变化环境下北京市暴雨洪涝演变规律及响应机理

宋晓猛，博士/博士后，中国矿业大学资源与地球科学学院副教授，水文与水资源系副主任，2016年江苏省优秀博士学位论文获得者，2019—2020年澳大利亚墨尔本大学访问学者。主要从事水文水资源方面的教学科研工作，主要研究方向包括水文物理规律模拟、城市化与水安全、环境变化与旱涝灾害、水文模型不确定性理论、水资源评价等。主持了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划专题、中国博士后科学基金面上项目、江苏省自然科学基金面上项目和中国矿业大学学科前沿课题等多项纵向课题及其他委托课题。目前担任国内中文核心期刊《水利水电技术》特邀编委以及Journal of Hydrology、Water Resources Research、Journal of Geophysical Research-Atmosphere、Environmental Modeling and Software、《水科学进展》《地理学报》《中国科学：技术科学》等多个期刊审稿人。出版学术专著1部，参编专著2部，参编教材1部，在国内外核心期刊发表学术论文60余篇，以第一作者或通讯作者发表SCI/Ei论文40余篇，入选ESI高被引论文1篇，入选F5000论文6篇。

第一章 绪论

第一节 研究背景

第二节 研究意义

第三节 国内外研究进展

第四节 研究内容和技术路线

第二章 研究区域概况

第一节 自然地理条件

第二节 社会经济条件

第三节 水资源条件

第四节 暴雨洪涝灾害

第三章 北京城市化进程与下垫面变化特征

第一节 城市及城市化

第二节 城市化进程

第三节 下垫面变化特征

第四节 本章小结

第四章 北京市降雨演变特征及驱动因素

第一节 资料与站点选择

第二节 研究方法

第三节 降雨时空变化规律

第四节 极端降雨变化特征

第五节 降雨演变的驱动因素分析

第六节 本章小结

第五章 北京市洪涝演变特征及统计分析

第一节 资料概况

第二节 研究方法

第三节 洪水演变特征与驱动因素

第四节 城市暴雨内涝变化分析

第五节 本章小结

第六章 城市化对降雨径流关系的影响

第一节 研究流域概况

第二节 降雨径流关系计算

第三节 城区降雨径流关系分析

第四节 郊区降雨径流关系分析

第五节 降雨径流关系影响因素分析

第六节 本章小结

第七章 城市流域水文模型研究

第一节 概况

第二节 HEC-HMS模型

第三节 模型计算方法

第四节 流域水文模拟系统构建

第五节 模型应用

第六节 本章小结

第八章 环境变化对城市降雨径流过程影响评估

第一节 研究方法

第二节 历史情景影响评估

第三节 设计情景影响评估

第四节 本章小结

第九章 结论与展望

第一节 主要结论

第二节 主要创新点

第三节 研究展望

参考文献

第一章绪论

第一节研究背景

水文循环是地球系统的重要组成部分，在物质迁移和能量传输中起着媒介和驱动作用”,也是联系地球系统地圈、生物圈和大气圈的纽带,是全球变化碳循环、水循环和食物纤维中的核心问题之一,与自然变化和人类活动有关，决定了地球水资源形成和环境的演变规律]。近百年来,地球气候系统正经历着显著的变化，以平均气温升高和降水变化为主要特征的气候变化和以城市化发展为主要标志的高强度人类活动对地球系统产生了深远的影响,其中水循环过程与水安全是受气候变化和人类活动影响最直接和最重要的领域之一。气候变暖和人类活动将加剧水循环过程,影响了水循环要素的时空分布特征，增加了极端水文事件发生的概率,特别是城市暴雨洪涝灾害问题,并且在一定程度上影响区域水安全和国家中长期发展战略。因此，变化环境下水文循环与水资源脆弱性成为水科学研究的热点之一,其中城市发展与水安全已成为国际社会的前沿科学问题,有效应对全球变化是我国中长期科学和技术发展的需要[3-5]

(1)全球变化是当前国际社会的热点话题,全球变化下城市发展与水安全问题成为备受关注的国际前沿科学问题之一

全球变化是20世纪80年代发展起来的一个新兴科学领域,其中气候变化和城市化进程是全球变化研究的核心问题和重要内容]。科学研究表明,近百年来,地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化，这种变暖已经成为一个不争的事实。IPCC第四次评估报告指出:1906--2005年，全球平均地表温度上升了0.74士0.18 C,1880-2012年期间,最暖的10 a都位于1998年以后,其中2010年是最热的一年,未来全球气温仍将持续升高。现有的预测成果表明,未来50-100 a全球气候将继续向变暖的方向发展[6]。我国气候变暖趋势与全球基本一致,国家气象局提供的数据显示，1908-2007年我国地表平均气温升高了1.1 C,最近50 a北方地区增温最为明显，部分地区升温高达4C。气候模式预估结果表明,与1980-1999年相比，到2050年可能升高1.2-2.0C,到21世纪末可能升高2.2-4.2 C[]。近年来,气候变化引起海平面上升，冰川萎缩，风暴、洪水、高温等极端气侯事件发生的频率和强度明显增加，热带气旋和洪涝干旱灾害严重，生态系统改变等，深度触及水资源安全、生态安全、粮食安全、能源安全、公共安全等,影响人类的生存与发展,已成为当前最突出的环境问题，

全球变化的另一个主要表现就是城市化进程的不断加快,特别是发展中国家城市化进程的飞速推进，人口和产业不断向城市集中,使城市成为高密度和规模庞大的承灾体，从而人类面临的灾害风险也随之加大。根据联合国2019年发布的《世界城市化展望:2018年修正》和《世界人口展望2019》预测结果显示，2019年世界总人口估计在77亿，中变量预测下全球人口在2030年增长到85亿，2050年增长到97亿,其中城市人口将从36亿增加到63亿，即未来城市化进程将不断加快，城市人口将快速增加C3,9-12]。随着城市化进程的不断推进,城市化带来的环境问题也日益显著,如废弃物排放大量增加，环境污染加剧，生态系统退化,水资源和土地资源供需矛盾突出，暴雨洪水和城市内涝灾害严重，极端高温(热浪)频发等[13],这些都加重了自然灾害对城市的威胁。城市区域自然灾害一旦发生，往往产生一系列的连锁效应,灾害风险和威胁大大增加。

本书针对变化环境下城市暴雨洪涝问题，在对国内外城市洪涝灾害研究成果综合分析的基础上，重点以城市化发展最为显著、人水关系矛盾最为突出的北京市作为研究区域，探索城市化发展对区域下垫面类型、水文产汇流规律及城市暴雨洪涝的影响机制，开展我国北方地区城市化水文效应研究。本书分析了北京地区的城市化发展历程及下垫面变化特征，探讨了区域长期和短期的降雨演变特征，阐述了城市化流域洪水特征的演变趋势，识别不同城市化发展程度下城市降雨径流相关关系，构建了适合城市化区域的流域暴雨洪水模拟模型，揭示了环境变化(气候变化、城市化发展及下垫面变化)对区域降雨和洪涝演变的影响机制，从而为北方地区防洪减灾、水资源保护与利用和经济持续发展提供支持，为我国城市暴雨洪涝灾害防治与应急管理提供科学依据。