一个水文学家对中国城市内涝及海绵城市的建议
日期：2016-08-22
南京信息工程大学水文气象学院、应用水文气象研究院林炳章教授
今年以来，国内从南到北、自东向西的异常洪涝灾害夺去了许多同胞的性命、造成巨大的财产损失，我们搞水利这一行的，无不感到痛心和难过。大江大河洪水泛滥、堤防决口，山洪暴发，城市洪涝，形势很严峻；受季风和热带气旋的作用以及太平洋副高脊线北移复南下的影响，我国的暴雨季节变化大体如下：4-5两广、6江浙、7江8河9回头，自现在（出梅后）起台风要唱主角了，所以洪涝形势还没有完。以下谈几点看法供参考、以及汇报我的一些工作，请各位先进指教：
1、洪涝灾害的原因不外以下三点：1）强降雨；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。第三点很重要，可是行洪道上违规建设的现象比比皆是：堵、填、围、建。
2、城市水道、湖区、湿地是天然的洪水调蓄区，也是城市最大、最重要的海绵体，司职蓄水、分洪调水、补充地下水、旱时补充供水以及改善城市水体质量等功能，往往是城市最低洼地带；它是维系城市水文平衡的天然载体。通俗一点说，那是老天爷走的路、休息的地方，你把它侵占了，迟早是要受到惩罚的；老天爷一生气，把你冲的精光、淹得喘不过气来！
人定胜天表达一种气概尚可，但是实际上做不到的，对大自然要有敬畏之心，要尊重科学、要按科学规律办事。譬如，武汉南湖原是蓄水、滞水之用，现在都被填平、盖上商品房，成为小区；全国类似武汉南湖例子实在太多。这是城市洪涝现状的问题所在。
3、顶层设计很重要，顶层设计也是基础规划。从技术层面来说，我认为主要问题出在规划上面，规划的失误是最大的失误。海绵城市建设是针对中国城市洪涝现状（大部分城市无雨就旱、遇雨就堵、大雨就涝、暴雨就淹，有雨无雨水都脏）提出来的，不是LID所能解决的（上世纪九十年代我在Maryland PG y住了近十年，正是PG y 提出LID并逐渐成型的时候，我从来没有体验到PG y遇到了目前中国城市的旱涝状况）。
除了政策、法规、方针以外，早期总体规划工作都很欠缺，从事海绵城市规划设计的专业队伍普遍缺乏城市水文、工程水文的专业知识；缺乏设计暴雨的知识和研究，一个城市在不同设计标准下、不同历时究竟会下多大的雨？暴雨的时空分布情况如何？都没有人去研究，这怎么可以！工程尺寸如何设计？非工程措施如何制定？
4、山洪灾害是每年洪涝灾害中夺去生命的主要杀手，除了行洪道上违规盖房、搞建设以外，针对山洪灾害特点开展有效的预警预报工作很欠缺，要么花大钱在各地制定基于调查暴雨灾害的经验性质的“临界雨量”、要么沿用大江大河的洪水预报方法来预报山洪，实际上是没有效用的；这可都是“学者”研究出来的（这里有没有我们海外学者的“贡献”，我没有调查，不敢说）！对于一个200平方公里以下、汇流历时6小时以下，有的甚至只有几十平方公里、2-3小时汇流历时的集水面积，又没有资料，是很难预报的。
我给本科生开了一门课，“山洪泥石流预警预报系统（入门）”，学期结束时我总对同学们说，请你们记住三句话：1）我们的目标是预报山洪发不发生，而不在于山洪的过程；2）记住“关键的1小时”；3）一半对一半（50 to50）。
然后再逐一解释：1）任何模型都有参数，参数需要率定，率定需要资料，对于这么小的流域（集水面积），绝大多数都没有相应的降雨-径流资料，怎么率定？这么小的集水面积，我们只关心山洪会不会发生？而不关心洪水预报的三要素（Peak，Timing, Volume），说穿了，就是预报净雨问题； 2） 再准确的预报也应该预留1小时的时间，以便需要时来得及提前采取措施（诸如，疏散、转移）；3）预报方案作用占一半，责任心占一半。
5、今年的暴雨洪水态势，让我们看到了我国面临的新的洪涝威胁格局：1）对于滨河的城市（例如武汉、南京等）来说，要考虑“两碰头”，即：天上下暴雨和滨河大水遭遇，排水受阻；2）对于滨海大城市（诸如上海、杭州、福州、广州等），要考虑“三碰头”，即：天上下暴雨、三角洲河口（Estuary）上游来大水、海边恰逢天文高潮（Storm surge），同样的排涝不畅；3）三、四线城市面临山洪和城市内涝的同时威胁（看看城市街道上呼啸奔腾的黄浊浑水就知道了）。其实，这些都是工程水文研究的内容：洪水地区组成问题。
