中国城市洪涝问题：现状、成因与挑战

宋晓猛1，2，3， 徐楠涛1， 张建云2，3， 贺瑞敏2，3

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州  221116；2.南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京  210029；3.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京  210029）

摘要：全球气候变化和快速城市化双重影响下，中国城市洪涝问题日益严重，已成为影响中国城市公共安全与区域高质量发展的突出瓶颈。本文基于文献资料、灾情数据、统计年鉴等，梳理了中国城市洪涝类型与灾害特点，总结了城市洪涝的基本现状与发展趋势，阐释了城市洪涝形成机制与灾害成因，分析了城市降水变化、产汇流特性变化、排水格局变化及规划与管理对城市洪涝的影响；为科学认识中国城市洪涝问题和实现变化环境下城市洪涝科学治理，从基础数据监测与信息共享、基础理论与机理研究、成因驱动与量化识别、城市洪涝预警预报与风险评估技术以及城市洪涝灾害管理等6个方面，指出了当前研究面临的主要挑战与未来研究的重点方向。

关键词：城市洪涝；成因与挑战；城市化；气候变化

微分形式新安江模型

梁忠民1，赵建飞1，段雅楠2，黄嘉璐1，李彬权1，王  军1，胡义明1

（1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京  210098；2.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏 南京  210029）

摘要：现有新安江模型数学上是代数方程并限于一阶差分方法求解，不可避免存在数值误差，探索数值求解误差控制新途径，对于提高模型计算精度具有重要意义。基于微分系统框架，识别新安江模型的状态变量和通量，推导其控制方程和本构方程，提出微分形式的新安江模型（ODE-XAJ），并采用四阶显式Runge Kutta法求解。数值实验结果显示，以解析解为基准，ODE-XAJ绝对误差处于或小于10-4mm 量级，可实现对解析解的高阶近似；以ODE-XAJ结果为基准，按归一化平均绝对误差评价，现有新安江模型的数值求解误差约为8.7%。典型流域应用结果显示，ODE-XAJ确定性系数提升0.02，洪量相对误差降低4.3%。研究表明，ODE-XAJ理论上分离了模型的数学方程与具体解法，可有效控制数值求解误差，提升模型模拟精度。

关键词：新安江模型；数值误差；微分形式；Runge Kutta法；屯溪流域

三峡库区水陆水面蒸发量差异特性及其原因探讨

程海云1，冯宝飞1，张  俊1，王  乐1，2，秦淑静2，王  琨1，王正华1，3

（1.长江水利委员会水文局，湖北 武汉  430010；2.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉  430072；3.长江水利委员会流域水模拟与预报调度智能技术创新中心，湖北 武汉  430010）

摘要：三峡水库是中国最大的人工水资源调蓄中心，其库区蒸发深刻影响着地表生态水文过程，研究三峡库区漂浮水面蒸发和陆上水面蒸发变化差异及其原因，对于理解区域水文循环和气候变化具有重要意义。基于三峡库区巴东水面漂浮站和相邻陆面站的多年蒸发观测资料，分析库区水陆水面蒸发的季节差异；结合ERA5辐射资料，分析水陆水面蒸发能量平衡的各组分季节变化特征，探究水陆水面蒸发差异的主控因子。结果表明：①水陆水面蒸发存在显著的季节变化差异，其中陆面站水面蒸发峰值通常出现在8月，而漂浮站水面蒸发峰值通常出现在12月；②能量平衡分析表明，三峡库区水体在夏半年蓄热，在冬半年则释放热量显著增加表层水体可利用能量，进而增加潜热效能，导致漂浮站蒸发峰值出现的时间较陆面站平均滞后约4个月；③主控因素分析表明，水陆水面蒸发及热力性质差异受多种微气象因素非线性综合影响，其中在水体蓄热阶段（3—9月），主控因素为气温和饱和水汽压，在水体放热阶段（10月至翌年2月），主控因素为水温和水气温差。

关键词：水面蒸发；水陆蒸发差异；微气象因素；季节变异；三峡水库

不同面积蒸发池水温特征及Penman模型改进

陈军锋1，张淑煜1，杜  琦2，薛  静1，杨晓俊2

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原  030024；2.山西省水文水资源勘测总站太谷均衡实验站，山西 晋中  030600）

