年徑流總量控制率優(yōu)化研究

陳 佳, 郭 渠, 李 瑞, 何慧根

(1.四川省遂寧市氣象局,四川 遂寧 629000；2.重慶市氣候中心,重慶 401147；3.濟(jì)南市氣象局,濟(jì)南 250102)

引 言

年徑流總量控制率是海綿城市建設(shè)中的重要控制指標(biāo)之一，是徑流總量控制、徑流污染控制和徑流峰值控制等指標(biāo)的實(shí)施載體；是海綿城市建設(shè)必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；與設(shè)計(jì)降雨量為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，其大小直接影響城市投資規(guī)模與經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境效益[1-2]?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南(試行)》(下稱《指南》)明確了我國(guó)大陸年徑流總量控制率及其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量，為我國(guó)不同區(qū)域海綿城市建設(shè)提供了技術(shù)保障[3-4]。

2015年我國(guó)啟動(dòng)了第一批海綿城市試點(diǎn)示范建設(shè)，隨著試點(diǎn)范圍擴(kuò)大和相關(guān)理論體系不斷完善，《指南》中徑流總量控制指標(biāo)的局限性突顯。主要表現(xiàn)為:一是海綿城市建設(shè)是城市雨水開(kāi)發(fā)管理體系工作，技術(shù)規(guī)范需結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r作詳細(xì)分析[5-9]，需各地因地制宜探索完善年徑流總量控制率實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)[6]；二是一些海綿城市在綠化用地、居住區(qū)、小廣場(chǎng)等規(guī)劃設(shè)計(jì)中，有時(shí)需要60%～85%范圍以外的指標(biāo)，而《指南》中沒(méi)有其可查數(shù)據(jù)，也少有相關(guān)文獻(xiàn)；三是《指南》中年徑流總量控制率的計(jì)算基本采用1983-2012年氣象觀測(cè)資料，由于區(qū)域氣候變化存在明顯的階段性特征，有必要采用最新的觀測(cè)資料更新年徑流總量控制率。

重慶地處我國(guó)西南地區(qū)東部，境內(nèi)地形條件復(fù)雜，立體氣候復(fù)雜多樣，是全國(guó)第一批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)。重慶為山地試點(diǎn)城市，開(kāi)展重慶海綿城市建設(shè)理論研究將具有重要的示范性和代表性。一些學(xué)者優(yōu)化了重慶市主城區(qū)城市綠地布局結(jié)構(gòu)[10-11]，補(bǔ)充了山地海綿城市建設(shè)徑流總量控制指標(biāo)[12]，研究了主城區(qū)排水總體規(guī)劃技術(shù)路線[13]，分析了適合重慶山地海綿城市建設(shè)規(guī)劃對(duì)策[14]。研究認(rèn)為，重慶海綿城市建設(shè)在《指南》指導(dǎo)的同時(shí)，還需考慮山地地形、氣候特征和城市總體規(guī)劃，以便發(fā)揮最佳的建設(shè)效益。

本文在《指南》基礎(chǔ)上，采用重慶市主城區(qū)北碚、渝北、巴南和沙坪壩4個(gè)氣象站1981-2018年日降水?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)主城區(qū)降水時(shí)間和空間分布特征，以及復(fù)雜地形等因素，對(duì)《指南》中的年徑流總量控制率進(jìn)行優(yōu)化，以便為重慶海綿城市建設(shè)決策提供可靠依據(jù)。

1 資料與方法

本文所用資料為重慶市氣象信息與技術(shù)保障中心提供的重慶市主城區(qū)北碚、渝北、巴南和沙坪壩站1981-2018年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，以及2013-2018年重慶市主城區(qū)225個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站日降水資料，所有資料均經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制。

采用《指南》推薦的方法，在計(jì)算年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量時(shí)，先扣除站點(diǎn)1981-2018年2 mm及以下降水事件，將降雨量日值按雨量由小到大進(jìn)行排序，統(tǒng)計(jì)小于某一降雨量的降雨總量(小于該降雨量的按真實(shí)雨量計(jì)算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計(jì)算出降雨總量，兩者累計(jì)總和)在總降水量中的比率，此比率(即年徑流總量控制率)對(duì)應(yīng)的降雨量(日值)即為設(shè)計(jì)降雨量[4]。

