水韵安澜济城邑：洪涝防治破坚冰
2025-08-27 11:32:28
夏日的暴雨如失控的天河，倾泻在北方城市的钢筋水泥森林中。硬化地面吞噬了土壤的呼吸，当排水管网追不上暴雨的节奏;当城市街道化作湍急的河流;当地铁隧道被浑浊的洪水吞噬……这一幕幕触目惊心的场景，在气候变化与城市化浪潮交织的背景下反复上演。
在这片与水患斗争的战场上，一位女性科学家深耕城市洪涝防治领域十余载。她跋涉于泥泞积水的街道，俯身于错综复杂的管网图纸，在实验室的屏幕前彻夜推演洪涝轨迹。她就是河海大学城市水务学科博士生导师栾清华教授。从太行山麓到河北平原，她以科技之光穿透内涝阴霾，用智慧之钥解锁城市水安全密码，探索城市“水困”的破局之路，构建起一套覆盖“基础研究-技术研发-工程示范-政策建议”的完整科研体系，让“水韵安澜”从理想照进现实。
城市内涝作为当今最为突出的城市水问题之一，通常表现为强降雨或连续降雨超过城市排水能力，导致地面产生积水的现象，严重威胁着城市公共基础设施和居民的生命财产安全。栾清华长期致力于强人类扰动区暴雨洪涝、干旱极值水文过程识别与模拟方面的研究，面对城市洪涝这一复杂难题，她深知，要想准确模拟城市雨洪内涝分布，为相关部门提供决策依据，必须从基础研究入手，攻克一系列技术难题。
针对千城千面的洪涝，栾清华深谙“精准诊断”之道。传统的暴雨洪水管理模型(SWMM)虽然在全球广泛应用，但在面对中国城市复杂下垫面和大范围城区时，常常因为数据缺失或精细化不足而导致模拟偏差。以北京亦庄经济开发区核心区为研究对象，针对“无管流监测数据”的困境，栾清华带领团队提出了从子汇水区划分到排水系统数字化的全链条技术解决方案。运用ArcGIS技术和RS技术，创新性地提出了针对10km²以上大尺度复杂下垫面城区具有普适性的子汇水区划分、排水系统概化、集流点雨水井确定的精细化处理方法。
在子汇水区划分上，栾清华摒弃传统的均匀划分方式，结合高精度 DEM 数据、建设用地分布及排水管网信息，提出“多级动态划分法”。以亦庄核心区为例，先根据总体地形分布和坡度分布的空间差异性以及主要排水河道的位置和流向特征，粗划为东、西两大排水片区，再根据建设用地类型空间分布情况进一步细化。此后，在各用地类型子汇水片区的基础上，参照路网、建筑边界，将每个子汇水片区划分多个用地类型地块汇水单元，最终细化至 1072个地块单元，最小面积仅28.62平方米，使得所建模型能够如实反映城区地表覆被的差异性，降低了模型构建误差。
对于集流点雨水井的精准匹配，栾清华教授团队充分考虑区域排水特性，将全部新旧排水管道(网)、河流、沟渠统一概化为排水管线。针对平原区与山丘区差异，分别采用等高线法(平原)和重采样技术(山丘)优化流向判断，通过高分辨率栅格数据识别每个子汇水区的最低点作为“理论出水口”，并结合实地踏勘，将子汇水区与雨水井一一对应，误差控制在极小范围内。在亦庄核心区，最终概化出3621个雨水井，其中与子汇水区一一对应的集流点雨水井 1072 个。
在排水系统拓扑关系的自动化校验方面，针对SWMM对输入数据要求较高、校核与检验任务繁琐的问题，栾清华团队设定严格的拓扑容差，先利用ArcGIS中的拓扑检验工具进行管网数据的初步精选，自动辨别和纠正重叠或未连接管段，再利用SWMM的预运行自查功能，逐个定位存在问题的位置，进行工程合理性检查、连接性检查和排水管道纵断面图检查，最后通过模型中管网设施编辑命令进行数据修正。
通过这些关键技术的突破，栾清华团队成功提高了分布式水文模型在大尺度复杂下垫面城区的数字化输入精度，实现了分布式水文模型的高精度输入，为城市雨洪模拟奠定了坚实基础。
在攻克技术难题的基础上，栾清华深知不同城区的地形地貌、排水系统和下垫面条件各不相同，因此必须因地制宜地提出针对性的城市洪涝防治方案。
