城市水文设计暴雨与智慧洪涝预警平台林炳章

城市水文设计暴雨与智慧洪涝预警平台林炳章丁辉廖一帆商慧[e-mail]应用水文气象研究院(AHMRI)南京信息工程大学(NUIST)海绵城市规划建设论坛暨第七届城市排水防涝与雨水控制利用技术研讨会2018年11月16-17日上海2018-设计暴雨是城市水文（规划、设计）的核心2018-洪涝灾害三大原因（不论是江河、山洪、城市洪涝）三大原因：1）强降雨（时、空）；2）水土流失（山区）或下垫面过度硬化（城市）；3）行洪道上违规建设。学者的责任：在降雨上做文章（防汛预警、气象风险）政府的责任：方针、政策；法律的责任：规范学者的责任：工程建设规划政府的责任：方针、政策（地方政府的实施、管理、奖惩制度）2018-“行洪道上违规建设”--违反了客观规律、破坏了原有平衡的水文情势1、这是山洪灾害造成人员死亡的主要原因，大概占了每年因洪灾死亡人数的80-90%；2、同时，这也是造成目前雨季城市看海的历史原因中的主要因素，倘若没有一个合理、有效的解决办法（一城一策），城市看海现象很难消除。2018-对LID（源头处理）的新理解（1）1）据分析计算，“将70%的降雨就地消纳和利用”这句话实际上等价于“将相当于1年一遇30%的降雨就地消纳和利用”*；虽然，从理论上来讲它控制了一年降雨的70%部分（小雨和部分中雨；实际上，若考虑降雨的时-空分布不均，能不能达到控制70%的降雨，难说！），只是表述上含混不清、不精准，引起了不必要的误解。（*这个解释实际上回答了一部分行业外人士“海绵城市建设了3年怎么还城市看海？”的责难，为海绵城市的阶段性作用解套，并为下一步海绵城市解决城市洪涝提供学术解释；同时，为不同涉水行业不同等级的排涝、防洪标准的统一提供了学术支撑）2）广义的LID（LowImpactDevelopment,低影响开发），不应该只是修建示范性质的LID地块，而应该当做一个建筑规范和理念，贯彻到每一个建筑小区的“渗、滞、净、蓄、用、排”，做到“与邻为善、不与邻为壑”（不要把邻居当做排水的沟坑）；这样，在一定的设计标准下，城市涝泽就会减轻许多，下游的洪峰也会大为削减；同时，把“净”过的水蓄起来，积少成多，实践“雨水资源是宝贵的水资源”观念。请注意顺序先后！[但是，“将70%的降雨就地消纳和利用”这句话是立了功劳的！]2018-对LID（源头处理）的新理解（2）--结合中国实际3）对治理河流污染、黑臭水体起到积极的作用：广义的LID理念贯彻到每一个建筑小区的“渗、滞、净、蓄、用、排”，充分发挥“排”的功效；治理河道污染、黑臭水体，除了物理、化学、生物、灰色工程等等手段外，必须满足两个基本条件，才能做到可持续：a）源源不断的一定量的水体；b）这部分水量是流动的。河流治污和再生相结合，逐步恢复河流的自净能力，才能做到可持续；对于分流制的排水管网，经过“渗、滞、净、蓄”的水量，雨季或非雨季定时或不定时的排入河道，增加河道流动的水体，逐步培育河道的自净能力，多管齐下，假以时日，恢复河流原来的面貌。在这里，“水文分析与计算”就显得很重要–雨水设计！2018-初步结论：1、全国范围内，与日雨量经验排序70%对应的日雨量仅相当于1年一遇的30%（0.304）；与85%对应的日雨量相当于1年一遇的50%（0.534）。（美国常用90%或95%，接近1年一遇）2、海绵城市建设有其阶段性，这三年来，广泛应用在海绵城市建设LID的“年径流总量控制率”（“初始设计日雨量”）重点控制了小雨或部分中雨，采取“源头控制”对解决初雨污染起了很大的作用，很有必要；但是对城市积水、涝泽（Waterlogging）、洪患是起不到任何纾解作用，或者说对消除“城市看海”没有任何触动。3、因此，“城市看海”将是常态，是历史遗留下来的“欠账”，是我们欠老天爷、欠生态环境的账；欠账还债，海绵城市建设的下一个目标应该解决这个问题；城市洪涝是一个必须正视的严重问题。但，怎么还债？解决起来很复杂，一城一策、因地制宜。4、从水文学的角度，年径流总量是由小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨等综合做出贡献的。总体来说，海绵城市建设高于LID，要解决城市洪涝，任重道远，海绵城市建设大有可为！5、但是，广义的LID（渗、滞、净、蓄、用、排）、加上路面透水铺装，“软化”过度硬化的城市地面，将为减轻城市涝泽起到一定的作用；同时，把净水蓄起来，积少成多，实践“雨水资源是宝贵的水资源”的理念。2018-城市雨洪管理的基础–设计暴雨DesignStormasFundamentalStudytoUrbanRainfallManagement设计暴雨是城市水文的重要内容,包含以下两个方面/DesignStormisthefundamentalstudyofUrbanHydrology，IncludingmainlytwopartsasbelowI、概率途径/Probabilisticapproach;II、水文气象成因途径(可能最大降水估算)/HydrometeorologicalcausalapproachProbableMaximumPrecipitation,PMP）。2018-I、概率途径/Probabilisticapproach1）暴雨频率估计值的确定/Estimationofprecipitationquantiles；2）暴雨估计值的不确定性分析（置信区间）/Uncertaintiesanalysisofquantiles(confidenceinterval)；3）暴雨估计值的时程分布,“雨型”/Temporaldistributionofdesignstorm;4)暴雨估计值的空间分布/Spatialdistributionofdesignstorm。2018-跨行业设计暴雨标准一体化基本思路：统一的“防洪标准”体系、不同的“设防标准”规定防洪标准（客观）：对该地区客观世界（降雨、气候、地貌）的科学描述；设防标准（主观）：对不同对象抵御洪灾能力及避免失事后果的主观要求。