哈爾濱城市融雪徑流模擬及其產(chǎn)匯流空間分布特征

張美琦，劉 碩，羅 爻，高俁晗，孫夕涵

(哈爾濱師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 黑龍江 150025)

1 引言

全球約60%的陸地面積被季節(jié)性積雪覆蓋，春季融雪形成的融雪徑流可為世界約1/6的人口提供水源[1]。進(jìn)入融雪期，積雪量較大并且很難滲透時，大量的融雪徑流將蓄積在地表，形成水池或水泡，大量的徑流如果不能及時排出，對人類生活交通、設(shè)施維護(hù)和城市防洪排澇等帶來巨大壓力[2]。近年來開展了大量有關(guān)城市徑流方面的研究工作，對城市規(guī)劃、防洪防澇和居民生活都有著至關(guān)重要的作用。

積雪融化過程模擬已成為水文科學(xué)的研究熱點(diǎn)。余文君等[3]將具有融雪物理機(jī)制的FASST模型與SWAT模型的融雪模塊集成在一起，較清晰地反映出黑河山區(qū)流域的融雪徑流過程，也提高了模擬精度；朱景亮等[4]分析松花江融雪徑流變化，得出融雪期增溫緩會促進(jìn)了雪的蒸發(fā)，使得春季解凍期徑流量的減小這一結(jié)論?，F(xiàn)階段，對冰川、山地、河流等融雪徑流研究較多，但對于城市不同下墊面融雪徑流量差異的研究基本空白，不能滿足城市徑流管理的需要。

哈爾濱是東北的重要的旅游城市，年平均降雪量為420 mm左右。本研究以哈爾濱市為研究區(qū)，以研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)、遙感影像、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、水系分布情況、城市排水管網(wǎng)分布為基礎(chǔ)，通過ArcGIS繪制匯水區(qū)、獲取模型參數(shù)，運(yùn)用SWMM模型模擬哈爾濱市融雪期不同下墊面徑流貢獻(xiàn)差異及其時空分布特點(diǎn)，為城市融雪徑流的科學(xué)管理提供研究依據(jù)。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

哈爾濱市地處東北亞中心地帶，位于東經(jīng)125°42′～130°10′、北緯44°04′～46°40′之間，溫帶季風(fēng)氣候。哈爾濱四季分明，冬季寒冷漫長，每年10月左右降初雪，次年4、5月進(jìn)入融雪期。

2.2 數(shù)據(jù)來源

土地分類所用數(shù)據(jù)依靠2013年遙感信息支持，數(shù)字高程由黑龍江省測繪局提供，降雨數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)取自哈爾濱機(jī)場氣象站。

2.3 模型參數(shù)確定

模型運(yùn)行時間為2014年11月1日至2015年4月30日，降水?dāng)?shù)據(jù)以每日隔3 h 1次的時間序列輸入模型。SWMM模型構(gòu)建時區(qū)分降雨或是降雪主要依靠氣候數(shù)據(jù)變化，因此在輸入溫度時間序列時每天需要有最低、最高兩個溫度，雨、雪區(qū)分溫度設(shè)置為0 ℃。子匯水區(qū)的面積、寬度、坡度、不透水率和流域河道的長度、形狀等數(shù)據(jù)根據(jù)ARCGIS運(yùn)算獲得。查閱SWMM模型用戶手冊，根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)，采用霍頓入滲公式。取主城區(qū)最大滲入速率25.4 mm/h，最小入滲速率0 mm/h；其他開發(fā)程度較小的區(qū)域最大滲入速率為80 mm/h，最小入滲速率為3.3 mm/h，衰減系數(shù)為4.14。平原洼蓄量取最小值2 mm；曼寧系數(shù)為0.15，其他地區(qū)為0.17；不滲透性粗糙系數(shù)為0.011；自然河道為天然形成的小型河道，其曼寧系數(shù)取中間值0.04。

3 結(jié)果與分析

3.1 子流域概化

研究區(qū)流域總面積4860.718 km2，不透水面積535.21 km2，占總面積的12.5%；透水面積4325.508 km2，占總面積的87.5%。整個匯水區(qū)經(jīng)概化后劃分為19個排水單元，7個節(jié)點(diǎn)，自然河道1條，6個出水口。具體子流域概化情況見圖1。

3.2 城市土地分類

城市中主要承載融雪徑流的城市下墊面主要包括道路、綠地、屋頂和冰封水系，其中道路又包括人行道、城市道路與生活區(qū)等。在春季，大量積雪融化形成徑流量大，在排水管道較為充足的主城區(qū)，徑流流入排水管道進(jìn)入污水處理廠，而在管道較少、管徑較窄的區(qū)域，則形成地表徑流，形成地表蓄水或順著坡度匯入河流[5]。因此在研究區(qū)融雪徑流模擬將城市下墊面分為6種類型，分別是屋頂、城市道路、綠地、水系、內(nèi)部道路和人行道。下墊面數(shù)據(jù)根據(jù)全省導(dǎo)航數(shù)據(jù)提取。

3.3 不同下墊面融雪情況演算

研究區(qū)主城區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，不透水面積大，而周邊區(qū)域存在大量農(nóng)田，滲入損失較大。研究區(qū)總降水1.4×108m3，根據(jù)不同子匯水區(qū)洼蓄情況，取洼地蓄水深度最小值，然而哈爾濱市多數(shù)子區(qū)域滲透面積較大，可達(dá)到總面積的88.11%，因此最終地表蓄水1.79×107m3，占總降水的3.35%，滲透損失占總降水的69.4%，12.8%形成地表徑流，蒸發(fā)損失為14.38%。