首先是针对浅山型城区，提出工程与非工程措施协同发力。如，北京市海淀区香山山区地势复杂，传统低影响开发(LID)措施应对强降雨效果欠佳。栾清华团队利用SWMM模型评估发现，下凹式绿地等LID措施在对5年及以下重现期设计暴雨场景的径流削减量可达55.7%，但超过该重现期后效果显著下降，植草沟近乎失效，香泉环岛等低洼地带因缺乏管网，仅靠LID难以抵御上游洪水，洪涝风险极高。为此，栾清华提出浅山型城区山洪防治需“工程+管网”双管齐下：海绵措施优先保障下游排水管网建设，资金充裕时上游修建防洪工程措施，中游扩大排水管网容量;同时配套发布洪涝风险图、优化疏散路线等非工程措施，降低灾害损失。
其次是半山型城区，提出考虑坡度的 LID 布设面积的协同效应。如，临城县城中心城区地处半山区域，因西高东低地势与分散排水系统，限制了 LID 技术应用。栾清华团队通过构建 SWMM 模型，耦合 MIKE Urban 管网模型与 MIKE 21 地表漫流模型，精准模拟降雨径流。研究发现，半山区丘陵地带中，LID 措施对洪水的削减效果与布设面积、区域坡度相关，坡度越小控制效果越好，但峰现滞后效应不显著。因此，她们指出：半山区需优先在平缓区域集中布设LID，陡坡区域则需结合水利工程加固，以此提高对洪水的防控能力。
此外，针对平原型中心城区，提出湿地公园与管网改造双管齐下。如，邯郸市东部城区作为典型平原型中心城区，深陷“不透水下垫面占比高”与“排水管网超负荷运行”的双重困境。高速城镇化进程导致不透水面积剧增，加之排水管网设计标准偏低，排水能力严重不足。栾清华团队运用MIKE FLOOD耦合MIKE Urban、MIKE11和 MIKE21，评估“绿色+灰色”设施协同重建水文平衡的效能。研究显示，湿地对50年及以下设计重现期暴雨径流可削减水位35-40cm，但难以抵御百年一遇暴雨;扩大管径能使其在5年一遇重现期设计暴雨时管道承压比例下降7%，面对极端暴雨则收效甚微;河流廊道改造在一定程度上可降低洪水位。据此，她提出城市更新应优先保留自然水系，通过灰色管网与绿色湿地协同发力，提升城市应对内涝的韧性。
针对平原型科技园区，栾清华提出新建城区的风险前瞻性防控。如，北京未来科学城属于新建城区，缺乏实测数据，建筑用地土壤渗透性较差。栾清华团队基于MIKE URBAN软件的MOUSE模块，利用基础数据资料建立雨水排除系统模型。通过实测暴雨过程进行模型参数率定，并采用管道水力计算公式对模拟结果进行检验，最终通过实际调研验证模型的可靠性。从模拟结果可知，在不同降雨条件下，区域内不同位置存在不同程度的内涝风险。基于此，栾清华建议针对新建城区需在规划阶段预留调蓄空间，并升级管网设计标准，提前做好风险防控。
“城市水患治理没有终极解，只有持续化改进的答案。”栾清华如是说。十余载春秋，她用脚步丈量了京津冀不同类型城镇的排水脉络，用算法破译了上百场暴雨洪涝的致灾密码。她的工具箱日益丰富：从SWMM模型到智能可视化平台，从LID措施到与泵站联动系统;她的视野不断延伸，领衔编写《城市暴雨道路积水监测技术及应用进展》，并将城市雨洪治理的战线从水量延伸至水质。针对不同城区特点，她提出一系列创新性解决方案，并在多个试点区域取得显著成效。近5年来，相关成果获得2024年度华夏建设科技进步一等奖，授权国内外发明专利20余件，发表SCI/EI高质量检索文章近20篇，授权软著2项。这些成果为城市洪涝防治提供了切实可行的技术方案。
在城市洪涝防治的征程中，栾清华的研究工作，不仅关乎城市的当下安全，更着眼于城市未来的可持续发展。在气候变化和城市化进程不断加速的背景下，城市洪涝防治的挑战依然严峻，她坚守一线、不懈努力，只为城市的发展铸就更加坚实的防洪屏障，让城市的未来将更加安全、美好。
当问及梦想，这位华夏建设科技进步一等奖获得者这样说：“愿城市如海绵，暴雨时吸水吐纳，晴日里润物无声。让每滴雨找到归途，让每个人不再望‘海’兴叹。”这，或许正是“水韵安澜”的最佳诠释。(文/张玮)
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