郭鳳震
華北山前平原地區(qū)經(jīng)濟比較發(fā)達,隨著城市化進程的加快和國民經(jīng)濟的高速發(fā)展,城區(qū)人口不斷增加,面積不斷擴張,使原有的農(nóng)田、林地逐漸被建筑物及硬化地面取代,導致降雨和產(chǎn)流規(guī)律發(fā)生較大改變,局部暴雨洪水常常造成城區(qū)內(nèi)澇、街道積水,對居民生活和社會穩(wěn)定造成嚴重的影響。同時,伴隨城市的擴張,水資源緊缺已成為制約華北地區(qū)城市持續(xù)發(fā)展的重要“瓶頸”,做好華北山前平原城區(qū)雨洪預報及資源利用這一工作十分重要。
暴雨預報技術(shù)是城區(qū)暴雨洪水計算和雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的依據(jù)之一,關(guān)系到城區(qū)防洪工程的投資和運行安全。目前,大多數(shù)城市沿用上世紀80年代同濟大學的研究成果,無法反映30年來水文氣象條件變化的現(xiàn)狀,重新編制暴雨強度公式是城市發(fā)展的迫切需要。
從國內(nèi)外有關(guān)研究文獻來看,沒有對山前平原城市雨洪的專題研究;城區(qū)暴雨特性、雨洪預報新技術(shù)和城區(qū)“雨島效應”定量研究較少;缺少城區(qū)雨洪資源數(shù)量和質(zhì)量結(jié)合研究;沒有聯(lián)系水生態(tài)文明城市建設(shè)進行雨洪資源化利用的專題研究。因此,開展城區(qū)雨洪研究,分析城區(qū)降雨、產(chǎn)匯流規(guī)律,提高城市防洪能力,減輕城區(qū)內(nèi)澇災害,科學利用城區(qū)雨洪資源,促進城市可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。課題2007年列入河北省水利科研與推廣計劃,研究工作由邯鄲水文水資源勘測局、邯鄲市水利局等單位歷時5年共同完成。
在充分利用歷史資料的基礎(chǔ)上,增設(shè)雨量、水文、水質(zhì)監(jiān)測站點,搜集現(xiàn)狀條件下的水文氣象資料,借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究方法和成果,采用先進的理論和技術(shù)方法,分析研究城區(qū)暴雨徑流變化及分布規(guī)律,創(chuàng)建新的短歷時暴雨強度公式,建立以不透水面積率為參數(shù)的綜合暴雨徑流關(guān)系,構(gòu)建完善的雨洪預報技術(shù)體系;研究不同下墊面的降雨徑流水質(zhì)變化規(guī)律,科學評估城市雨洪資源利用潛力,因地制宜地研究城市雨洪資源化利用模式。
關(guān)鍵技術(shù)包括:系列代表性分析技術(shù);暴雨重現(xiàn)期分析技術(shù);雨洪關(guān)系分析技術(shù);暴雨特性參數(shù)優(yōu)選技術(shù);城區(qū)雨島效應分析技術(shù);雨洪水質(zhì)水量結(jié)合研究技術(shù);SWMM產(chǎn)匯流模型改進及應用技術(shù);基于“五河四湖”模式的雨洪資源利用技術(shù)。
方法包括:暴雨衰減指數(shù)法;暴雨雨型概化法;麥夸爾特解析法;多元線性回歸分析法;Kendall檢驗法;SWMM產(chǎn)匯流模型法。
一是解決原有暴雨強度公式與現(xiàn)狀條件不相適應的問題;二是分析研究不同下墊面條件下綜合暴雨徑流關(guān)系;三是解決典型區(qū)域暴雨產(chǎn)匯流預報問題;四是驗證城區(qū)“雨島效應”是否存在及影響程度;五是分析確定水質(zhì)水量結(jié)合研究下的城區(qū)資源化利用量;六是建立與水生態(tài)文明城市相適應的雨洪資源利用模式。