摘要：分析蒸发池水温特征可深入认识蒸发池能量平衡特性，研究Penman模型计算误差来源并改进，对农业计划、水源评估和水文预报具有重要意义。基于太谷均衡实验站3个不同面积蒸发池的水温、蒸发量及气象数据，分析各蒸发池的垂向水温分布和蒸发量的变化特征，基于Penman模型探究适合3个蒸发池的模型参数。结果表明：1m2和5m2蒸发池4—8月水温随水深增加而显著降低，20m2蒸发池各月水温分布均比较均匀，且水温更高；1m2和5m2蒸发池各月蒸发量相近，与净辐射变化趋势一致，20m2蒸发池蒸发峰值滞后于净辐射峰值3个月；Penman模型中加入反映除净辐射外能量的综合影响参数可提高模型计算精度，夏季尤为明显，1、5、20m2蒸发池夏季的参数值分别为3.5、3.3和2.1。

关键词：水面蒸发；蒸发池；水温；Penman模型

基于多因子多模式集成的中长期径流预测模型

陈  娟，徐  琦，曹端祥，李国智，钟平安

（河海大学水文水资源学院，江苏 南京  210029）

摘要：提高中长期径流预测精度对于水资源调度等具有重要意义和应用价值。基于国家气候中心的130项气候因子，采用皮尔逊相关系数、最大信息系数、方差增量指标筛选主要预测因子，建立基于DS（Dempster-Shafer）证据理论的多因子综合方法；采用随机森林、BP神经网络和贝叶斯网络等建立基于水文-气象因子遥相关的中长期径流预测模型，构建基于DS证据理论的预测结果集成模型。以三峡水库为对象开展实例研究，结果表明：引入遥相关因子能有效提高预测精度；基于DS证据理论的多因子综合方法能筛选出综合性更强、稳定性更优的因子，弥补单一筛选方法的不足；基于DS证据理论的多因子多模式集成方法在径流预测精度上优于单一方法单一模型，确定性系数提高到0.823，平均相对误差降低到23.2%。

关键词：中长期径流预测；DS证据理论；随机森林；贝叶斯网络；BP神经网络；遥相关

考虑径流过程矢量化的机器学习洪水预报模型

刘成帅1，解添宁1，李文忠1，胡彩虹1，徐源浩2，牛超杰1，余其鹰1

（1.郑州大学水利与交通学院，河南 郑州  450001；2.中山大学土木工程学院，广东 广州  510275）

摘要：准确的超前洪水预报有利于开展防洪减灾工作和优化水资源调度。本文提出一种针对场次洪水的径流过程矢量化方法（Runoff Process Vectorization，RPV），并耦合3种机器学习（Machine Learning，ML）模型构建了RPV-ML洪水预报系列模型。以黄河中上游孤山川、佳芦河和祖厉河3个典型流域为研究区，分别基于43、28、37场洪水的降雨径流数据，按照洪水场次7∶3的比例进行模型训练和验证。研究表明：①相同预见期条件下RPV-ML模型在孤山川、佳芦河和祖厉河流域洪水预报纳什效率系数更高、均方根误差和洪峰相对误差更低，RPV-ML模型比ML模型具有更好的预报性能，在预见期为4~6h时优势更显著；②RPV-ML和ML模型预报精度会随着预见期增加逐渐下降，但RPV-ML预报精度呈现缓慢下降趋势，具有更好的鲁棒性；③基于RPV改进的时间卷积网络（Temporal Convolutional Network，TCN）可以更好地克服预报误差问题，RPV-TCN模型在3个流域预报性能最好。

关键词：洪水预报；径流过程矢量化；机器学习；RPV-ML模型；黄河中上游

梯级水库下游最不利洪水地区组成法

钟斯睿，郭生练，何彦锋，谢雨祚，王  俊

（武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉  430072）

摘要：梯级水库运行调度显著改变了下游洪水的时程分配，而现有洪水地区组成法没有考虑对工程设计和防洪调度最不利或最恶劣的情景。本文基于灾害风险理论，根据未控区间洪量及地区组成概率，提出一种最不利洪水地区组成法。雅砻江梯级水库实例分析表明：最不利地区组成法分配给下游未控区间流域的洪量总是大于同频率组成法和最可能组成法；最不利组成法推求的雅砻江出口断面1 000年一遇设计洪峰、3d和7d洪量分别为16 700 m3/s、41.6亿和85.1亿m3 ，均大于其他洪水地区组成法估计值。理论推导和统计试验表明最不利地区组成法可合理分配洪量并兼顾下游防洪风险，具有深入研究和应用的价值。

关键词：设计洪水；梯级水库；洪水地区组成；洪量分配；雅砻江

沿海城市台风暴雨时空变化致涝特征模拟

李冰雪1，史  超2，侯精明1，王  添1，陈光照1，王兴桦1，申若竹3

（1.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安  710048；2.宁波市海曙区水旱灾害防御中心，浙江 宁波  315000；3.宁夏首创海绵城市建设发展有限公司，宁夏 固原  756000）

