基于物理模型的城市綜合徑流系數(shù)特性研究

梁海，邵敏

（上海市水務(wù)業(yè)務(wù)受理中心（上海市海洋業(yè)務(wù)受理中心），上海市 200050）

基于物理模型的城市綜合徑流系數(shù)特性研究

梁海，邵敏

（上海市水務(wù)業(yè)務(wù)受理中心（上海市海洋業(yè)務(wù)受理中心），上海市 200050）

根據(jù)在上海市松江農(nóng)田水利試驗(yàn)站開展的人工模擬降雨條件徑流系數(shù)試驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)成果，開展城市綜合徑流系數(shù)特性研究，得到了在不同降雨強(qiáng)度、雨型作用下，城市綜合徑流系數(shù)在動(dòng)態(tài)平衡前、中的特性，研究成果可供海綿城市建設(shè)參考。

城市；綜合徑流系數(shù)；人工模擬；特性分析

0　引言

針對(duì)國(guó)內(nèi)城市內(nèi)澇形勢(shì)嚴(yán)峻的問題，2013年12月中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議要求，在全國(guó)開展建設(shè)“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市的試點(diǎn)工作，要求構(gòu)建低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)，系統(tǒng)控制目標(biāo)包括徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用等。其中，徑流總量控制是首要的規(guī)劃控制目標(biāo)［1］，而實(shí)現(xiàn)徑流總量控制的關(guān)鍵因素就是綜合徑流系數(shù)。因此，本文采用模型試驗(yàn)研究的方法，開展了城市綜合徑流系數(shù)特性研究工作，研究成果可供與上海市相類似的海綿城市建設(shè)參考。

1　城市綜合徑流系數(shù)研究方法

城市綜合徑流系數(shù)是一個(gè)綜合性參數(shù)，影響因素較多，是一個(gè)隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)變量，反映的是匯水面上各種性質(zhì)的地面覆蓋的組合效應(yīng)。目前，暴雨徑流模擬所經(jīng)常采用的研究方法中，主要有數(shù)學(xué)物理方法、黑箱方法與概念性模型。

（1）數(shù)學(xué)物理方法

數(shù)學(xué)物理方法依據(jù)水流的連續(xù)方程與動(dòng)量方程求解水流的時(shí)空變換，一維、二維乃至三維不穩(wěn)定流數(shù)值解已發(fā)展得比較成熟，計(jì)算精度可達(dá)相當(dāng)高的程度，但對(duì)于流域或排水系統(tǒng)的雨洪徑流過程，由于流域下墊面過于復(fù)雜，產(chǎn)流匯流交織發(fā)生，加之排水系統(tǒng)灌渠本身具有的調(diào)洪能力，致使難以建立這樣復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理方程。在實(shí)際的操作過程中，也無(wú)法同步精確地獲得支持龐大數(shù)理方程求解所需的大量自然數(shù)據(jù)，因此目前還不可能完全依賴數(shù)理方法求得。

（2）黑箱方法

黑箱方法是一種系統(tǒng)分析方法，該法將流域或者排水系統(tǒng)視作一種動(dòng)力系統(tǒng)，利用輸入與輸出資料，建立某種確立性關(guān)系并率定其中系數(shù)。

（3）概念性模型

概念性模型是通過建立物理模型，“仿真”模擬流域的降雨徑流過程。

本次城市綜合徑流系數(shù)的研究方法是依據(jù)黑箱方法與物理模型方法的基本思路，建立一套簡(jiǎn)捷、易行的物理模型，仿真地模擬排水系統(tǒng)的降雨徑流過程，從而獲得一組具有實(shí)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此來確定城市綜合徑流系數(shù)。

2　城市綜合徑流系數(shù)特性研究試驗(yàn)

2.1研究對(duì)象的確定

從徑流系數(shù)研究對(duì)象來劃分，可以從二個(gè)方面著手：

（1）綜合法：選取具有代表性的由多種地面類型組合而成的下墊面作為研究對(duì)象，將研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)方法所得的結(jié)論進(jìn)行比較。

（2）單一法：選擇目前城市下墊面的典型種類，逐一進(jìn)行場(chǎng)地試驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)于用排水系統(tǒng)的抽水試驗(yàn)中。

城市建設(shè)的日新月異，下墊面類型種類繁多，要選擇具有良好代表性的下墊面覆蓋種類并非易事。綜合法能夠適應(yīng)城市綜合徑流系數(shù)研究的要求，實(shí)用性強(qiáng)，場(chǎng)地試驗(yàn)效率高、周期短，有利于將場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果直接應(yīng)用。因此，本文研究中采用綜合法——由多種地面覆蓋組合而成的下墊面作為研究對(duì)象，從中提出一套適用于上海地區(qū)的綜合徑流系數(shù)修正系數(shù)。