2 年徑流總量控制率推算

《指南》把我國(guó)大陸的年徑流總量控制率分為5個(gè)區(qū)域，其中重慶東北部屬Ⅳ區(qū)，東南部、西部和主城區(qū)屬Ⅲ區(qū)。按《指南》中各城市年徑流總量控制率的最高和最低限值要求，重慶市主城區(qū)年徑流總量控制率取值為75%～85%，《指南》推薦的設(shè)計(jì)降雨量范圍為20.9～31.9 mm(表1)。表2給出了重慶市主城區(qū)北碚、渝北、巴南和沙坪壩站采用1981-2018年數(shù)據(jù)計(jì)算的年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量。從表2可以看出，年徑流總量控制率為75%～85%時(shí)，北碚站對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為23.7～36.5 mm，渝北站為22.2～33.7 mm，沙坪壩站為21.6～32.9 mm，巴南站為19.5～29.3 mm。與《指南》相比，沙坪壩、北碚和渝北站推算的年徑流總量控制率偏大，而巴南站的偏小。

表1 《指南》中重慶地區(qū)年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量

由表2還發(fā)現(xiàn)，1981-2018年來(lái)北碚、渝北、巴南和沙坪壩站大于設(shè)計(jì)降雨量的年平均降雨場(chǎng)次和超過(guò)設(shè)計(jì)降雨量占總降水量的百分比不同。如，年徑流總量控制率為80%時(shí)，北碚、渝北、巴南和沙坪壩站超過(guò)設(shè)計(jì)降雨量的年平均降雨日數(shù)分別為8.6、10.1、10.7和9.8日，有42.2%、44.2%、43.9%和43.5%超過(guò)設(shè)計(jì)降雨量的降雨溢流排放；在年徑流總量控制率達(dá)到85%時(shí)，被溢流排放的降雨量比例分別為36.0%、35.0%、36.4%和35.2%；在年徑流總量控制率達(dá)到90%時(shí)，被溢流排放的降雨量比例分別為27.6%、24.4%、26.8%和26.2%。根據(jù)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》文件要求，要達(dá)到把70%降水截留下來(lái)而不流走，重慶市主城區(qū)年徑流總量控制率應(yīng)在85%～90%為宜。

表2 1981-2018年重慶市主城區(qū)年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量

圖1給出了北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系曲線。由圖1可見(jiàn)，隨著設(shè)計(jì)降雨量的增加，年徑流總量控制率均呈對(duì)數(shù)增加趨勢(shì)，在各站設(shè)計(jì)降雨量相同的條件下，對(duì)應(yīng)的年徑流總量控制率存在差異。年徑流總量控制率在80%以下時(shí)，設(shè)計(jì)降雨量增加趨勢(shì)明顯，對(duì)控制率的影響較大；控制率達(dá)90%之后，設(shè)計(jì)降雨量增加趨勢(shì)減緩，對(duì)控制率的影響較小。潘國(guó)慶等[15]研究指出，在控制率變化趨緩時(shí)，設(shè)施規(guī)模的擴(kuò)大將帶來(lái)規(guī)模綜合效益的下降。如，北碚、渝北、巴南和沙坪壩站的設(shè)計(jì)降雨量為30 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的年徑流總量控制率分別為81.1%、83.0%、86.0%和83.4%；設(shè)計(jì)降雨量增加至60 mm時(shí)，年徑流總量控制率僅分別增加12.9%、11.4%、10.4%和11.4%。由此可看出，設(shè)施規(guī)模增加1倍時(shí)，年徑流總量控制率僅增加12%左右。另外，重慶市主城區(qū)暴雨或大雨的雨峰靠前，降水歷時(shí)較短且集中，較短時(shí)間內(nèi)易形成雨水匯流，大面積出現(xiàn)地表沖刷的可能性較大[13]。如果控制初期雨水徑流，則控制城市洪澇和雨水徑流污染效果更佳。

圖1 重慶市主城區(qū)年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系曲線

3 年徑流總量控制率優(yōu)化

《指南》推薦采用長(zhǎng)序列的全年日降雨量資料計(jì)算年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量，但對(duì)于降水年內(nèi)變化較大的地區(qū)，尤其是降水集中于夏季的地區(qū)，計(jì)算結(jié)果可能會(huì)降低年徑流總量控制率指標(biāo)[16]，影響海綿城市建設(shè)綜合效益。重慶地處較為復(fù)雜的東亞季風(fēng)區(qū)，地形復(fù)雜，降水空間分布差異較大[17]，年徑流總量控制率指標(biāo)應(yīng)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行確定。下面將綜合考慮重慶市主城區(qū)降雨年內(nèi)變化、空間分布特點(diǎn)，從時(shí)間和空間上對(duì)年徑流總量控制率進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 時(shí)間上的優(yōu)化

