等擋水設(shè)施，影響了原有站點(diǎn)水文測(cè)驗(yàn)功能。近幾年來(lái)，河南水文先后調(diào)整了漯河、南陽(yáng)、信陽(yáng)、新鄉(xiāng)、周口、沈丘、汝州等10多處城市水文站測(cè)驗(yàn)斷面，采用低水和中高水不同的測(cè)驗(yàn)方式，進(jìn)行水文要素的系統(tǒng)觀測(cè)。2014年，鄭州市高分辨率面雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目投入建設(shè)，經(jīng)過(guò)2 a的運(yùn)行，基本能滿足城市暴雨預(yù)警預(yù)報(bào)的需要。

鄭州市高分辨率面雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要包括：X波段多普勒雨量雷達(dá)、雨滴譜儀、數(shù)據(jù)處理單元（DPU）、雨量監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)中多普勒雨量雷達(dá)能夠5 min觀測(cè)1次，2 min內(nèi)完成雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理與傳輸，5 min完成1次雷達(dá)數(shù)據(jù)的雨量反演計(jì)算，能夠獲取分辨率60×60 m2的格點(diǎn)雨量場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)36 km半徑內(nèi)空間的連續(xù)覆蓋無(wú)縫探測(cè)，無(wú)人值守和自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)了鄭州市區(qū)及周邊地區(qū)高時(shí)空分辨率面雨量的快速采集、傳輸、處理和應(yīng)用服務(wù)，全面提升了鄭州市暴雨監(jiān)測(cè)及重點(diǎn)地區(qū)洪澇預(yù)警預(yù)報(bào)能力。

2015年河南水文開(kāi)展了鄭州市區(qū)暴雨洪水預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，2016年汛期進(jìn)行了試運(yùn)行，主要研究?jī)?nèi)容包括：

（1）鄭州市洪澇孕災(zāi)環(huán)境演變規(guī)律分析

開(kāi)展了鄭州市暴雨洪澇災(zāi)害敏感性區(qū)域劃分、鄭州市暴雨徑流特征及暴雨強(qiáng)度公式修正、積水點(diǎn)調(diào)查及原因分析等研究。

（2）構(gòu)建鄭州市暴雨洪水模型

模型基于物理機(jī)制的，采用質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒原理描述暴雨洪水徑流，模型涉及的主要物理過(guò)程包括地表產(chǎn)流、地表匯流、管網(wǎng)匯流以及地表積水過(guò)程。其中城市區(qū)域的匯水區(qū)主要以人類活動(dòng)和管道布設(shè)有關(guān)。根據(jù)鄭州市區(qū)8大排水分區(qū)，以及現(xiàn)狀和規(guī)劃管網(wǎng)情況，將鄭州市區(qū)管網(wǎng)概化為2435個(gè)節(jié)點(diǎn)（雨水井），最后對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)算和封裝，為預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）建立鄭州市內(nèi)澇動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)

以鄭州市暴雨洪水模型演算結(jié)果為數(shù)據(jù)支撐，基于WebGIS技術(shù)開(kāi)發(fā)城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)仿真系統(tǒng)，主要包括基礎(chǔ)信息管理模塊、暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)模塊、暴雨洪水預(yù)警預(yù)報(bào)模塊，三維展示模塊以及結(jié)果查詢模塊等。可以根據(jù)歷史降雨資料和設(shè)計(jì)降雨，識(shí)別鄭州市暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)，也可以根據(jù)遙測(cè)實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)或者雷達(dá)預(yù)報(bào)雨量數(shù)據(jù)對(duì)鄭州市暴雨洪水預(yù)警預(yù)報(bào)。通過(guò)汛情信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理、鄭州市暴雨洪水模型仿真模擬、雨洪預(yù)警等功能模塊，最終為防汛預(yù)警和應(yīng)急調(diào)度提供決策依據(jù)和技術(shù)支持。