各匯水區(qū)運(yùn)行時運(yùn)用相同的降水?dāng)?shù)據(jù)和天氣條件，因此蒸發(fā)條件大致相同，滲入損失根據(jù)軟件模擬不同匯水區(qū)滲入結(jié)果根據(jù)不同下墊面透水比率核算得出；水系積雪在春季融雪堆積在冰層上，不會產(chǎn)生滲透，因此沒有滲透損失，但一般在融雪產(chǎn)生時冰面并沒有完全融化，而是在冰面上成徑流形式流淌；綠地作為高滲透性的下墊面類型，計算滲入損失時需乘以滲透系數(shù)，綠地包括草地、耕地、林地等不同類型，為簡化運(yùn)算，滲透系數(shù)取各種不同綠地類型中間值0.88。在計算徑流量時，綠地滲透性較高，降雨作用并未完全形成徑流，因此計算綠地徑流貢獻(xiàn)量時需要乘以不滲透率0.12，其他下墊面則利用每個下墊面產(chǎn)生徑流和不同下墊面類型所占面積比計算不同下墊面貢獻(xiàn)徑流量。不同下墊面產(chǎn)生徑流見圖1。

圖1 不同下墊面徑流情況

根據(jù)圖1，6種下墊面中屋頂產(chǎn)生徑流量最大，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他下墊面類型，主要因其面積較大、不滲透性較強(qiáng)。其中，屋頂徑流中S19最大，是S4的3.7倍、最小S17的101.7倍，S19位于哈爾濱市主城區(qū)范圍，區(qū)民區(qū)、建筑設(shè)施很多，S17屬于阿城市山區(qū)，居住人群很少，屋頂徑流也最?。籗1冰面水系面積最大，S16、S19僅次之，由于不是所有匯水區(qū)都存在湖泊或是湖泊面積較小，因此冰面徑流量僅占總凈流量的4.7%；人行道面積小，只有部分公路、居民區(qū)內(nèi)有人行道，因此所占凈流量最小，僅達(dá)到1.56%，其中S19由于位處主城區(qū)，人行道徑流最大為67900.4 m3；綠地、城市道路和內(nèi)部道路徑流情況基本相似，除S1、S2、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S15和S16因綠地所占面積比超過70%徑流相對較高外，其他匯水區(qū)均為道路下墊面徑流較多，而且城市道路一般高于內(nèi)部道路，在綠地徑流較少的匯水區(qū)中，S9、S12、S15和S18雖然綠地面積比也很大，但城市道路和內(nèi)部道路面積比較大均超過0.06和0.08，剩余匯水區(qū)則是由于綠地面積較小而導(dǎo)致徑流量小。

3.4 徑流去向

本研究區(qū)包括香坊區(qū)、道里區(qū)、平房區(qū)、雙城、賓縣、阿城和松北區(qū)部分區(qū)域，徑流順管道和地表徑流匯入阿什河、何家溝和馬家溝后，最終均匯入松花江中。

6個排放口中，有3個排放口分別代表阿什河、何家溝和馬家溝匯水口，最終進(jìn)入松花江，剩余3個排放口則直接排入松花江中。S2、S3形成的在江北依靠地勢匯入松花江；S1和S6在江南于研究區(qū)兩側(cè)以兩個排放口的形式排放；S18地勢高于S17，而S4位于何家溝地勢更低，因此將何家溝看做一個匯水單元，S18和S17按河道在S4匯聚并于何家溝排放口排出；S19面積較小，不透水率較大，位處主城區(qū)，匯水區(qū)內(nèi)部情況較為均勻，并且涵蓋了部分馬家溝，因此S5徑流經(jīng)馬家溝流入S19最終排入松花江；阿什河是松花江上游右岸的一級支流，源于發(fā)帽兒山尖石砬子，阿什河河道流經(jīng)阿城區(qū)長度為170公里左右，兩岸匯水區(qū)S16、S15、S14、S12、S13、S11、S9、S10、S8和S7形成地表徑流順坡度匯入阿什河，最終流入松花江。排放口排放情況見圖2。

圖2 匯水區(qū)徑流去向

研究區(qū)內(nèi)直接排入松花江內(nèi)的排放口有P1、P2和P6，總徑流量為1.77×106m3。P3為何家溝排放口，因其河道較短，經(jīng)歷匯水面積較小，徑流量小于阿什河和馬家溝。馬家溝由S5和S19構(gòu)成，流經(jīng)面積較與何家溝相近，但S19位于主城區(qū)，不透水率最高，綠地面積比例最小至11.1%，因此形成徑流量最高，占總徑流量的40%；P5作為阿什河流域出水口，流經(jīng)10個匯水區(qū)，面積可達(dá)到2.8×109m2，超出總面積的一半，除S7和S8不透水率相對較高外，剩余單元綠地面積比均超過70%，不透水率較小，多數(shù)降水以滲透的形式進(jìn)入土壤，最終形成徑流量低于馬家溝而高于何家溝。

4 結(jié)論

通過運(yùn)用SWMM模型對哈爾濱2014年融雪建模，模擬春季融雪期徑流形成情況，得到在相同氣候和降雨條件下，哈爾濱市總降水量為56.53 km3，有14.38%為蒸發(fā)損失，有12.8%形成地表徑流，有69.4%為滲入損失，余下的3.35%則在地表；在形成的徑流量中，屋頂占據(jù)比例最大，可達(dá)到總徑流量的74.5%，其次是水系，人行道徑流貢獻(xiàn)量最小，僅達(dá)到1.56%，綠地、城市道路和內(nèi)部道路產(chǎn)流情況相近，居于中間值；哈爾濱市春季融雪，主要在6處有明顯的徑流產(chǎn)生，其中馬家溝排放徑流最多，占總徑流的40%，阿什河次之占23.2%，因此，尤其需要對馬家溝進(jìn)行防洪處理，及時清淤，避免水位上漲影響兩岸生活。