圖 2給出了北碚、渝北、巴南和沙坪壩1981-2018年各月平均降水量變化圖。由圖 2可見(jiàn)，各站6月降水量最大，其次是5、7、8、9、10和4月的降水量，12月的最小。從年內(nèi)降水分布來(lái)看，降水量主要集中在4-10月，占全年的85.5%。其中，夏季(6-8月)降水最多，平均達(dá)481.2 mm，占全年的42.9%；11月-次年3月降水較少，僅占全年的14.5%。為此，結(jié)合重慶市主城區(qū)年內(nèi)降雨變化特點(diǎn)，采用4-10月日降雨資料計(jì)算設(shè)計(jì)降雨量，使年徑流總量控制率指標(biāo)將更符合重慶市主城區(qū)氣候特征。

圖2 1981-2018年北碚站(a)、渝北站(b)、巴南站(c)和沙坪壩站(d)月降水量

經(jīng)過(guò)對(duì)北碚、渝北、巴南和沙坪壩站1981-2018年4-10月降雨數(shù)據(jù)的整理，排除資料中小于2 mm的降雨日，計(jì)算出各站年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量(表 3)。在年徑流總量控制率取值范圍為75%～85%時(shí)，北碚站對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量范圍為26.5～39.7 mm，渝北站的為24.8～36.9 mm，巴南站的為21.9～32.2 mm，沙坪壩站的為24.0～35.7 mm。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)降雨量均偏大(圖 3)。如年徑流總量控制率在85%時(shí)，北碚、渝北、巴南、沙坪壩站優(yōu)化后的設(shè)計(jì)降雨量分別偏大3.2、3.2、2.9和2.8 mm。這是由于重慶地區(qū)降水量和強(qiáng)降雨(日降雨量≥50 mm)日數(shù)主要集中于夏半年(4-10月)，而冬半年(11月-次年3月)以小雨和中雨(日降雨量<25 mm)為主，使用4-10月資料提高了強(qiáng)降雨雨量占年總降水量的比例，以致年徑流總量控制率及其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量增大。

圖3 采用1981-2018年4-10月降水資料計(jì)算年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量與1-12月資料計(jì)算結(jié)果的差值變化

表3 優(yōu)化后的年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量(使用1981-2018年4-10月降水資料)

3.2 空間上的優(yōu)化

近年來(lái)在全球變暖的氣候背景下，我國(guó)各地降水響應(yīng)有所差異且區(qū)域性明顯，給區(qū)域城市雨水資源利用及城市防洪治澇帶來(lái)了更大的潛在壓力[18-20]。重慶市主城區(qū)只采用一個(gè)年徑流總量控制率標(biāo)準(zhǔn)，既不利于主城區(qū)水資源合理利用和應(yīng)對(duì)氣候變化的潛在風(fēng)險(xiǎn)，也不能顧及降水空間差異對(duì)城市排澇風(fēng)險(xiǎn)的可能影響[21-23]。因此，有必要根據(jù)主城區(qū)降雨氣候特征針對(duì)性地優(yōu)化北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率空間使用范圍。

重慶市主城區(qū)面積約為5473 km2，包括巴南區(qū)、渝北區(qū)、九龍坡區(qū)、江北區(qū)、北碚區(qū)、大渡口區(qū)、南岸區(qū)、沙坪壩區(qū)和渝中區(qū)，共有4個(gè)國(guó)家氣象站(北碚站、渝北站、巴南站、沙坪壩站)和225個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站?？紤]到資料的完整性，本文采用4個(gè)國(guó)家氣象站和159個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站2013-2018年日降水資料，分析重慶市主城區(qū)降水的空間分布特征，劃分北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率指標(biāo)的使用范圍。

