探索城市水文发展的新途径

□岳利军（河南省水文水资源局）

探索城市水文发展的新途径

□岳利军（河南省水文水资源局）

长期以来，河南省水文工作的重点是在大江大河及其支流上布点观测，城市水文在干旱、洪涝、水污染方面的监测预警预报依然还是一个薄弱环节。因此，在河南省城镇大发展的时期，探索城市水文，增强水文支撑能力，拓展水文领域，使水文工作更深入、更广泛地为经济社会服务，是水文工作者面临的一个特殊挑战，更是当前及今后很长一段时期水文的一项重要工作任务。

2016年7月8日8时到9日上午，河南省北部出现了一次强降水过程，此次降雨的特点是历时短，强度大，区域集中。暴雨中心主要位于新乡市、鹤壁市。新乡市区3 h的降雨量为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。尤其是新乡市区的几处城市雨量站6 h最大降雨量频率千年一遇，24 h最大降雨量频率达千年一遇,突破历史极值。特大暴雨导致新乡市区内涝严重，积水齐腰深，一些低洼的桥下，水面几乎要没到桥面上，大量的私家车被泡，京广铁路一度中断运行。

2016年7月19日，一场突破历史极值的特大暴雨袭击了河南安阳。1 h最大降雨量安阳县新大堰、岭头、李庄，林州市砚花水等雨量站均达100 mm以上。24 h最大降雨量林州市百石湾、东岗、砚花水雨量站分别为738、697、667.50 mm，均超千年一遇，多站24 h最大降雨量超过300 a一遇。受强降水的影响，安阳城区一片汪洋，城市交通瘫痪，京广铁路多趟列车晚点，京港澳高速安阳段三个以上站口全部封闭，连接安阳和林州的安林公路、安姚公路都被大水冲断。

随着经济社会的发展，河南省18个省辖市城区面积不断扩大，城市人口不断增多。2009年在全省18个省辖市增设79处雨量遥测站，并将这些城市的雨量观测信息纳入到全省水文信息监测网中，全省共有90处城市雨量站，基本控制了18个省辖市的城区降雨分布，其中郑州市区雨量站点达15处。城市雨量站按照“重要雨水情信息报送及预警制度”要求，1 h内降雨量超过50 mm向各级防汛指挥部门发送预警短信息。各级水情部门向省防指、新乡市防指发送各类预警信息2000余条。

随着城市水域的整治和绿化美化，许多城市河道都修建了橡胶坝等挡水设施，影响了原有站点水文测验功能。近几年来，河南水文先后调整了漯河、南阳、信阳、新乡、周口、沈丘、汝州等10多处城市水文站测验断面，采用低水和中高水不同的测验方式，进行水文要素的系统观测。2014年，郑州市高分辨率面雨量监测系统项目投入建设，经过2 a的运行，基本能满足城市暴雨预警预报的需要。

郑州市高分辨率面雨量监测系统的主要包括：X波段多普勒雨量雷达、雨滴谱仪、数据处理单元（DPU）、雨量监测预警应用服务系统。系统中多普勒雨量雷达能够5 min观测1次，2 min内完成雷达数据的处理与传输，5 min完成1次雷达数据的雨量反演计算，能够获取分辨率60×60 m2的格点雨量场，实现36 km半径内空间的连续覆盖无缝探测，无人值守和自动连续运行。实现了郑州市区及周边地区高时空分辨率面雨量的快速采集、传输、处理和应用服务，全面提升了郑州市暴雨监测及重点地区洪涝预警预报能力。

2015年河南水文开展了郑州市区暴雨洪水预警预报服务系统建设，2016年汛期进行了试运行，主要研究内容包括：

（1）郑州市洪涝孕灾环境演变规律分析

开展了郑州市暴雨洪涝灾害敏感性区域划分、郑州市暴雨径流特征及暴雨强度公式修正、积水点调查及原因分析等研究。

（2）构建郑州市暴雨洪水模型

模型基于物理机制的，采用质量、能量和动量守恒原理描述暴雨洪水径流，模型涉及的主要物理过程包括地表产流、地表汇流、管网汇流以及地表积水过程。其中城市区域的汇水区主要以人类活动和管道布设有关。根据郑州市区8大排水分区，以及现状和规划管网情况，将郑州市区管网概化为2435个节点（雨水井），最后对模型进行运算和封装，为预警预报服务系统提供数据支撑。

（3）建立郑州市内涝动态仿真系统

以郑州市暴雨洪水模型演算结果为数据支撑，基于WebGIS技术开发城市内涝预警预报仿真系统，主要包括基础信息管理模块、暴雨洪水风险模块、暴雨洪水预警预报模块，三维展示模块以及结果查询模块等。可以根据历史降雨资料和设计降雨，识别郑州市暴雨洪水风险，也可以根据遥测实时雨量数据或者雷达预报雨量数据对郑州市暴雨洪水预警预报。通过汛情信息的实时监测与管理、郑州市暴雨洪水模型仿真模拟、雨洪预警等功能模块，最终为防汛预警和应急调度提供决策依据和技术支持。

项目结合现代化降雨监测及信息技术，利用高分辨率雷达区域（面、点）雨量自动监测技术成果和高精度数字地理信息，收集整理典型区气象、水文、郑州市管网和土地利用等基础数据信息，研制精细的郑州市洪涝分布式模拟模型，分析在不同暴雨情景下雨水管网与河道流量变化关系，建立了内涝动态仿真模拟、动态分析和展示郑州市关键街区淹没水深、淹没过程，能够发布洪涝预警，为郑州市暴雨洪水事件的防灾减灾提供准确有效的技术支持，填补了河南省城市水文建设和新技术应用的空白。