2.2徑流系數(shù)特性研究的場(chǎng)地試驗(yàn)

暴雨地面徑流過程極為復(fù)雜，徑流系數(shù)影響因素繁多，場(chǎng)地徑流系數(shù)研究的主要目的是從雨水溝道的設(shè)計(jì)要求、城市暴雨徑流特點(diǎn)以及上海地區(qū)典型地形、地貌出發(fā)，選取既能滿足科研的實(shí)際需要，又能使物理模型試驗(yàn)有效進(jìn)行的影響參數(shù)，按正交試驗(yàn)原則實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，從中獲得徑流系數(shù)變化的基本規(guī)律。由于徑流系數(shù)的場(chǎng)地試驗(yàn)便于人為調(diào)控，受自然條件的制約較少，因此試驗(yàn)方案可根據(jù)實(shí)際需要及實(shí)驗(yàn)結(jié)果任意增減、改動(dòng)，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性、可靠性及可比性均較強(qiáng)，是“城市綜合徑流系數(shù)”研究的重要組成部分。

為了弄清徑流系數(shù)在不同參數(shù)影響下的變化過程，以利提供在城市圩區(qū)中適合于上海地區(qū)的徑流系數(shù)，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院會(huì)同松江區(qū)松江農(nóng)田水利試驗(yàn)站在松江佘山建立了一塊可供徑流系數(shù)人工模擬降雨的試驗(yàn)基地，并為使場(chǎng)地徑流系數(shù)的試驗(yàn)更“逼真”地模擬一場(chǎng)降雨在以城市地區(qū)為下墊面的暴雨徑流的全部過程，對(duì)該塊不封底觀測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行了較大規(guī)模的改建工程。經(jīng)過六個(gè)月近百場(chǎng)人工模擬降雨，獲得了大量有關(guān)徑流系數(shù)變化特性的第一手實(shí)驗(yàn)資料。

3　城市綜合徑流系數(shù)特性分析

降雨條件（包括強(qiáng)度、歷時(shí)、雨峰位置、前期雨量、強(qiáng)度遞減情況、全場(chǎng)雨量、年雨量等）和地面條件（包括覆蓋、坡度、匯水面積及其寬度長(zhǎng)比、地下水位、灌渠疏密等）是影響城市綜合徑流系數(shù)的兩大基本因素。此外，城市建筑密度、建筑物高度以及城市熱島效應(yīng)等亦會(huì)在一定程度上影響著徑流系數(shù)的數(shù)值。本場(chǎng)地試驗(yàn)從雨水溝道的設(shè)計(jì)要求和城市暴雨徑流的特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)上海地區(qū)的地形、地貌，選取了既有滿足科研、設(shè)計(jì)工作的實(shí)際需要，又能使場(chǎng)地試驗(yàn)有效進(jìn)行的主要影響參數(shù)——降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨雨型、不同下滲率的下墊面覆蓋，進(jìn)行特性分析。

3.1洪峰徑流系數(shù)在趨向動(dòng)態(tài)平衡過程中的特性分析

徑流系數(shù)是一項(xiàng)隨降雨歷時(shí)而變化的動(dòng)態(tài)參數(shù)，試驗(yàn)中以5 min為一記錄時(shí)段（產(chǎn)流開始前為1 min），其值隨歷時(shí)的增長(zhǎng)而增大，但一般從降雨開始50～90 min后，便達(dá)到了穩(wěn)定值。

（1）徑流系數(shù)與時(shí)間成正比

試驗(yàn)研究表明，徑流系數(shù)與時(shí)間成正相關(guān)的規(guī)律不受地表覆蓋、降雨強(qiáng)度、雨型等因素影響。由于每次試驗(yàn)前的土壤含水率基本相同，因此隨著降雨的進(jìn)行，場(chǎng)地上各點(diǎn)產(chǎn)生的地表徑流通過收集管渠，均有一個(gè)從小到大的匯流過程，相應(yīng)地洪峰徑流系數(shù)也形成了一個(gè)由小到大直至穩(wěn)定的過程。場(chǎng)地不透水面的變化，只是影響這一過程的時(shí)間長(zhǎng)短，即下墊面不透水覆蓋比例越大，這一過程時(shí)間就越短。

（2）雨強(qiáng)增大過程中，下墊面覆蓋變化對(duì)徑流系數(shù)的影響越來越小，從20 min、40 min最大差值B所示計(jì)算結(jié)果來看：這一規(guī)律十分明顯。以40 min時(shí)段的試驗(yàn)結(jié)果為例，在設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為P=1 a時(shí)，各種下墊面覆蓋的過程徑流系數(shù)之間的最大差值為0.231，而在設(shè)計(jì)暴雨P(guān)=5 a時(shí)，這一差值僅為0.113。在其余實(shí)驗(yàn)時(shí)段，過程徑流系數(shù)均呈這一基本特征。