摘要：为探明台风暴雨时空变化对中国沿海城市内涝过程的影响，应用地表水及其伴随输移过程数值模型，以中国沿海城市宁波中心商贸商务区为研究对象，进行多种移动台风降雨情景和静止台风降雨情景下的城市内涝研究。结果表明：①不同移动方向下的降雨会导致内涝监测点积水时间滞后，向正西方向及西北方向移动时，积水时间滞后0~0.5h；向正北方向移动时，积水时间滞后1.5h；向北偏东30°方向移动时，积水时间滞后1.5~2h。②在92%的模拟工况下降雨的移动会削减积水量和积水深度，水深峰值最大削减率达4.46%；降雨重现期从5a增大到50a时，积水水深峰值削减率从0.49%下降到0.10%。③双峰型降雨与单峰型降雨对城市内涝积水的影响规律相似，但前者的影响作用更小。因此，在受台风暴雨侵袭的城市区域，防灾减灾部门应考虑台风暴雨的时空移动特征，进一步提高城市抗洪能力，减少灾害损失。

关键词：台风暴雨；降雨移动；城市内涝；数值模拟；沿海城市

南京城市下垫面对夏季暴雨云团特征的影响

沈  烨1，2，张晶寒1，2，袁慧玲3，4，杨  龙1，2

（1.南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京  210023；2.南京大学关键地球物质循环前沿科学中心，江苏 南京  210023；3.南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室，江苏 南京  210023；4.南京大学大气科学学院，江苏 南京  210023）

摘要：为了理解城市下垫面对降雨的影响机制，选取南京地区2次不同天气背景的降雨过程，利用中尺度气象模式和暴雨云团追踪算法开展数值试验，揭示城市下垫面对暴雨云团形态、结构和演进特征的影响机制。结果表明：当天气强迫较弱时，城市热岛效应增强大气边界层对流活动，暴雨云团进入城市后快速坍塌，云团数量减少，空间覆盖增大，降雨在城区增加；当天气强迫较强时，城市冠层影响暴雨云团特征，城市地区出现大量面积小、移动缓慢且空间结构“尖瘦”的暴雨云团，降雨在城区和城市下风向增加。城市下垫面对暴雨云团特征的影响与降雨前期天气强迫有关，更新了城市对降雨影响机制的传统认识，为城市地区暴雨临近预报和设计暴雨方法提供了科学支撑。

关键词：暴雨云团；城市洪涝；降雨；下垫面；数值模拟

径流与涌潮对钱塘江尖山潮滩演变的影响分析

劳聪聪1，曾  剑2，夏军强3，辛  沛1

（1.河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京  210098；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州  310020；3.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉  430072）

摘要：潮滩湿地具有生态系统服务、海岸防护等重要功能，认识其在涌潮与径流作用下的潮滩演变特征，对保护钱塘江涌潮区域湿地至关重要。基于钱塘江尖山潮滩151张地形及径流、水位、泥沙和遥感数据，探究潮滩演变特征与驱动机制。结果表明：①尖山潮滩呈动态平衡，在观测区，枯季淤积速率为0.01m/d，坡度降至1‰后稳定；洪季崩岸速率达3m/d，崩退宽度达113m，但洪季后以0.05m/d 的速率恢复。②洪季潮滩处的涌潮略强于枯季，洪水促进河势分汊，而涌潮主要通过南汊输沙，减少了北汊潮滩处泥沙输送。③钱塘江流量是控制潮滩年内季节性冲淤变化的关键因素，潮滩变化速率与流量、初始高程及潮差呈多元线性关系。④洪水改变河势，潮滩泥沙供应减少，含径流的退潮流冲刷增强使其崩岸退缩，但当水流冲刷减小、涌潮与涨潮流输沙占优时，潮滩迅速淤积。

关键词：潮滩演变；地形动态监测；洪水事件；涌潮；钱塘江河口

水库拦沙对黄河下游河床演变的影响

申冠卿，张原锋，王  平，张广明

（黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州  450003）

摘要：为充分认识水库拦沙对其下游河道河床演变及防洪的影响，基于三门峡水库和小浪底水库拦沙期水沙及断面观测资料，研究了黄河下游河槽冲淤、洪水冲刷效率、河槽几何特征、排洪能力等规律。结果表明：水库拦沙期，黄河下游沿程河槽均发生了不均衡冲刷；河床粗化明显，粗化后床沙中值粒径最大值为冲刷前的2.1~2.5倍；高村以上河段同水位过洪能力增加明显，冲刷后较大的河槽容积可为小浪底水库排沙提供暂时的滞沙；河床粗化后细泥沙和中泥沙补给能力不足，河槽冲刷效率随冲刷历时的增加衰减明显。由于水库多年调节水沙过程及下游相对完善的河道整治工程约束，小浪底水库拦沙期黄河下游河槽冲刷重心下移，河床粗化程度增加，冲刷效率明显降低。研究成果可为水库水沙调控技术指标的选取提供科学依据。