6、从防洪减灾非工程措施来说，防洪规划（大江大河洪水、山区山洪、城市洪涝）方案属于工程水文、城市水文、水文气象的范畴，可是中国大陆目前的工程水文人才奇缺，原因很复杂，这里不去探讨。譬如，工程水文的核心内容水文频率计算，是防洪规划（注意，不是预报！）的基本知识和主要工具，可是国内仍然停留在“一点、一线、加双眼”的水平，即：单点、单时段、P-III曲线、常规矩法目估适线；国外、特别是美国于上世纪九十年代初就全面开展对基于次序统计量的线性矩（L-moments）和地区频率分析相结合的全新的水文频率分析法的研究，即地区线性矩分析法，参数估计不偏性好、对特大值的稳健性好、频率估计值（Quantiles）的可靠性好。
美国NOAA进一步开发了完整的（End-to-end）“地区线性矩暴雨频率分析法（Regional L-momentsPrecipitation Frequency Analysis）”，并且完成了全美暴雨频率图集（Precipitation Frequency Atlases）的编制，包括5m、10m、…、60m、2h、3h、…、24h、2d、4d、…、7d、…、60d共18个设计时段，涵盖1y、2y、…、10y、…、100y、200y、500y、1000y等完整的频率估计值，供联邦、州、县三级各类工程建设（Infrastructures）和地区防洪规划使用。 我的研究又进一步指出：当用年最大值抽样（Annual Maximum Series, AMS）分析时，常遇频率估计值偏低，例如：1年一遇应该是1.58年、2年一遇应该是2.54年，…，等等；这将对城市给排水建设造成很大影响。
可是，目前国内的水文（水利）、气象、海洋、地质等等部门仍然沿用“一点一线加双眼”的过时的频率计算方法，在防洪减灾领域（譬如国家防办主导的洪水风险图编制、住建部委托中国气象局做的城市暴雨修订工作等）也是如此。海外学者涉猎这一领域研究的不多；我自2009年回国后就一直呼吁、推动改变这一局面，但是很困难，因为频率计算是工程水文的核心部分、又是水文计算中学术含量最高的内容，现行设计洪水计算规范定死了，阻力很大。
直到两个礼拜前，我主持的一个历时三年的水利部行业专项研究，“水文气象分区线性矩法在防洪规划中的应用”，在北京举行的结题评审会中受到与会的国内一流频率计算专家、教授的一致推崇，获得最高的评分A，露出了一线曙光，估计这一新颖的频率估算方法有望在国内相关防洪减灾的工程设计和海绵城市建设规划设计中获得重视和推广。
7、我写这么多是想给美华水利协会的同仁提供一点经验，为有意回国工作（长期或短期）或合作的同行借鉴，切记不要一开始就期望太高、太急。水利工程建设、防洪减灾措施具有强烈的地域特点，加上中美两国的国情、民情、管理体制、自然地理（水文、气象、气候）条件不同，有些事情不好照搬。还有一点，要明白，国内有本事有经验的学者也不少。
1993年籍ASCE在SanFrancisco召开学术大会之际，前辈先进颜本奇、沈学文、范守山教授发起成立美华水利协会时，我就对颜教授说：水利工作的地域特点明显、实际经验很重要，若不了解中国国内的实际情况，海外的学者就很难发挥大的作用。颜教授从1981年回国访问在南京河海大学开讲“城市水文”起，就经常回国讲学交流，对国内的情况比较了解。（1980年夏，前辈周文德大教授曾访问河海大学作了PMP讲座。）
8、针对国内山洪灾害威胁严重而山洪的准确预报难度很大，我和我的团队开发了“三张图山洪预警预报系统”，即：静态的山洪暴雨高风险区划图（科学基础图）+ 动态的临界河漫滩径流值图（缺水图）+ 动态的卫星-雷达临界降雨量图（来水图），24小时滚动提供作业预警。特别是，第一张图，已经开发出计算机可视化模块，为山洪预防开辟了一条比较科学的路子；目前，我的团队正承担国家防办山洪防治中心委托的“山洪灾害暴雨高风险区划关键技术及示范应用”课题，涵盖10省2市。
9、针对气象灾害预防的难点，我和我的团队发挥我们水文和气象结合的优势，又开发了“山洪灾害气象风险预警平台”，上月初应邀在中国气象局气象中心作报告介绍，受到高度赞赏，目前正在筹备进一步合作的计划。
10、针对海绵城市建设专业队伍普遍缺乏城市水文和工程水文的现状，应住建部城建司有关领导的要求，我正在着手筹划如何在海绵城市建设的规划基础工作中加强城市水文的知识，侧重城市降雨-径流情势知识和城市设计暴雨的工作。我在各种大小会议或研讨会上，一直坚持我的观点：LID只是一种源头处理改善水质的理念，内涵有限，海绵城市建设高于LID;海绵城市建设是解决中国特有的“水多、水少、水脏和雨中看海”的现状，应该多学科、多部门协同努力，下水管网设计、城市排涝设计、城市防洪规划等三方面统筹做好顶层设计，不能“铁路警察，各管一段”。