項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)代化降雨監(jiān)測(cè)及信息技術(shù)，利用高分辨率雷達(dá)區(qū)域（面、點(diǎn)）雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)成果和高精度數(shù)字地理信息，收集整理典型區(qū)氣象、水文、鄭州市管網(wǎng)和土地利用等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，研制精細(xì)的鄭州市洪澇分布式模擬模型，分析在不同暴雨情景下雨水管網(wǎng)與河道流量變化關(guān)系，建立了內(nèi)澇動(dòng)態(tài)仿真模擬、動(dòng)態(tài)分析和展示鄭州市關(guān)鍵街區(qū)淹沒(méi)水深、淹沒(méi)過(guò)程，能夠發(fā)布洪澇預(yù)警，為鄭州市暴雨洪水事件的防災(zāi)減災(zāi)提供準(zhǔn)確有效的技術(shù)支持，填補(bǔ)了河南省城市水文建設(shè)和新技術(shù)應(yīng)用的空白。

《河南省水文基礎(chǔ)設(shè)施總體方案》（2014年-2020年），已經(jīng)河南省發(fā)改委批復(fù)實(shí)施，按照總體方案規(guī)劃，考慮到城市化進(jìn)程的不斷加快，城市供水、水域污染、河道淤積、生態(tài)退化、熱島效應(yīng)、城市資源型缺水、水質(zhì)型缺水等問(wèn)題頻發(fā)，將分年度新建城市水文水生態(tài)站（38處）項(xiàng)目。總體方案實(shí)施后，可以根據(jù)河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀及城市水文水生態(tài)監(jiān)測(cè)需求，開(kāi)展以重要城市水源地、游覽區(qū)大型水域?yàn)橹饕獙?duì)象的城市水文水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。同時(shí)提出了優(yōu)化生物指標(biāo)和生物指標(biāo)的選取，配置水質(zhì)多參數(shù)測(cè)定儀、生物毒性測(cè)定儀、葉綠素測(cè)定儀等自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，全面開(kāi)展水域內(nèi)有毒有機(jī)物監(jiān)測(cè)及水體沉積物、水生生物、魚體殘毒、污染毒性試驗(yàn)等水生態(tài)監(jiān)測(cè)，建立生態(tài)預(yù)警系統(tǒng)等行之有效的工作方案。

2016年河南省發(fā)改委批復(fù)《全國(guó)水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)鄭州水文實(shí)驗(yàn)站實(shí)施方案》，鄭州城市水文實(shí)驗(yàn)站是全國(guó)規(guī)劃建設(shè)的三個(gè)城市水文實(shí)驗(yàn)站之一，定位為城市綜合水文實(shí)驗(yàn)站，立足城市，面向全省，擬在研究區(qū)域內(nèi)開(kāi)展人類活動(dòng)影響下城市降雨徑流規(guī)律、城市暴雨洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)完善與提升等七個(gè)方向的研究。主要包含以下內(nèi)容：

1、人類活動(dòng)影響下城市降雨徑流規(guī)律

開(kāi)展降水在城市時(shí)空分布上的變化、城市蒸發(fā)與城市環(huán)境變化關(guān)系、土壤水的變化規(guī)律、產(chǎn)匯流單元?jiǎng)澐帧a(chǎn)流參數(shù)的模擬及率定、地表匯流、管網(wǎng)匯流等方面的研究?jī)?nèi)容，將為城市發(fā)展規(guī)劃、城市建設(shè)、城市水環(huán)境與生態(tài)保護(hù)等建設(shè)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及技術(shù)支撐。

2、節(jié)水型示范小區(qū)建設(shè)及指標(biāo)體系

隨著海綿城市、節(jié)水型示范城市的大力發(fā)展，通過(guò)建設(shè)節(jié)水型示范工程，開(kāi)展長(zhǎng)期的、綜合的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)分析，為節(jié)水型社會(huì)建設(shè)提供決策依據(jù)。節(jié)水型小區(qū)建設(shè)是節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的基本單元，把鄭州水文實(shí)驗(yàn)站作為節(jié)水型示范小區(qū)建設(shè)，新建雨水收集系統(tǒng)、水循環(huán)利用系統(tǒng)及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，同步開(kāi)展蓄水水質(zhì)、水生態(tài)變化監(jiān)測(cè)與示范小區(qū)節(jié)水、蓄水系統(tǒng)建設(shè)指標(biāo)體系研究，提高水資源的合理利用和開(kāi)發(fā)水平，通過(guò)示范和帶動(dòng)，為節(jié)水型社會(huì)建設(shè)提供技術(shù)保障，促進(jìn)鄭州節(jié)水型社會(huì)建設(shè)工作。