1、一个地区、一群雨量站历史雨量推求出最优概率分布曲线（客观、理论上）；2、一套（不同设计时段要求）防洪标准体系涵盖五大设防标准；a）源头“径流总量控制率”“（设计日雨量）30%或50%的1年一遇；b）排水管渠设计标准1年~5年一遇；c）城市内涝防治设计标准10年~20年一遇；d）城市内河排涝标准30年~50年一遇；e）（城市+滨河）防洪标准100年~200年一遇。3、暴雨高风险区划指导“设防标准”的地区差异化实施，因地制宜。（常遇频率）（frequentevents）New2018-我国现行频率分析与新技术的差距1.现技术–主观性强、资料信息有限常规矩法+（单点、单时段、指定单一P-III）+目估适线【一点一线加双眼】2.新技术–客观性强、充分利用资料信息线性矩+（地区分析、多时段、多线型比较）+准则判断【地区线性矩】例如，城市暴雨公式修订2018-频率分布曲线的参数估算方法1.ConventionalMomentsMethod(CMM)常规矩2.L-MomentsMethod(LMM)线性矩1,0,00[]()pppMEXxdFx)()}({}])({[100,,1xdFxFxXFXEMrrr幂指数转移•Page122018-地区分析--水文气象一致区1.每个雨量都可以分解成共性分量和个性分量；2.一致区内所有站点的共性分量是同分布的、并按资料长度加权配合一条最优的无量纲概率分布曲线；3.此地区无量纲分布曲线与各个站点的本地分量“叠加”，组成该站的概率分布曲线；4.推求各个站点的频率估计值。2018-(直方图间隔：0.5英寸)041519181498351102104193856707987909596979799100经验频率曲线理论频率曲线三大课题：抽样方法；参数估计；线型选择这张图浓缩了水文频率计算的要领AMS？常规矩？P-III？无法外延可以外延2018-常遇频率（20年一遇）在海绵城市建设中应用得最多1、现行频率计算方法推求的“常遇频率”估计值皆偏小；2、无论采用AMS（年最大值）或AES（年超大值）抽样都无法直接计算出1年一遇估计值；必须根据AMS~AES关系，采用“AMS+修正”来间接推求，经分析，1年一遇就是基于AES重现期概念下采用AMS推求的1.58年；这个1年一遇就是理论概率分布曲线的最小值，即左端点；3、基于AES（事件）概念的常遇频率重现期的修正值参见下表（Table--ReturnperiodsbasedonAESdata），从该表可以看出，大于25年一遇以后基于AMS和AES估计值就基本没有什么差别了。2018-常遇频率重现期修正表–很重要！（新的研究成果）•TableReturnperiodsbasedonAESdata*pEstandsforexceedanceprobability;pNONstandsforNon-exceedanceprobability.TAES(-year)TAMS(-year)PE=1/TAMS*PNON=1–1/TAMS*11.580.63210.367922.540.39350.606555.520.18130.81871010.510.09520.90482525.500.03920.96085050.500.01980.9802Page162018-暴雨估计值的时程分布(雨型)--Temporaldistributionofdesignstorm暴雨的时程分布是千变万化，但是从设计的角度必须确定一个模式以便计算产、汇流/Thetemporaldistributionofarainstormisever-changing,however,weneedadesignpatternoftemporaldistributionforcalculationofrainfall-runoffduringdesignstage。1）三种时程分布模式：主雨峰在前（正偏，25%）、中（对称，50%）、后（负偏，75%）；雨峰偏后较严峻或对工程设计较安全/Therearethreetemporalpatterns:Earlyrain-burst(positiveskew),Middlerain-burst(symmetric),Laterain-burst(negativeskew),withtheLatebeingcrucialorsafertoengineeringdesign。2）若是短历时，1-2小时，一般取均匀分布或主雨峰偏后的分布/Forshortdurationsuchas1~2-hr,aneventemporalorthelaterain-burstissuitable。3）掌握一个原则，就是使得产生的洪峰流量最大/Theprincipalisthatthedesignpatternselectedmakesthesurfacestormflowpeak-dischargemaximum。4）最危险的是这样一种动态的暴雨时程分布，主雨峰偏后并且暴雨雨阵（Rainburst）移动方向从上游往下游，形成洪峰时-空叠加效应：量不变、峰加大/Themostcrucialpatterninpracticeisthattherainfallmovesfromupstreamtodownstreamtosurchargethepeakflowwhenthelateburstpatternisbeingselected。2018-Spatialdistributionofdesignstorm暴雨估计值的空间分布a)Theaveragearealrainfallamountdecreaseswithincreaseofarea（Areareduction，AR）/暴雨面平均雨量随面积增大而减小(点-面关系)；b)HighRiskRainstormMapping(HRRM)/暴雨高风险区划定义：描述一个地区内，某一定历时、一