并且指出，在排水管网设计中，不应采取简单的经验排序方法、而应该采用年最大值抽样的频率计算；同时指出，前两年在全国各有关省市开展的城市暴雨公式修订的成果是不可靠、无法实用，因为其修订所依据的理论基础和技术是过时的、不可靠的。再有，在城市排水管网设计中，由于没有类似水库库容调节，实质上起不了多少削峰作用，所以应该采用洪峰流量控制、而不是采用目前使用的年径流总量控制。
11、最后，我想告诉各位海外同仁的是，在国内开展研究工作最大的困难是资料问题：资料收集、处理、质量控制（Data QC），非常、非常之困难，请大家要有思想准备。
12、鉴于今年严峻的洪涝灾害，我认为目前国内有关部门应该考虑开展以下的应对防洪减灾的基础研究工作（不限于此）：
1）下大决心、大力气，统合水文局和气象局的雨量资料，应用“地区线性矩方法”（即，多点、多时段、多线型、线性矩+准则适线）编制全国暴雨频率图集，涵盖完整的设计时段和从1年一遇到千年一遇的设计频率，提供统一的、国家级别的时-空全覆盖的暴雨设计频率平台，供各行各业（水利、防汛、气象、城建、海洋、地质等）进行工程建设设计标准和地区防洪规划使用。这是一项科学含量高、认真细致的基础工作，也将是中国第一部全国范围的、比较完整的暴雨频率图集，其成果可以稳定二、三十年使用；也将是造福子孙的一件大事。（请注意区别客观、科学的“设计标准”与因保护对象而人为设定的“设防标准”）
2）编制覆盖全国的暴雨高风险区划图集，涵盖各种设计时段和设计频率，分为山区的“山洪灾害暴雨高风险区划图集”和城市的“城市洪涝灾害暴雨高风险图集”，提供可视化应用平台，--主要作用是预防。
3）编制全国重点地区的山洪灾害气象风险预警平台和城市洪涝灾害气象风险预警平台，-- 主要用作汛期的作业预警预报。
4）重新编制全国的可能最大降水（PMP）图集，为重大水利工程、核电工程以及重要城市的防洪设计、规划提供科学的依据。以下几个数字可以看出科学的防洪设计标准（包括频率计算和PMP估算）的重要性：1991年以来，我国在水库漫坝失事的事件中，因超标洪水引起的占63%;我国目前的病险水库约占44%;世界发达国家的核电占有率是70%，而我国目前只有4%左右，可以预见我国将会大力发展核电工程。
我国香港特区政府在这方面做得比较好，我应特区政府土木工程署的委托已经完成24-hr的香港PMP估算研究，目前又在承担香港4-hr的PMP估算研究。PMP估算主要有四种方法：水汽放大、暴雨移置、时-面-深（DAD）曲线、统计估算；其中最普遍的是暴雨移置法，核心是山区暴雨分割技术，香港土木工程署指定必须采用我于1988年开发的“分时段地形增强因子法（SDOIF）”（WMO No-1045，Geneva，2009）进行东亚地区的暴雨移置。因此，我和我的团队对于编制全国的概化的PMP图集还是很有信心。
几十年来，我国的防洪减灾工作取得了举世瞩目的成就，单就保护生命来说，1956年的长江大洪水夺去了3.3万人的性命，1998年的全国大洪水因灾死亡3000多人，今年以来的全国洪水灾害造成300人失去生命（根据我个人关注洪灾的初步统计，不一定准确），成绩显着。但是，挑战形势很严峻。我个人认为，以上这几件大事的完成，将为我国的防洪减灾局面带来新的面貌，变被动为主动，从手工作业水平提高到工业化水平。
美华水利协会也已经走过了二十几年的历程，人才济济、年轻有为，希望能有更多的青年才俊和年富力强的学者，以各种不同的方式，为中国的水利建设、水资源开发利用、防洪减灾等事业做出杰出的贡献。我也很欢迎诸位先进有机会到南京来，访问我们学校和学院，交流和指导；我们共同努力，为中国的防洪减灾做点实事。
本文是林炳章教授写给美华水利协会的信函节选。
--林炳章，南京信息工程大学水文气象学院、应用水文气象研究院 （写于Silver Spring，MD;July 30, 2016）
1968年毕业于河海大学，是文革后第一届研究生；1983至1984在着名的荷兰国际水力和环境研究所进修学习；1985至1989任教于河海大学；1989至今在美国国家天气局水文气象设计研究中心任首席水文学家，资深水文学家。2009年10月17日受聘担任南京信息工程大学应用水文气象研究院院长。
林炳章教授的研究及其应用涵盖环境工程设计，城市规划， 和保险业务等领域。他是美国防洪标准制定，防洪区域规划研究的一位主要领军人和承担者。
来源：水进展微信
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