模擬降雨條件下城市下墊面徑流系數(shù)變化規(guī)律

燕 超，胡海波，徐曉梅，程 浩，許洪嬌

(1.南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，210037，南京;2.江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，210037，南京)

城市化的高速發(fā)展，城市建筑密度增加、硬質(zhì)鋪裝面積擴(kuò)大以及城市綠地面積不斷緊縮[1]，致使自然界的水呈現(xiàn)出相反的水文特征，導(dǎo)致“逢雨必澇、雨后即旱”的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，這也引發(fā)了城市雨洪、水生態(tài)惡化、水資源緊缺、水環(huán)境污染、水安全缺乏保障等一系列問題[2-4]。

雨水徑流過程對地表狀況具有很高的敏感度，各種因素及其相互的作用，對徑流的影響都不容忽視。國內(nèi)外在研究中都考慮到了城市下墊面在城市產(chǎn)流過程中的影響，不同的下墊面在產(chǎn)流時(shí)，其徑流量的產(chǎn)生、徑流發(fā)生時(shí)間和徑流系數(shù)已隨之變化[3,5-8]。產(chǎn)流過程就是指在不同的氣候條件和下墊面條件下，由于降水的發(fā)生從而發(fā)生徑流的過程。這個(gè)過程受到下墊面特征和降雨特性及其耦合作用的影響[9]。國內(nèi)研究多在采用不同性質(zhì)的下墊面來攔截減緩、存蓄徑流，達(dá)到減少城市徑流的目的[2,3,6,10-13]。國外20世紀(jì)80年代開始研究徑流的產(chǎn)流機(jī)制，并提出了諸多城市雨洪控制理論[14-17]。

筆者對城市典型下墊面(草地、植草磚、透水磚、細(xì)粒透水混凝土、粗粒透水混凝土、水泥混凝土和瀝青混凝土)的產(chǎn)流特征進(jìn)行研究，從下墊面特征、降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)3方面進(jìn)行比較和分析，以確定這些因素對產(chǎn)流的影響和貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南京市白馬鎮(zhèn)，處于北亞熱帶向中亞熱帶的過渡區(qū)，四季分明，氣候溫和濕潤、雨量充沛、光照充足、無霜期長、水熱同季，年平均氣溫15.4 ℃，平均日照時(shí)間2 240 h，無霜期237 d，多年平均降雨量1 087.4 mm。位于南方紅壤區(qū)，土層深厚，有機(jī)質(zhì)含量高。

試驗(yàn)樣地為坡度5°、坡向北、規(guī)格2 m×5 m的水量平衡場。場地外圍埂用水泥抹面深入地下至不透水層，頂部高出地面15 cm；導(dǎo)流管半徑5 cm，通過軟管與水土流失自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)水口相連。徑流小區(qū)內(nèi)土壤自然沉降1 a，小區(qū)內(nèi)分別鋪上草地、植草磚、透水磚、顆粒粗細(xì)不同的新型混凝土材料和水泥混凝土。其中草地、植草磚提前鋪設(shè)，徑流小區(qū)中草長勢良好。

2 研究方法

采用模擬降雨系統(tǒng)，設(shè)置30、60、80和120 mm/h 4個(gè)不同的降雨強(qiáng)度模擬自然降雨。徑流小區(qū)內(nèi)隨機(jī)安放4個(gè)雨量筒，離地70 cm，測定降雨強(qiáng)度后取其平均值作為降雨強(qiáng)度。水量平衡場出水口連接水土流失自動(dòng)監(jiān)測儀，監(jiān)測其徑流情況。根據(jù)不同降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的不同徑流情況來分析各個(gè)不同下墊面的水文效應(yīng)。

徑流的產(chǎn)生機(jī)制主要有超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流。為確保每次降雨的徑流產(chǎn)生機(jī)制一致，每次試驗(yàn)前提前將試驗(yàn)地充分浸水至飽和狀態(tài)，薄膜覆蓋，靜置24 h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前在樣地里隨機(jī)取6個(gè)點(diǎn)量測土壤初始含水量。

主要實(shí)驗(yàn)方法采用對比法。分別進(jìn)行30、60、80和100 mm/h降雨強(qiáng)度以模擬小雨、中雨、大雨和暴雨，監(jiān)測其徑流情況，觀測對比不同降雨強(qiáng)度與不同下墊面條件下的徑流發(fā)生時(shí)間、徑流穩(wěn)定時(shí)間和徑流流速，最終分析降雨強(qiáng)度對下墊面水文效應(yīng)的影響。