由于區(qū)域自動(dòng)氣象站降水觀測(cè)資料時(shí)間較短(只有6 年)，需分析其時(shí)間代表性。表4給出了北碚、渝北、巴南和沙坪壩站2013-2018年和1981-2018年平均降水量。由表4可以看出，4個(gè)站1981-2018年平均降水強(qiáng)度小于2013-2018年的平均強(qiáng)度，符合近年來(lái)重慶主城區(qū)夏季和年降水量增加的事實(shí)[24]。圖4給出了重慶市主城區(qū)降水量空間分布。由圖4可以看出，重慶市主城區(qū)地形復(fù)雜，降水具有明顯的局地特征。6月(圖4a)、4-10月(圖4b)和年(圖4c)平均降水量空間分布基本一致，220 mm、960 mm、1150 mm等值線基本沿嘉陵江和長(zhǎng)江，形成3個(gè)不同降水量級(jí)區(qū)域，其中長(zhǎng)江以南區(qū)域的最小，嘉陵江和長(zhǎng)江以北區(qū)域的次之，嘉陵江和長(zhǎng)江之間區(qū)域的最大。這與靳俊偉等[13]、郭渠等[25]利用重慶市主城區(qū)各區(qū)域氣象站逐日降水資料，根據(jù)不同短歷時(shí)強(qiáng)降水閾值，統(tǒng)計(jì)出的降水空間分布特征相同。

表4 北碚、渝北、巴南和沙坪壩站不同時(shí)期平均降水量 mm

圖4 重慶市主城區(qū)降水量分布

圖5給出了北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量對(duì)比。由圖5可以看出，年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量以巴南站的最小，巴南、北碚和渝北站年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量相對(duì)于沙坪壩站的差值百分率分別為-7.3%、7.9%和2.3%，其中沙坪壩站與渝北、北碚站的年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量值較為接近。

圖5 北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量對(duì)比

根據(jù)北碚、渝北、巴南、沙坪壩站年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量比較結(jié)果和主城區(qū)降水量空間分布特征，同時(shí)考慮城市設(shè)計(jì)規(guī)劃和建設(shè)管理及使用上的方便，劃定各站年徑流總量控制率指標(biāo)使用范圍(圖6)：①嘉陵江和長(zhǎng)江之間的區(qū)域使用沙坪壩站資料計(jì)算的年徑流總量控制率指標(biāo)，范圍有九龍坡區(qū)、沙坪壩區(qū)、大渡口區(qū)、渝中區(qū)和嘉陵江以南的北碚區(qū)域。②長(zhǎng)江以南區(qū)域使用巴南站資料計(jì)算的年徑流總量控制率指標(biāo)，范圍有南岸區(qū)和巴南區(qū)。③嘉陵江和長(zhǎng)江以北的地區(qū)使用渝北站資料計(jì)算的年徑流總量控制率指標(biāo)，范圍有江北區(qū)、渝北區(qū)和嘉陵江以北的北碚區(qū)域。④北碚站資料計(jì)算的年徑流總量控制率指標(biāo)不推薦使用。

圖6 重慶市主城區(qū)年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量使用范圍分布

4 小 結(jié)

(1)基于1981-2018年北碚、渝北、巴南、沙坪壩站逐日降水量數(shù)據(jù)，采用《指南》推薦方法，建立了各站年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著設(shè)計(jì)降雨量的增加，各站年徑流總量控制率呈對(duì)數(shù)形式增加，即年徑流總量控制率在80%以下時(shí)，設(shè)計(jì)降雨量增加趨勢(shì)明顯，控制率達(dá)90%之后，設(shè)計(jì)降雨量增加趨勢(shì)減緩。推算的沙坪壩、北碚、渝北和巴南站60%、70%、75%、80%、85%年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量較《指南》中的偏大，而巴南站的則相反。

(2)重慶市主城區(qū)降雨量年內(nèi)分布差異較大，主要集中于4-10月，占全年降水量的85.5%。根據(jù)1981-2018年4-10月日降水?dāng)?shù)據(jù)，優(yōu)化各站年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量，與優(yōu)化前的相比，各站設(shè)計(jì)降雨量均增大，徑流控制目標(biāo)更為嚴(yán)格。

(3)重慶市主城區(qū)地形復(fù)雜，降水局地特征明顯，根據(jù)降水空間分布特征和從城市建設(shè)規(guī)劃和使用上的方便角度，優(yōu)化了各站年徑流總量控制率指標(biāo)的使用范圍：渝北站計(jì)算的年徑流總量控制率適用于嘉陵江和長(zhǎng)江以北的區(qū)域，沙坪壩站計(jì)算的年徑流總量控制率適用于嘉陵江和長(zhǎng)江之間的區(qū)域，巴南站計(jì)算的年徑流總量控制率適用于長(zhǎng)江以南區(qū)域，北碚站計(jì)算的年徑流總量控制率不推薦使用。