第1章绪论
1.1研究背景及意义
中华人民共和国成立以来，随着社会经济的发展、科学技术的进步和产业结构的调整，我国经历了以农业为主的传统乡村型社会向以工业、服务业为主的现代城市型社会快速转变的过程，即城市化过程（余峰，2016）。国家统计局发布的统计资料显示，2020年末，我国的城市化率达到了63.89%，比全球平均城市化率高出近8.8个百分点。联合国秘书处经济与社会事业部发布的“世界城市化展望”报告指出，中国己经进入城市化快速发展的时期，是目前全球城市化水平提高贡献*大的国家之一。快速的城市化发展集聚了社会生产所需要的人力和物力，推动了社会经济的快速发展。然而，早期的城市化发展模式多以牺牲城市地区原有的生态环境为代价（张建云等，2014）。绿地、河湖和水系逐渐被渗透性低的城市建筑群、人工管道和渠道所取代，使得城市水体缩减，蓄水、排水和净化水的能力下降。人口和工业的快速膨胀导致城市用水量、排污量、城市人为热和固体颗粒物的排放量显著增加。这些城市化引起的局地变化显著改变了城市地区的区域气候、水文循环和水力学特性，引发了以水资源短缺、城市暴雨洪涝、水环境污染和水生态恶化等为代表的一系列城市水问题（袁建新等，2011;石怡，2014;Sun et al.，2014;贾绍凤，2017）。
在诸多城市水问题中，城市暴雨洪涝因近年来出现的频率高，造成的损失大，影响范围广，逐渐成为社会和科学界广泛关注的焦点（Jiang et al.，2018;姜仁贵和解建仓，2016）。城市暴雨洪涝通常是指短时间内降水强度过大，超过城市排水系统的排水能力，以致区域出现点状或面状积水成涝的现象（黄宁，2016）。研究表明，全球气候变化和人类活动显著影响了水文要素的时空分布特征，增加了极端降水事件的发生概率，进而增大了城市暴雨洪涝出现的可能性（Schiermeier，2011；Huong and Pathirana，2013;Xiao et al.，2016）。与此同时，与城市化过程伴生的水文效应，如局地对流过程增强、暴雨强度增大、地表产流能力下降、汇流时间缩短等，使城市地区面对暴雨洪涝的脆弱性进一步增强（Wagener，2007;吴思远，2013）。除此之外，城市人口和财产的高度集中为城市社会经济发展带来聚集红利的同时，也使得暴雨洪涝造成的破坏、损失和影响成倍增长（Hapuarachchi et al.，2011;刘娜，2013;刘俊等，2015）。2011年，全球因暴雨洪涝造成的灾害损失多达700多亿美元，导致6000多人死亡（Westra et al.，2015）。同年在中国，仅6月23日发生在北京的一场暴雨洪涝事件就造成了超过100亿的直接经济损失（董璐璐，2011）。据统计，过去十年间，中国超过60%的城市遭受过不同程度的暴雨洪涝灾害，造成的直接和间接经济损失占国民收入的比重超过2.2%（吕宗恕和赵盼盼，2013）。城市“看海”现象层见叠出，“逢雨必涝”成为我国许多大、中型城市的顽疾（徐宗学等，2018）。
值得注意的是，在历次暴雨洪涝事件中，短历时强降水造成的突发性暴雨洪涝灾害事件显著增加（董军刚，2014；Westra et al.，2015）。一方面是由于全球气候变暖和城市化过程改变了局地的降水时空分布特征，增加了城市区域短历时强降水的发生概率和降水强度（Chen et al.，2013;陈秀洪等，2017）;另一方面是因为城市区域蓄滞水能力下降，区域汇流时间缩短，使得在同样的降水条件下更容易出现洪涝（朴希桐，2015）。在这种情况下，提高城市暴雨洪涝的预警预报能力，评估洪涝灾害的风险，改善城市现有的水循环条件，有效利用暴雨洪水资源，增加城市承受洪涝灾害的能力，成为当前治理城市暴雨洪涝问题的主体思路（张炜等，2012;宋海燕，2015）。其中，提高城市暴雨洪涝的预警预报能力是目前应对突发性洪涝灾害迫切需要解决的核心问题，也是合理规划城市布局、科学制定暴雨洪水管理措施的基础（王建鹏等，2008；骆丽楠等，2012）。己采取的众多手段中，基于降水预报和基于多源/高分辨率遥感数据的城市暴雨洪涝精细化模拟技术因可以有效延长暴雨洪涝预见期，实现实时或多情景状况下的洪涝风险评估，而逐渐成为解决城市暴雨洪涝问题的重要工具，在实际应用中取得了良好的防灾减灾效果（仇劲卫，2000;郑辉，2014）。近年来，数值天气预报在降水预报能力尤其是短历时强降水预报能力上的显著提升，为进一步提高城市暴雨洪涝风险评估和预警预报能力提供了可能（叶青，2012）。