《河南省水文基础设施总体方案》（2014年-2020年），已经河南省发改委批复实施，按照总体方案规划，考虑到城市化进程的不断加快，城市供水、水域污染、河道淤积、生态退化、热岛效应、城市资源型缺水、水质型缺水等问题频发，将分年度新建城市水文水生态站（38处）项目。总体方案实施后，可以根据河南省经济发展现状及城市水文水生态监测需求，开展以重要城市水源地、游览区大型水域为主要对象的城市水文水生态环境监测工作。同时提出了优化生物指标和生物指标的选取，配置水质多参数测定仪、生物毒性测定仪、叶绿素测定仪等自动在线监测设备，全面开展水域内有毒有机物监测及水体沉积物、水生生物、鱼体残毒、污染毒性试验等水生态监测，建立生态预警系统等行之有效的工作方案。

2016年河南省发改委批复《全国水文基础设施建设郑州水文实验站实施方案》，郑州城市水文实验站是全国规划建设的三个城市水文实验站之一，定位为城市综合水文实验站，立足城市，面向全省，拟在研究区域内开展人类活动影响下城市降雨径流规律、城市暴雨洪水预警预报系统完善与提升等七个方向的研究。主要包含以下内容：

1、人类活动影响下城市降雨径流规律

开展降水在城市时空分布上的变化、城市蒸发与城市环境变化关系、土壤水的变化规律、产汇流单元划分、产流参数的模拟及率定、地表汇流、管网汇流等方面的研究内容，将为城市发展规划、城市建设、城市水环境与生态保护等建设规划提供数据基础及技术支撑。

2、节水型示范小区建设及指标体系

随着海绵城市、节水型示范城市的大力发展，通过建设节水型示范工程，开展长期的、综合的观测实验分析，为节水型社会建设提供决策依据。节水型小区建设是节水型社会建设的基本单元，把郑州水文实验站作为节水型示范小区建设，新建雨水收集系统、水循环利用系统及实时监控系统，同步开展蓄水水质、水生态变化监测与示范小区节水、蓄水系统建设指标体系研究，提高水资源的合理利用和开发水平，通过示范和带动，为节水型社会建设提供技术保障，促进郑州节水型社会建设工作。

3、城市暴雨洪水预警预报系统完善与提升

“郑州市区暴雨洪水预警预报服务系统”在应用过程中，针对模拟分析的郑州市城区内主要积水路段（点）建设监测系统，通过积水深度、积水面积和积水量等数据对城市暴雨洪水预警预报系统模型进行检验和参数修正，减少模型模拟误差。同时开发蓄水变动与洪水演进模型，为进一步开展的城市暴雨洪水预警决策服务提供科学依据。

4、城市水生态规律

通过对全市水体大范围、典型区域水生态系统调查摸底，包括浮游植物、浮游动物、水生生物、底栖动物、水生植物、鱼类及相应栖息地、岸边带等采样与调查，及时、准确、全面地反映水生态系统现状。开展长时期的水生态系统连续采样监测，定量分析水文、水质等背景要素与水生态系统的关系，明晰水生态系统的变化趋势。其研究可为水生态文明建设、水生态修复、生态预警等提供科学依据。

5、人类活动影响下的城市地下水规律

河南省政府将郑州市主城区划定为深层承压地下水禁采区，因此，摸清郑州市不同层位地下水实时信息，开展城市地下水变化规律研究，是落实最严格水资源管理制度的具体体现，对郑州市严格地下水管理和保护具有重要意义。在充分利用现有监测井及在建的国家地下水监测井的基础上，建立超深层地下水自动监测井，开展郑州市超深层地下水实验监测，完善城市地下水监测井网空间布局，实现对郑州市浅层、中深层、深层及超深层地下水位的全部含水层实时监测，为郑州市城市超采区综合治理、南水北调受水区地下水压采实施方案等工作，提供及时、准确、全面的地下水动态信息反馈资料，从而为深入研究城市超采区压采量与地下水位关系、城市开采量与地下水位关系等人类活动影响下的城市地下水变化规律研究，提供重要基础支撑。

6、遥感技术在水文水利工作中的应用

应用国产卫星遥感资源远程数据站、低空无人机遥感监测系统、地面移动遥感监测平台等图像数据信息，开展遥感解译算法，及时提取地表水体调查、地表水体动态监测、积雪覆盖调查、湿地资源调查、水体富营养化监测、悬浮固体、土壤侵蚀监测、水土保持治理与监督、旱情监测等方面的基础地理信息，服务于水资源管理、水环境监测、水土保持、水利工程检测、防洪抗旱等业务。

7、X波段雷达在城市雨量监测中应用及优化

通过建设多个雨量计阵与现有雷达测雨系统进行同步观测，针对不同的降水类型、时段，对比分析两者的测量结果来进一步验证雨量探测精度。同时，增加不同品牌的多台雨滴谱仪，进行比测选型，利用雨滴谱仪优化有关算法，提高算法精度。

郑州城市水文实验站的建设将进一步提高城市水文的监测、预警预报服务水平，满足新时期城市水文工作发展的要求。

（责任编辑：宋大春）

2016-12-02