昆明市城市化对暴雨洪水影响研究

昆明市城市化对暴雨洪水影响研究

柏绍光　方绍东

（云南省水文水资源局昆明分局）

摘要：通过对盘龙江（昆明城区段）、松华坝，昆明水文站日暴雨、区间洪水样本系列均值、方差进行t检验和F检验结果表明，日暴雨前后段具有一致性，而洪水因城市化影响，相同暴雨量级产生的洪水加大，形成以1987年为界的前后段不一致，且后段平均较前段增大8.96%，百年一遇洪水增大10%；水面线计算表明，20世纪80年代中期整治的河道行洪能力不足，昆明城市防洪形势日趋严峻。通过该事例分析，揭示出城市化对水文变量影响显著，水文系列的一致性被破坏，洪水特征量总体呈增大态势，为此，建议在类似城市河道防洪工程建设中应结合城市发展规模综合考虑城市化的设计洪水和河道的行洪问题。

关键词：昆明市　城市化河道　洪涝情势　河道行洪能力

一、问题提出

随着经济社会的发展，城市化进程加快，洪涝灾害损失结构也发生了明显的变化，城市和工业损失比重为大，对国民经济的影响十分严重。为了抵御洪水对昆明市的侵袭，在城市上游河道相继修建了1座大（二）型水库和7座中型水库以及数十座小型水库，20世纪80年代对中游城区河道进行了大规模整治，90年代对下游加大了滇池出流改造，目前昆明市已构建了“上蓄、中疏、下泄”的防洪体系，但实践证明，昆明市防洪体系并不完善，城区现状河道行洪能力仍不足，且汛期河道处于高水位，顶托造成两岸排水不畅而形成内涝，昆明城市防洪问题依然严峻。尽管形成昆明城市防洪形势严峻的原因十分复杂，有排水管道（沟渠）过水断面小、设施老化，阻塞严重等诸多问题，但更主要的是水库群以下至滇池区间城市化影响。

流经昆明市城区的主河道盘龙江（城区段）、松华坝，昆明水文站有1953年以来暴雨、洪水资料样本，故采用该两站实测暴雨、洪水资料分析水文样本系列变化趋势、时序特征量，从理论上探讨城市河道洪水产汇流参数变化规律，由此估计城市洪水，并用估计设计洪水复核原整治河道的行洪能力。

二、暴雨洪水情势分析

以盘龙江松华坝站历年最大一日雨量资料为例。首先，绘制1953年以来一日雨量与多年平均雨量过程对照（图1）可见，其趋势具有随机性，尽管自1987年以后昆明城市具有相当的规模，但雨量过程并未反映出因人类活动影响而呈阶段性的变化特点，定性分析认为，前后段一日雨量系列具有一致性。

图1　松华坝站一日雨量过程图

其次，为定量说明问题，将一日雨量系列采用水文统计中的t检验和F检验分别对其系列的均值和方差进行显著性检验。为了进行显著性检验，将一日雨量变量系列根据昆明城市建设规模以1987年为界划分为容量x₁（影响前）、x₂（影响后），并采用矩法公式分别计算均值（分别为m1、m2）和标准差（分别为S₁、S₂），计算结果如下：

x₁＝34（1953～1986年），均值（m₁）＝65.9mm，标准差（S₁）＝23.1mm

x₂＝21（1987～2007年），均值（m₂）＝65.7mm，标准差（S₂）＝18.4mm

先对方差（S²）进行F检验，选择检验统计量：

经计算，F值为1.58，并与F分布表中置信水平a/2、自由度为（x₁－1）、（x₂－1）的F值比较，在大部分实用中，a值采用2%比较适当，取a＝0.02。从F分布表中查得F_0.01（33，20）＝2.753，显然F＜F_0.01，表明在置信水平0.02下样本系列的方差可认为相等。

上述F检验表明已接受零假设，为此，再选择t检验统计量，即方差的一个合并估计量：

对合并估计量零假设进行第二次显著性t检验，它适用于两个系列的均值检验，计算检验统计量如下式：

经计算，t值为1.19，若取置信水平a＝0.02，自由度x₁＋x₂－2＝53，a/2＝0.01，查t_0.01（53）＝2.399。经比较可知，t＜t_0.01，表明已接受零假设。据此可以认为，前后段的一日雨量系列是来自同一总体分布，也即松华坝水文站一日雨量系列前后段具有较高的一致性。