實(shí)驗(yàn)采用的下墊面鋪裝材料分別為草地、植草磚、透水磚、細(xì)粒透水混凝土、粗粒透水混凝土、水泥混凝土和瀝青混凝土，分別代表不透水下墊面(瀝青混凝土和水泥混凝土)、透水下墊面(草地、植草磚、透水磚、細(xì)粒透水混凝土、粗粒透水混凝土)。本次實(shí)驗(yàn)選用的下墊面材料見表1。

表1 不同下墊面類型的材料與特性

3 結(jié)果與分析

3.1 同一降雨強(qiáng)度下不同下墊面的徑流系數(shù)

在城市水文效應(yīng)的研究中，徑流系數(shù)是分析降雨產(chǎn)流量的重要參數(shù)之一[18-19]。城市作為人工建造的區(qū)域，其下墊面具有諸多的復(fù)雜性和不確定性，因此其徑流系數(shù)也相應(yīng)呈現(xiàn)出復(fù)雜性與區(qū)域性。在此背景下，為探究在固定降雨歷時(shí)的情況下不同下墊面對產(chǎn)流規(guī)律的影響，設(shè)置在降雨120 min的情況下，分別模擬草地、植草磚、透水磚、透水混凝土、粗粒透水混凝土、細(xì)粒透水混凝土、水泥混凝土和瀝青混凝土的徑流產(chǎn)生，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同下墊面類型的徑流系數(shù)Fig.1 Runoff coefficients of different underlying surface types

如圖1所示，在降雨強(qiáng)度、坡度都相同情況下，當(dāng)降雨強(qiáng)度為30、60和80 mm/h時(shí)，不同城市下墊面的徑流系數(shù)大小比較為：瀝青混凝土>水泥混凝土>透水磚>細(xì)粒透水混凝土>粗粒透水混凝土>草地>植草磚。其中瀝青混凝土和水泥混凝土徑流系數(shù)接近1，說明當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)幾乎無降水損失，徑流轉(zhuǎn)化率都在0.9以上。這2種下墊面幾乎接近不透水材料。其次透水磚的徑流系數(shù)也隨降雨強(qiáng)度的增大由0.43變化到0.71，降雨發(fā)生時(shí)對雨水的調(diào)蓄功能明顯強(qiáng)于瀝青混凝土和水泥混凝土，降水發(fā)生時(shí)一部分水分就地入滲和存蓄。透水混凝土分為粗粒和細(xì)粒2種，從圖2中可以看出，粗粒透水混凝土的徑流系數(shù)小于細(xì)粒透水混凝土，主要由于粗粒透水混凝土的粒徑大于細(xì)粒透水混凝土的粒徑，同等承雨面積下，粗粒透水混凝土的孔隙度大于細(xì)粒透水混凝土，雨水下滲通道較多，孔隙持水量也大。同時(shí)，由于粒徑的不同，其地面粗糙度也不同，粗糙的地面可以有效阻滯雨水的匯集，攔蓄雨水，增加雨水的流動(dòng)行程，減緩徑流速度[20-21]。

植草磚和草地的徑流系數(shù)最小。當(dāng)普通降雨時(shí)，這2種下墊面的徑流系數(shù)只有0.2～0.3，說明有降雨發(fā)生時(shí)大多數(shù)的降水沒有轉(zhuǎn)化為徑流流走。首先，植草磚和草地都屬于城市可透水鋪裝下墊面，雨水可以直接到達(dá)土壤；其次地面植物的蒸騰作用，能夠?qū)е律顚油寥栏稍锘?dāng)降水發(fā)生時(shí)，提供了充足的雨水存蓄空間與儲水條件；另外，植物對降雨的截留作用不容忽視，植物枝葉和植物根系對雨水的承接，吸附還有攔截，有效減小徑流量和徑流速度，使匯流時(shí)間增長，徑流系數(shù)減小。如圖2所示，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到100 mm/h時(shí)，草地的徑流系數(shù)小于植草磚，說明在發(fā)生暴雨時(shí)，在上述幾種城市下墊面中，草地對徑流的調(diào)蓄作用最為突出。

3.2 降雨強(qiáng)度對徑流系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度的變化對城市透水鋪裝的產(chǎn)流影響較大，主要體現(xiàn)在徑流系數(shù)變化方面，當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)，城市透水鋪裝的徑流系數(shù)普遍較?。坏?dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，城市透水鋪裝的徑流系數(shù)呈較快上升趨勢，除草地與植草磚外，其他透水鋪裝的徑流系數(shù)均超過0.6，相比于不透水鋪裝(水泥混凝土和瀝青混凝土)，仍可減少30%的徑流產(chǎn)生。