3、城市暴雨洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)完善與提升

“鄭州市區(qū)暴雨洪水預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)”在應(yīng)用過(guò)程中，針對(duì)模擬分析的鄭州市城區(qū)內(nèi)主要積水路段（點(diǎn)）建設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)積水深度、積水面積和積水量等數(shù)據(jù)對(duì)城市暴雨洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和參數(shù)修正，減少模型模擬誤差。同時(shí)開(kāi)發(fā)蓄水變動(dòng)與洪水演進(jìn)模型，為進(jìn)一步開(kāi)展的城市暴雨洪水預(yù)警決策服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

4、城市水生態(tài)規(guī)律

通過(guò)對(duì)全市水體大范圍、典型區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查摸底，包括浮游植物、浮游動(dòng)物、水生生物、底棲動(dòng)物、水生植物、魚類及相應(yīng)棲息地、岸邊帶等采樣與調(diào)查，及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映水生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀。開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)期的水生態(tài)系統(tǒng)連續(xù)采樣監(jiān)測(cè)，定量分析水文、水質(zhì)等背景要素與水生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系，明晰水生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢(shì)。其研究可為水生態(tài)文明建設(shè)、水生態(tài)修復(fù)、生態(tài)預(yù)警等提供科學(xué)依據(jù)。

5、人類活動(dòng)影響下的城市地下水規(guī)律

河南省政府將鄭州市主城區(qū)劃定為深層承壓地下水禁采區(qū)，因此，摸清鄭州市不同層位地下水實(shí)時(shí)信息，開(kāi)展城市地下水變化規(guī)律研究，是落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度的具體體現(xiàn)，對(duì)鄭州市嚴(yán)格地下水管理和保護(hù)具有重要意義。在充分利用現(xiàn)有監(jiān)測(cè)井及在建的國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)井的基礎(chǔ)上，建立超深層地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)井，開(kāi)展鄭州市超深層地下水實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，完善城市地下水監(jiān)測(cè)井網(wǎng)空間布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)鄭州市淺層、中深層、深層及超深層地下水位的全部含水層實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為鄭州市城市超采區(qū)綜合治理、南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采實(shí)施方案等工作，提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的地下水動(dòng)態(tài)信息反饋資料，從而為深入研究城市超采區(qū)壓采量與地下水位關(guān)系、城市開(kāi)采量與地下水位關(guān)系等人類活動(dòng)影響下的城市地下水變化規(guī)律研究，提供重要基礎(chǔ)支撐。

6、遙感技術(shù)在水文水利工作中的應(yīng)用

應(yīng)用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星遙感資源遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)站、低空無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面移動(dòng)遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)等圖像數(shù)據(jù)信息，開(kāi)展遙感解譯算法，及時(shí)提取地表水體調(diào)查、地表水體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、積雪覆蓋調(diào)查、濕地資源調(diào)查、水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)、懸浮固體、土壤侵蝕監(jiān)測(cè)、水土保持治理與監(jiān)督、旱情監(jiān)測(cè)等方面的基礎(chǔ)地理信息，服務(wù)于水資源管理、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水土保持、水利工程檢測(cè)、防洪抗旱等業(yè)務(wù)。

7、X波段雷達(dá)在城市雨量監(jiān)測(cè)中應(yīng)用及優(yōu)化

通過(guò)建設(shè)多個(gè)雨量計(jì)陣與現(xiàn)有雷達(dá)測(cè)雨系統(tǒng)進(jìn)行同步觀測(cè)，針對(duì)不同的降水類型、時(shí)段，對(duì)比分析兩者的測(cè)量結(jié)果來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證雨量探測(cè)精度。同時(shí)，增加不同品牌的多臺(tái)雨滴譜儀，進(jìn)行比測(cè)選型，利用雨滴譜儀優(yōu)化有關(guān)算法，提高算法精度。

鄭州城市水文實(shí)驗(yàn)站的建設(shè)將進(jìn)一步提高城市水文的監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)水平，滿足新時(shí)期城市水文工作發(fā)展的要求。

（責(zé)任編輯：宋大春）

2016-12-02