以松华坝、昆明站实测洪水资料为例，采用水量平衡原理分析并统计区间年最大洪峰流量系列，再绘制1953年以来区间洪峰流量与多年平均流量过程对照（图2）可见，自1987年以后呈递增趋势，已初步反映出因人类活动影响而呈阶段性的变化，定性分析认为，前后段洪水样本系列不具有一致性。

同理，以1987年为界，并采用矩法公式分别计算前后段洪峰流量均值（分别为26.8、29.2m³/s）和标准差（分别为22.47、11.68m³/s）。

图2　松华坝至昆明站区间洪峰流量过程图

首先，对方差进行F检验，计算F值为3.7，查表的F_0.01（33，20）＝2.753，显然F＞F_0.01，拒绝关于S²₁与S²₂为相同总体方差估计量的零假设，表明在置信水平0.02下系列的方差不相等，认为前后段样本一致性已被破坏。

其次，对合并估计量零假设进行第二次显著性t检验，经计算，t值为12.74，查表的t_0.01（53）＝2.399，显然t＞t_0.01，表明已拒绝了零假设，则有理由认为该昆明城市化对水文变量影响显著，也即松华坝至昆明站区间洪水系列前后段样本不是来自同一总体分布。

如上分析结果表明，昆明城市一日雨量在不长时间内与洪水相比，受城市化影响不明显，前后段具有一致性，而洪水受其影响较为明显，前后段不具有一致性，且1987年以后洪峰均值较前段增大8.96%，说明昆明城市洪水情势趋于增大。

三、河道行洪能力

鉴于松华坝水库以下至滇池区间城区段河道断面类型较为规则，且两岸为夯实土堤或浆砌石护面的情况，按此类河段的水力特性，河道行洪能力采用水面线计算确定，即采用明渠恒定非均匀渐变流公式分段求和法推求，对其中所涉及的洪峰流量按人为影响前、后分别计算。

（一）影响前洪水

盘龙江（昆明城区段）洪水由上游松华坝大（二）型水库下泄、松华坝—控制断面区间洪水组成。关于松华坝水库入、出库洪水量级，100年一遇最大下泄流量为110m³/s。

区间洪水则是根据松华坝、昆明水文站实测资料采用洪水地区组成分析，其结果为66.4m³/s。水库下泄与区间组合后城区段最大流量150m³/s，河段洪峰流量介于110～150m³/s之间。

（二）影响后洪水

尽管松华坝水库以上流域不受城市化影响，但洪水样本较原设计采用资料系列增长，则根据松华坝水库上游小河水文站新增实测水文资料复核入库洪水，采用相同原理计算下泄洪水，其结果是100年一遇最大下泄流量为111m³/s，与原设计成果相比，彼此接近，故松华坝水库出库洪水仍采用110m³/s。

区间的城市化发展改变了下垫面条件，对水文变量影响显著，从而破坏了洪水样本系列的一致性，此时，不宜直接采用流量资料由频率方法推求区间设计洪水，文中采用暴雨资料推求设计洪水，其中所涉及的产、汇流参数以及滞时与主净雨强的关系等根据松华坝、昆明站实测资料分析确定。

受城市化影响，城市河流降雨径流模式与一般山区河流不同，产流量既不受前期影响雨量影响，也不受稳渗率影响，其损失量主要为填洼和雨期蒸发，产流量（净雨量）为满足填洼（滞蓄）、雨期蒸发后的剩余量，产流方式为地表直接径流，一次降雨量与其形成的次产流量（净雨量）之间具有较好的对应关系。经分析，该区间降雨径流模式为

式中，R为次径流深，mm；P为次面平均雨量，mm。

由该关系式可分析出，当次降雨量在10～100mm时，径流系数在0.383～0.401之间，其值明显较松华坝水库上游山区（0.25～0.32）大。说明城市化条件下，相同暴雨产生的洪水量级增大是明显的。