以華北山前平原城區(qū)為研究對象,在充分利用水文氣象歷史資料的基礎(chǔ)上,專設(shè)8處水文站和5處雨量站,歷時5年對11處研究區(qū)169次暴雨洪水開展研究,主要研究成果。
一是利用暴雨特性參數(shù)優(yōu)選等技術(shù),采用麥夸爾特解析法、暴雨衰減指數(shù)法等方法,對城區(qū)暴雨特性進行研究,創(chuàng)建了現(xiàn)狀條件下新的短歷時和超短歷時暴雨強度公式:
式中:
T—重現(xiàn)期,年;
i—重現(xiàn)期為T年的t時段內(nèi)平均降水強度,mm/min;
g—流量,L/(s·hm2);
t—降水時段,min。
現(xiàn)狀條件下的暴雨強度公式與原有公式相比,設(shè)計暴雨強度有增大趨勢,雨強隨暴雨歷時增加衰減愈加明顯。
對不同時段暴雨資料統(tǒng)計分析,利用衰減指數(shù)法建立了短歷時暴雨概化公式:
由暴雨H~t關(guān)系表明,1h為暴雨衰減變化拐點,1h內(nèi)的暴雨雨強衰減較慢,1~24h的暴雨雨強衰減較快,衰減指數(shù)不隨重現(xiàn)期變化。
二是利用研究區(qū)劃分與雨洪關(guān)系分析技術(shù),SWMM產(chǎn)匯流模型技術(shù),采用多元線性回歸分析法,Kendall檢驗法,推導出適合本地區(qū)的綜合暴雨徑流公式。
從11個研究區(qū)實測的暴雨徑流資料中,共選取169次洪水過程,以不透水面積率為參數(shù)建立暴雨徑流綜合關(guān)系,采用多元線性回歸分析法,推導出適合本地區(qū)的綜合暴雨徑流公式:R=1.198PI2.152-7.33I2.211+0.50。
利用SWMM產(chǎn)匯流模型對育德花園研究區(qū)降雨匯流進行研究,確定了適合華北山前平原城區(qū)的模型參數(shù),并對邯鋼小區(qū)產(chǎn)匯流進行了推導模擬,模擬結(jié)果和實際監(jiān)測結(jié)果一致。
三是基于大量城區(qū)及近郊降雨資料,揭示了邯鄲市城區(qū) “雨島效應”,分析了雨水資源利用量,構(gòu)建了城市雨洪產(chǎn)匯流技術(shù)支撐體系。
選取城區(qū)及其近郊降雨資料,研究分析證明,邯鄲市城區(qū)汛期有明顯的城市“雨島效應”存在,每年汛期的 6~9月,城區(qū)降雨量平均比郊區(qū)大9.95%。30.0mm的日降雨量為產(chǎn)生“雨島效應”臨界值,且日降雨量越大“雨島效應”越明顯。
四是結(jié)合邯鄲市生態(tài)水網(wǎng)建設(shè),在對雨洪資源利用條件分析的基礎(chǔ)上,從雨洪資源利用措施、利用案例、利用模式、利用規(guī)劃4個方面對城區(qū)雨洪資源利用技術(shù)進行研究,結(jié)合邯鄲城區(qū)生態(tài)水網(wǎng)和城區(qū)雨洪產(chǎn)匯流及水質(zhì)水量研究成果,提出城區(qū)河道閘壩根據(jù)雨量大小在 30min后閉閘蓄水,湖泊提閘滯洪,通過“五河”,經(jīng)水利工程調(diào)蓄后補給“四湖”及公園水面的雨洪資源利用模式,為城區(qū)雨洪資源利用提供了科學依據(jù)。
研究成果在冀、魯、豫、晉水利、規(guī)劃設(shè)計、公共事業(yè)、科研院校等部門推廣應用。“邯鄲市中心城區(qū)防洪排瀝規(guī)劃”、“邯鄲市滏陽河通航與綜合治理方案”、“邯鄲市外環(huán)立交橋規(guī)劃設(shè)計”、“河北省汛期防洪預案”、“長治市城區(qū)防汛預案”、“長治市水資源評價”、“聊城市城區(qū)水資源承載能力”等項目采用了本項目的研究成果。河海大學把本項目的研究成果作為教學案例在教學中進行推廣,一系列推廣應用取得了顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。