（3）下墊面在可透水層覆蓋的增加過程中，雨強(qiáng)對(duì)洪峰徑流系數(shù)的影響程度越來越小。以20 min時(shí)段的試驗(yàn)結(jié)果（見表1）（最大差值A(chǔ)）為例，當(dāng)下墊面的加權(quán)徑流系數(shù)為0.336時(shí)，在不同雨強(qiáng)作用下，徑流系數(shù)之間的最大差值為0.570；當(dāng)下墊面的不透水面覆蓋至0.825時(shí)，其洪峰徑流系數(shù)間的最大差值為0.038。從徑流系數(shù)在其達(dá)到峰值的過程中所呈現(xiàn)的上面兩點(diǎn)特性，對(duì)于認(rèn)識(shí)上海地區(qū)，特別是排水系統(tǒng)基本均已建成的中心城區(qū)的徑流系數(shù)的變化特點(diǎn)具有重要的參考價(jià)值。

表1　洪峰徑流系數(shù)變化過程

3.2洪峰徑流系數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（峰值狀態(tài)）時(shí)的基本特性

徑流系數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（峰值狀態(tài)）是指在一定人工模擬降雨作用下，由各種地面覆蓋組合而成試驗(yàn)場(chǎng)地上的徑流量大小，不再瞬時(shí)發(fā)生變化，達(dá)到恒定值的狀態(tài)。明確這一狀態(tài)時(shí)的徑流系數(shù)特性是徑流系數(shù)場(chǎng)地試驗(yàn)的關(guān)鍵。

（1）降雨強(qiáng)度與不同地表覆蓋的洪峰徑流系數(shù)呈有條件的相關(guān)關(guān)系。

從試驗(yàn)資料可以清晰地看出，P=1 a（36 mm/hm2）的降雨強(qiáng)度是試驗(yàn)條件下各種地面覆蓋之洪峰徑流系數(shù)峰值大小與降雨強(qiáng)度的分界值。當(dāng)降雨強(qiáng)度的頻率小于P=1 a時(shí)，徑流系數(shù)峰值隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，而降雨強(qiáng)度的頻率大于（或等于）P=1 a時(shí)，不論何種下墊面覆蓋，其下墊面之徑流系數(shù)峰值基本保持不變，下墊面透水性的高低，降雨強(qiáng)度的大小僅影響徑流系數(shù)達(dá)到峰值所需的歷時(shí)。

（2）洪峰徑流系數(shù)峰值（Ψf），洪量徑流系數(shù)（ΨH）與面積加權(quán)徑流系數(shù)（Ψj）間存在著一定的關(guān)系。

a.洪峰徑流系數(shù)峰值Ψf與洪量徑流系數(shù)ΨH間的關(guān)系。

試驗(yàn)表明：洪峰徑流系數(shù)峰值（Ψf）與洪量徑流系數(shù)（ΨH）具有明確的相關(guān)關(guān)系。Ψf/ΨH的比值隨下墊面不透水覆蓋的增加而減小，并隨降雨強(qiáng)度的增加，Ψf/ΨH的數(shù)值下降。在試驗(yàn)資料中，除個(gè)別數(shù)值受到自然因素干擾而略有波動(dòng)外，Ψf/ΨH隨不透水覆蓋以及雨強(qiáng)影響的這一特性十分明顯。

b.洪峰徑流系數(shù)峰值Ψf與加權(quán)徑流系數(shù)Ψj的關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果來看，加權(quán)徑流系數(shù)越大，Ψf/Ψj的比值越小，換言之，下墊面的透水面所占比例越大，Ψf與Ψj的偏差越大，當(dāng)下墊面按加杈徑流系數(shù)為0.336鋪墊時(shí)，其實(shí)測(cè)徑流系數(shù)峰值可達(dá)0.83。

3.3土壤含水率、降雨強(qiáng)度對(duì)達(dá)到徑流系數(shù)峰值歷時(shí)的影響

在雨水溝管的設(shè)計(jì)中，非常濕潤(rùn)的地面是決定雨水溝道大流量的條件，此時(shí)的徑流系數(shù)應(yīng)為設(shè)計(jì)中所采用的徑流系數(shù)值。從試驗(yàn)資料可以看出：

（1）在試驗(yàn)條件下，土壤前期含水率變化較小，對(duì)達(dá)到洪峰徑流系數(shù)峰值（Ψf）所需歷時(shí)影響甚小。

（2）達(dá)到徑流系數(shù)峰值所需歷時(shí)，隨著下墊面不透水層覆蓋的增加呈減小趨勢(shì)，并與雨強(qiáng)成有條件的相關(guān)關(guān)系。