根据如上关系式即可将设计暴雨转换为设计净雨量。

采用纳希（Nash）数学表达式来描述，其汇流参数（n、k）为纳希模式中的待定系数（根据地面净雨、地表径流过程分别计算其一阶原点矩和二阶中心矩后再按矩法公式计算）。

根据流域汇流系统理论推导：一阶原点矩（滞时）与汇流参数具有m＝n·k的关系。根据实测雨洪资料分析表明，滞时是随主雨强呈指数规律变化的非定值。因此，在求得各场次洪水参数后，尚需考虑变雨强的问题，即滞时与主净雨强度的关系，其表达式为

式中，i为主净雨强度，mm/h；α₀、β0为待定参数；m为流域滞时，h。

将各次洪水汇流参数及对应的主净雨强度采用最小二乘法计算，拟合得盘龙江昆明城区河段m与i的定量关系式为

式中物理意义同式（5）。

根据设计主净雨强度由式（6）可计算得m值。基于固定流域n值与净雨强关系不大，且随洪水量级变化较小的特点，可取各次洪水平均值，则由式（5）可计算得k值。

根据分析，盘龙江昆明城区河段100年一遇对应的汇流参数：m＝24.3，n＝1.62，k＝15。按此参数计算得区间100年一遇洪峰流量为79.6m³/s。

将水库下泄、区间洪水过程采用马斯京根法分段进行河道连续演算，其100年一遇最大洪峰流量为165m³/s，河段洪峰流量介于110～165m³/s之间。

从如上河道洪水成果可看出，城市化影响后河道100年一遇洪峰流量较影响前加大15m³/s，平均增幅10%，进一步说明人类活动对稀遇洪水的影响也是十分明显的。

（三）河道行洪能力

为便于分析比较河道过水能力，城市化影响前水面线采用原设计成果（见表1），城市化影响后的水面线则按原设计断面形式、尺寸、综合糙率和本次分析的洪峰流量进行计算，结果见表1。

表1　盘龙江（昆明城区段）城市化影响前后100年一遇河道水面线成果对照表

从表1中可看出，除入滇池口断面水位相同外，其余断面均以城市化影响后的水位为高，视断面尺寸、坡度等不同，水位差在0.01～1.60m之间，其中有12个断面洪水位高于现状堤顶高程。由此可见，城市化后因洪水特征量增大，在过水断面不变情况下，行洪能力并不满足防洪要求，昆明城市河道防洪形势依然严峻。

四、结　语

（1）随着昆明城市化进程加快，局部地区“热岛效应”日趋明显，极端天气和局部气候异常，使得前后段一日雨量存在微小变化，但从检验结果看，一日雨量前后段系列可认为来自同一总体分布，也即降雨的主要因子（如气候成因、地形、地貌）不会因局部“热岛效应”而受明显影响，基本处于一个相对稳定状态，因此，在相对地质年代很短的时期内，一日雨量系列前后段具有较高的一致性。

（2）因城区不透水、弱透水面积扩大，相同暴雨量级产生的洪水加大，形成以20世纪80年代末期为界的前后段不一致的洪水样本系列，且后段平均较前段增大8.96%，百年一遇洪水增大10%。

（3）盘龙江昆明城区段河道行洪能力复核结果表明，城市化影响后河道水面线较原设计高0.01～1.60m，且有12个断面洪水位高于现状堤顶高程，因此，在过水断面不变情况下，行洪能力并不满足防洪要求，昆明城市河道防洪形势依然严峻。

（4）在城市河道洪水计算中，应考虑因城市发展形成的不透水面积所增加的洪水量级；在城市河道整治中，应考虑城市化后的行洪问题。

参考文献：

［1］朱元甡，金光炎.城市水文学.北京：中国科学技术出版社，1991.

［2］华东水利学院主编.水文学的概率统计基础.北京：水利出版社，1981.

［3］长江流域规划办公室.水文预报方法.北京：水利出版社，1982.

［4］柏绍光，黄英，方绍东，等.纵向岭谷区小流域设计洪水计算中变雨强汇流参数探讨.水电能源科学，2006，24（3）：28～30.

［5］柏绍光，黄英，方绍东，等.匮乏资料地区小流域洪水汇流参数移用分析.水电能源科学，2008，26（3）：21～24.