华北山前平原城区雨洪预报及资源利用关键技术研究

郭凤震

华北山前平原地区经济比较发达，随着城市化进程的加快和国民经济的高速发展，城区人口不断增加，面积不断扩张，使原有的农田、林地逐渐被建筑物及硬化地面取代，导致降雨和产流规律发生较大改变，局部暴雨洪水常常造成城区内涝、街道积水，对居民生活和社会稳定造成严重的影响。同时，伴随城市的扩张，水资源紧缺已成为制约华北地区城市持续发展的重要“瓶颈”，做好华北山前平原城区雨洪预报及资源利用这一工作十分重要。

1. 立项背景

暴雨预报技术是城区暴雨洪水计算和雨水排水系统规划设计的依据之一，关系到城区防洪工程的投资和运行安全。目前，大多数城市沿用上世纪80年代同济大学的研究成果，无法反映30年来水文气象条件变化的现状，重新编制暴雨强度公式是城市发展的迫切需要。

从国内外有关研究文献来看，没有对山前平原城市雨洪的专题研究；城区暴雨特性、雨洪预报新技术和城区“雨岛效应”定量研究较少；缺少城区雨洪资源数量和质量结合研究；没有联系水生态文明城市建设进行雨洪资源化利用的专题研究。因此，开展城区雨洪研究，分析城区降雨、产汇流规律，提高城市防洪能力，减轻城区内涝灾害，科学利用城区雨洪资源，促进城市可持续发展具有十分重要的意义。课题2007年列入河北省水利科研与推广计划，研究工作由邯郸水文水资源勘测局、邯郸市水利局等单位历时5年共同完成。

2. 研究思路、技术方法和目标

2.1 研究思路

在充分利用历史资料的基础上，增设雨量、水文、水质监测站点，搜集现状条件下的水文气象资料，借鉴国内外相关研究方法和成果，采用先进的理论和技术方法，分析研究城区暴雨径流变化及分布规律，创建新的短历时暴雨强度公式，建立以不透水面积率为参数的综合暴雨径流关系，构建完善的雨洪预报技术体系；研究不同下垫面的降雨径流水质变化规律，科学评估城市雨洪资源利用潜力，因地制宜地研究城市雨洪资源化利用模式。

2.2 关键技术和方法

关键技术包括：系列代表性分析技术；暴雨重现期分析技术；雨洪关系分析技术；暴雨特性参数优选技术；城区雨岛效应分析技术；雨洪水质水量结合研究技术；SWMM产汇流模型改进及应用技术；基于“五河四湖”模式的雨洪资源利用技术。

方法包括：暴雨衰减指数法；暴雨雨型概化法；麦夸尔特解析法；多元线性回归分析法；Kendall检验法；SWMM产汇流模型法。

2.3 研究目标

一是解决原有暴雨强度公式与现状条件不相适应的问题；二是分析研究不同下垫面条件下综合暴雨径流关系；三是解决典型区域暴雨产汇流预报问题；四是验证城区“雨岛效应”是否存在及影响程度；五是分析确定水质水量结合研究下的城区资源化利用量；六是建立与水生态文明城市相适应的雨洪资源利用模式。

3. 研究成果

以华北山前平原城区为研究对象，在充分利用水文气象历史资料的基础上，专设8处水文站和5处雨量站，历时5年对11处研究区169次暴雨洪水开展研究，主要研究成果。

一是利用暴雨特性参数优选等技术，采用麦夸尔特解析法、暴雨衰减指数法等方法，对城区暴雨特性进行研究，创建了现状条件下新的短历时和超短历时暴雨强度公式：

式中：

T—重现期，年；

i—重现期为T年的t时段内平均降水强度，mm/min；

g—流量，L/（s·hm2）；

t—降水时段，min。

现状条件下的暴雨强度公式与原有公式相比，设计暴雨强度有增大趋势，雨强随暴雨历时增加衰减愈加明显。

对不同时段暴雨资料统计分析，利用衰减指数法建立了短历时暴雨概化公式：

由暴雨H～t关系表明，1h为暴雨衰减变化拐点，1h内的暴雨雨强衰减较慢，1～24h的暴雨雨强衰减较快，衰减指数不随重现期变化。

二是利用研究区划分与雨洪关系分析技术，SWMM产汇流模型技术，采用多元线性回归分析法，Kendall检验法，推导出适合本地区的综合暴雨径流公式。

从11个研究区实测的暴雨径流资料中，共选取169次洪水过程，以不透水面积率为参数建立暴雨径流综合关系，采用多元线性回归分析法，推导出适合本地区的综合暴雨径流公式：R=1.198PI2.152-7.33I2.211+0.50。

利用SWMM产汇流模型对育德花园研究区降雨汇流进行研究，确定了适合华北山前平原城区的模型参数，并对邯钢小区产汇流进行了推导模拟，模拟结果和实际监测结果一致。

三是基于大量城区及近郊降雨资料，揭示了邯郸市城区 “雨岛效应”，分析了雨水资源利用量，构建了城市雨洪产汇流技术支撑体系。

选取城区及其近郊降雨资料，研究分析证明，邯郸市城区汛期有明显的城市“雨岛效应”存在，每年汛期的 6～9月，城区降雨量平均比郊区大9.95%。30.0mm的日降雨量为产生“雨岛效应”临界值，且日降雨量越大“雨岛效应”越明显。

四是结合邯郸市生态水网建设，在对雨洪资源利用条件分析的基础上，从雨洪资源利用措施、利用案例、利用模式、利用规划4个方面对城区雨洪资源利用技术进行研究，结合邯郸城区生态水网和城区雨洪产汇流及水质水量研究成果，提出城区河道闸坝根据雨量大小在 30min后闭闸蓄水，湖泊提闸滞洪，通过“五河”，经水利工程调蓄后补给“四湖”及公园水面的雨洪资源利用模式，为城区雨洪资源利用提供了科学依据。

4. 应用情况

研究成果在冀、鲁、豫、晋水利、规划设计、公共事业、科研院校等部门推广应用。“邯郸市中心城区防洪排沥规划”、“邯郸市滏阳河通航与综合治理方案”、“邯郸市外环立交桥规划设计”、“河北省汛期防洪预案”、“长治市城区防汛预案”、“长治市水资源评价”、“聊城市城区水资源承载能力”等项目采用了本项目的研究成果。河海大学把本项目的研究成果作为教学案例在教学中进行推广，一系列推广应用取得了显著的经济效益、社会效益和环境效益。