数值天气预报是根据大气的实际情况，在给定的初始条件下，通过数值求解描述天气过程的热力学和流体力学方程组，以此预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法（李刚，2007）。研究表明，将数值天气模型预报的降水信息作为城市暴雨洪水模型的输入，可以在一定程度上提高预报结果的精度，延长暴雨洪涝预见期（解以扬等，2005）。对那些汇流时间短、暴雨时程集中且短期降水强度高的城市区域来说，预见期的延长可以为制定应急预案和实施防汛抢险争取更多的响应时间，降低暴雨洪涝带来的潜在危害（陈垚森等，2012;陈洋波等，2015）。同时，数值天气预报因为多了陆面信息的反馈，原有的模型结构和物理参数化方案从而得以改进（Song and Wang，2015），能够更好地应用于城市暴雨洪涝过程的模拟和预报。然而，数值天气预报本身的不确定性，城市暴雨洪涝致灾过程的地域性和复杂性，天气过程与陆面过程求解尺度的差异性，都增加了将数值降水预报结果应用于城市暴雨洪涝预警和风险评估的难度。在此基础上，产生了如何提高数值降水预报结果的精度，如何实现数值天气预报模型和暴雨洪涝模型的耦合，如何构建反映城市区域自身暴雨洪涝特点的城市雨洪模型，如何评估和预报暴雨洪涝灾害风险等一系列研究难点和热点问题（王建鹏等，2008;骆丽楠等，2012;叶青，2012）。
城市暴雨洪涝过程模拟技术能够提供城市暴雨洪涝过程中各关键特征要素的重要状态信息，在城市暴雨洪涝灾害防控和海绵城市建设规划中发挥着越来越重要的作用。采用基于水文学或地形分析方法构建的城市雨洪模型，可以快速识别城市洪涝易淹没区域；借助基于完全分布式水动力学方法构建的城市雨洪模型，可以获取暴雨洪涝期间城市地表淹没的详细过程（宋晓猛等，2014;Teng et al.，2017）。然而，城市表面地形和地物结构复杂多变，使得洪水流态的各向异性特征更为显著，因而很难对城市区域的洪涝状况和风险水平进行精确评估（徐宗学等，2018）。在这种情况下，要想进一步提高洪涝模拟精度以实现对洪涝风险的精确评估，准确表征城市地形、城市道路、建筑物、植被分布和水体等信息十分重要（Tsubaki and Fujita，2010;Yan et al.，2015）。一直以来，城市水文模拟中的水文参数信息大多通过现场调查或研究者的经验来确定，这使得水文模型结构和参数的确定面临着较大的不确定性。近年来，随着遥感观测技术的快速发展，研究者能够通过卫星搭载的各式传感器获取更多高分辨率的陆地表面信息，这些信息可以为精细化的城市暴雨洪涝过程模拟提供更为全面的数据基础（刘勇等，2015）。
北京和济南为中国遭受突发性暴雨洪涝灾害*为严重的城市之一（王崴等，2013）。北京地处典型大陆季风气候区，年内降水分布极不均匀，汛期降水总量约占全年降水总量的60%～80%（张晓婧，2015;Xu and Chu，2015）。受全球气候变化、城市“雨岛”效应、阻碍效应和凝结核效应的影响，北京以短历时强降水为特征的暴雨事件出现的概率和强度明显增加（Yang et al.，2014;袁宇锋，2017）。快速城市化建设大量侵占原有蓄滞排水空间，明显缩短了区域汇流时间，增加了北京遭遇突发性暴雨洪涝灾害的可能性（张建云等，2014）。同时，经济的快速发展和人口的快速膨胀导致该区域面对暴雨洪涝的脆弱性明显增强，使得北京解决暴雨洪涝问题的需求显得更为迫切。与北京暴雨特性类似，济南暴雨时空分布也极为不均匀：暴雨时程分布非常集中，汛期降雨量占全年降雨量的75%左右；空间上呈现出显著的局部性特点，暴雨中心多出现于城区。此外，由于济南地处山前平原区，地势南高北低，形成了由南向北一面坡的特殊地形，因而，汛期暴雨在济南南部山区易形成山洪，在北部低洼区则易形成积水。一旦南部山区的山洪顺着南北向马路街道冲向市区，会形成速度较大的冲击水流，对道路、车辆、行人造成巨大威胁；而北部低洼区的积水则会造成巨大的淹没损失。