关键词：河床演变；河床粗化；冲刷效率；泥沙调节；水库拦沙期；黄河下游

上游来水来沙与洞庭湖入汇顶托对荆江河段冲淤的影响

尚海鑫1，胡春宏1，2，夏军强1，周美蓉1

（1.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉  430072；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京  100048）

摘要：三峡工程运用后荆江河段处于持续冲刷状态，分析上游来水来沙与洞庭湖入汇顶托对荆江河段冲淤的影响，对掌握坝下游河道演变规律具有重要意义。本研究基于2003—2020年荆江河段实测水沙及冲淤量资料，建立河段累计冲淤量与河段上下游边界条件之间的函数关系，并重点分析顶托作用对荆江河段冲淤的影响。结果表明：①荆江河段累计冲淤量与河段进口水流冲刷强度呈正相关，与进出口水位落差呈负相关，河段冲淤过程是二者共同作用的结果；②建立进口水流冲刷强度、进出口水位落差与荆江河段累计冲淤量的函数关系，能较好反映上下游边界条件对河段冲淤过程的影响（R2 >0.92）；③2003—2020年荆江河段累计冲刷量为12.3亿m3，在假设无洞庭湖入汇顶托的情况下比实测值增加0.67亿m3，即入汇顶托能使荆江河段冲刷量减少约5%；同期上、下荆江累计冲刷量分别为7.3亿和5.0亿m3，入汇顶托能使冲刷量分别减少约1%和16%。洞庭湖入汇顶托会导致荆江河段的冲刷量减少，对下荆江冲淤影响更显著。

关键词：顶托作用；河床冲淤；水流冲刷强度；洞庭湖入汇；荆江河段

钱塘江河口治江缩窄对涌潮的影响

鲁海燕1，2，潘存鸿1，2，胡成飞1，2，汪求顺1，2，曹  颖1，2，曾  剑1，2

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州  310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州  310020）

摘要：20世纪60年代后期以来，钱塘江河口进行了大规模的治江缩窄，显著改变了河口的水沙、地貌及其相互作用过程，而对于涌潮在高强度人类活动扰动下的响应认知尚不全面。基于实测资料，结合涌潮数学模型分析大规模治江缩窄对钱塘江河口潮汐、河床以及涌潮的影响。结果表明：治江缩窄后，滩槽分布基本稳定；山潮水比增大，大致以盐官为界，涌潮河段下游段淤积，上游段冲刷，沙坎下移；高潮位沿程抬升，涌潮起潮点附近及闸口—仓前河段潮差增大，仓前—盐官河段潮差减小；涌潮起潮点和最大涌潮位置下移，观潮位置固定，潮景丰富稳定，潮到时间稳定，涌潮高度变幅减小，仓前—盐官河段涌潮高度减小。为保护涌潮，需要在涌潮河段维持较大的潮差和适宜的水深，不宜开展大规模的缩窄。

关键词：涌潮；潮汐；治江缩窄；沙坎；钱塘江河口

尾闾河道形态演变特征的模拟试验研究

白玉川1，2，孙艳杰1，宋晓龙1，2，徐海珏1，2，吴金森1，田  源1

（1.天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津  300350；2.天津大学河流海岸工程泥沙研究所，天津  300350）

摘要：尾闾河道是河流与海洋交互的关键地带，对其形态演变研究具有生态环境意义。采用物理试验方法对常见的喇叭状和蜿蜒状（河口左偏与右偏）尾闾河道演变过程进行模拟，研究不同水沙条件下河道演变规律，并以河相系数和相对粗糙度为基准对不同河型稳定性进行评估。试验发现：河道平面形态会经历一个“稳定—微变—强变”阶段；河床平均高程和比降随时间的增加而增大，模型河道上游和河口段变化最大，中游段变化最小；加沙时上游河岸侵蚀、河床淤积，加沙停止后下游与河口段河岸侵蚀大于河床侵蚀，河口分汊、摆动。平面形态不稳定区域：蜿蜒状为下游段，最大与最小河相系数相差6.51倍以上；喇叭状为河口段，最大与最小河相系数相差3.32倍以上。断面形态不稳定区域：左偏蜿蜒状为下游段，最大与最小相对粗糙度相差3倍以上；右偏蜿蜒状为上游段，最大与最小相对粗糙度相差2.03倍以上；喇叭状为下游段，最大与最小相对粗糙度相差4.09倍以上。

关键词：河流形态；水沙变化；河相关系；物理试验；尾闾河道-河口