3.4前、后峰雨雨型對(duì)徑流系數(shù)的影響

（1）前、后峰雨對(duì)造峰的作用的影響

為方便分析、對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果.將前、后峰雨的小時(shí)降雨總量調(diào)至與P=1 a（36 mm/hr）的小時(shí)降雨總量一致。前、后峰雨相比，由于后峰雨在其峰值到達(dá)之前有更多的雨量來滿足場(chǎng)地上的初損，相對(duì)而言場(chǎng)地入滲、更趨于穩(wěn)定，因而降雨扣除損失后，凈雨所占降雨量份額相對(duì)較大（徑流系數(shù)較大），相應(yīng)造峰作用亦越明顯。

（2）場(chǎng)地雨水下滲對(duì)于形成洪峰徑流的影響試驗(yàn)結(jié)果表明，在相當(dāng)于P=1（a）強(qiáng)度的等強(qiáng)度降雨作用下，達(dá)到其實(shí)測(cè)峰值時(shí)，場(chǎng)地雨水下滲已完全趨于穩(wěn)定（即穩(wěn)滲狀態(tài)）；而當(dāng)以后峰雨進(jìn)行人工降雨時(shí)，場(chǎng)地雨水下滲受雨強(qiáng)變化的影響，始終處于一種變化過程之中，降雨損失較為明顯，相比之下前峰雨雨型的降雨損失更為明顯。場(chǎng)地雨水下滲率受降雨強(qiáng)度大小的影響外，還與場(chǎng)地地面透水性強(qiáng)弱（加權(quán)徑流系數(shù)大?。┯嘘P(guān)，具體為透水性越好的場(chǎng)地覆蓋，其初損越大，相應(yīng)下滲作用也越大，反之，則越小。

4　本文研究結(jié)論

根據(jù)松江農(nóng)田水利試驗(yàn)站徑流系數(shù)人工模擬降雨試驗(yàn)研究資料，徑流系數(shù)有以下基本特性：

（1）洪峰徑流系數(shù)在趨向動(dòng)態(tài)平衡過程中的基本特性

a.徑流系數(shù)與時(shí)間成正比是基本規(guī)律。

b.雨強(qiáng)增大過程中，下墊面覆蓋變化對(duì)徑流系數(shù)的影響越來越小。

c.下墊面在可透水層覆蓋的增加過程中，雨強(qiáng)對(duì)洪峰徑流系數(shù)的影響程度越來越小。

（2）洪峰徑流系數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（峰值狀態(tài)）時(shí)的基本特性

a.降雨強(qiáng)度與不同地表覆蓋的洪峰徑流系數(shù)呈有條件的相關(guān)關(guān)系。

b.洪峰徑流系數(shù)峰值（Ψf），洪量徑流系數(shù)（ΨH）與面積加權(quán)徑流系數(shù)（Ψj）間存在著一定的關(guān)系。

（3）土壤含水率、降雨強(qiáng)度對(duì)達(dá)到徑流系數(shù)峰值歷時(shí)的影響

a.在試驗(yàn)條件下，土壤前期含水率變化較小，對(duì)達(dá)到洪峰徑流系數(shù)峰值（Ψf）所需歷時(shí)影響甚小。

b.達(dá)到徑流系數(shù)峰值所需歷時(shí)，隨著下墊面不透水層覆蓋的增加呈減小趨勢(shì)，并與雨強(qiáng)成有條件的相關(guān)關(guān)系。

（4）前、后峰雨雨型對(duì)徑流系數(shù)的影響

a.由于后峰雨在其峰值到達(dá)之前有更多的雨量來滿足場(chǎng)地上的初損，相對(duì)而言場(chǎng)地入滲、更趨于穩(wěn)定，因而降雨扣除損失后，凈雨所占降雨量份額相對(duì)較大（徑流系數(shù)較大），相應(yīng)造峰作用亦越明顯。

b.當(dāng)后峰雨進(jìn)行人工降雨時(shí)，場(chǎng)地雨水下滲受雨強(qiáng)變化的影響，始終處于一種變化過程之中，降雨損失雖較為明顯，但相比之下前峰雨雨型的降雨損失更為明顯。

［1］住房城鄉(xiāng)建設(shè)部，海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）［Z］.2014.

［2］上海市臨港地區(qū)開發(fā)建設(shè)管委會(huì)，上海浦東新區(qū)臨港地區(qū)申報(bào)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市實(shí)施方案［Z］.2015.

［3］上海市松江農(nóng)田水利試驗(yàn)站，上海城市化地區(qū)排澇模數(shù)計(jì)算方法研究［Z］.2011.

TU992.02

A

1009-7716（2016）01-0087-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.025

2015-10-08

梁海（1977-），男，江蘇濱海人，工程師，從事水安全管理研究工作。