为了提高城市区域应对暴雨洪涝灾害的能力，济南和北京先后入选**批和第二批海绵城市建设试点，开启了城市雨洪管理的新篇章。对北京和济南海绵措施雨洪控制效果及其布局优化的研究有利于科学、高效地开展海绵城市建设。随着城市发展水平的提升，对城市暴雨洪涝过程模拟的准确度要求更高，基于数值天气预报与城市雨洪模型耦合的暴雨洪涝过程预警预报技术具有重要的应用前景，基于多源/高分辨率遥感数据的城市暴雨洪涝过程精细化模拟也取得了较大的进展。开展基于数值天气预报和多源遥感数据的精细化城市暴雨洪涝过程模拟对于推动跨学科的科学研究、新方法新技术的应用具有重要作用。利用精细化的城市雨洪模型分析不同降雨和低影响开发（low impact development，LID）设施条件下城市排水系统和雨洪（暴雨洪涝）过程的响应特征，对于识别暴雨洪涝灾害致灾机理，制定科学的防洪减灾策略具有重要的借鉴意义。研究结果可为北京、济南乃至全国的防洪减灾和海绵城市建设工作提供科学依据和技术支撑。
1.2国内外研究进展
1.2.1城市暴雨洪涝过程模拟研究进展
城市暴雨洪涝过程模拟作为现代城市防洪减灾和海绵城市规划建设的关键支撑技术之一，主要采用数值模拟方法对城市区域水循环过程进行模拟分析，提供城市暴雨洪涝过程的关键特征要素和重要状态信息，在城市雨洪管理和防洪减灾方面具有重要作用。城市雨洪模型是城市暴雨洪涝过程模拟的主要工具。20世纪40～50年代，欧美等国就开始了城市暴雨洪涝过程模拟方面的研究工作，*初是利用经验性的合理化公式对城市小流域径流过程进行计算，其后于60～70年代开发出概念性的分布式城市雨洪模型，如暴雨管理模型（storm water management model，SWMM）、Wallingford模型等通用性模型。进入80年代以后，随着地理信息技术和计算机技术的发展，一批综合了新兴技术的城市雨洪模型应运而生，如丹麦水力研究所开发的DHIMIKE系列模型、华霖富公司开发的InfoWorks系列模型等。中国在城市雨洪模型方面的研究起步相对较晚，直到80年代后期才开始有较为系统的研究。1990年，岑国平开发出中国**个城市水文模型一雨水管道计算模型（SSCM）。自此，中国的城市雨洪模型研究和研发工作迅速发展，出现了一系列城市雨洪模型。这些城市雨洪模型按照雨水汇流计算方法的不同，可以分类成：①以水文学方法为主的模型；②以地形分析方法为主的模型；③以水动力学方法为主的模型；④水文水动力学耦合模型（王静等，2010;徐宗学和程涛，2019）。
以水文学方法为主的模型一般只重点关注流域出口或重要节点的水文过程，将地表区域划分为子汇水区，采用水文学方法模拟坡面汇流，对于排水系统和河渠的汇流则采用水文学方法（马斯京根法）或水动力学方法（圣维南方程组）。其中，基于动力波法的一维水动力学方法能够较好地模拟城市排水管网系统中各种水流流态共存（有压流和无压重力流交替）和管网呈辫状或环状分布的特殊情况，可以采用有限差分法求解完全的圣维南方程进行模拟计算（胡伟贤等，2010;喻海军，2015）。目前较为成熟的城市雨洪模型及相关软件均米用动力波方法模拟管网汇流，其中以美国环境保护署（Environmental Protection Agency，EPA）推出的SWMM应用*为广泛。任伯帜和邓仁建（2006）利用对比试验对排水管网模
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