如圖2所示，當(dāng)降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為30、60、80和100 mm/h時(shí)，各類鋪裝的徑流系數(shù)也發(fā)生較大的改變，尤其是城市硬質(zhì)透水鋪裝，在低降雨強(qiáng)度(30 mm/h)下，對于徑流的削減能力突出，徑流系數(shù)在0.20～0.43之間，但隨著降雨強(qiáng)度的增加，單位時(shí)間內(nèi)的降雨量遠(yuǎn)超過雨水下滲量，產(chǎn)流量不斷增大[22]，在暴雨強(qiáng)度下，各類透水鋪裝中最大徑流系數(shù)達(dá)到0.71。值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的城市硬質(zhì)鋪裝(水泥混凝土和瀝青混凝土)的徑流系數(shù)受降雨強(qiáng)度影響較小。主要是由于二者幾乎屬于不透水地面，當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)可以很快產(chǎn)生徑流并且降水損失較少，所以徑流系數(shù)與降雨強(qiáng)度變化關(guān)系不太明顯，徑流系數(shù)基本在0.9以上。

圖2 不同下墊面類型下徑流系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的變化Fig.2 Variation of runoff coefficient with rainfall intensity under different underlying surface types

在影響徑流系數(shù)突變的降雨強(qiáng)度研究中發(fā)現(xiàn)受下墊面性質(zhì)影響，不同下墊面徑流系數(shù)發(fā)生突變的降雨強(qiáng)度存在差距。植被覆蓋的下墊面(草地和植草磚)徑流系數(shù)隨降雨強(qiáng)度變化呈線性變化，無明顯突變過程。硬質(zhì)鋪裝中透水磚在降雨強(qiáng)度由30 mm/h 變化至60 mm/h時(shí)，徑流系數(shù)發(fā)生較大的變化；細(xì)粒混凝土與粗?；炷猎诮涤陱?qiáng)度<60 mm/h 于較低水平，降雨強(qiáng)度在60～80 mm/h時(shí)，徑流系數(shù)變化增大。

為了進(jìn)一步定量化研究降雨強(qiáng)度對不同下墊面徑流系數(shù)的影響，本研究對每種下墊面徑流系數(shù)變化增幅k進(jìn)行量化，其中草地的k值最小，說明降雨強(qiáng)度的變化對草地的徑流系數(shù)影響最小，草地的雨水下滲能力最好。其他幾種下墊面的k值比較為細(xì)粒透水混凝土<粗粒混凝土<植草磚<透水磚。所以，得出在相同的降雨歷時(shí)下，降雨強(qiáng)度變化對城市透水鋪裝徑流系數(shù)的影響力為草地<細(xì)粒透水混凝土<粗粒混凝土<植草磚<透水磚。而徑流系數(shù)與降雨強(qiáng)度大小呈正相關(guān)關(guān)系，是由于當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，表層土壤在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和狀態(tài)，雨水來不及入滲便匯集形成徑流。降雨強(qiáng)度越大，徑流系數(shù)越大。

3.3 降雨歷時(shí)對徑流系數(shù)的影響

降雨發(fā)生時(shí)，徑流系數(shù)隨降雨歷時(shí)改變，主要由于當(dāng)降雨強(qiáng)度一定時(shí)，降雨時(shí)間的增加，導(dǎo)致降雨區(qū)域的降雨總量增加，降雨量的增加，土壤水分含量也急劇上升，必然帶來水分下滲能力的下降。而且大量的降水也會帶來地表雨水的積聚，此時(shí)地表粗糙度降低，徑流的阻滯、調(diào)蓄作用也相應(yīng)減小。所以設(shè)計(jì)不同下墊面條件、相同降雨強(qiáng)度、相同坡降情況下徑流系數(shù)隨降雨歷時(shí)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。圖3為7種下墊面在降雨強(qiáng)度(30 mm/h)和地面坡降(5°)不變的條件下，徑流系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化曲線關(guān)系。

圖3 不同下墊面類型的徑流系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化Fig.3 Variation of runoff coefficient with rainfall duration under different underlying surface types

從圖3可以看出，隨著降雨歷時(shí)的增加，透水下墊面的徑流系數(shù)呈現(xiàn)出先快速增長后逐漸平緩的變化趨勢。其中，草地與植草磚的變化趨勢一致，都在降雨發(fā)生60 min中徑流系數(shù)增幅減緩，且徑流系數(shù)低于0.3，說明此時(shí)降雨量與下墊面下滲阻滯量趨于平衡，產(chǎn)生的徑流也趨于穩(wěn)定，這也證實(shí)了城市中以草地為主的綠地對內(nèi)澇的緩解有著積極的作用。透水磚、粗粒透水混凝土和細(xì)粒透水混凝土在降雨發(fā)生40 min后徑流系數(shù)增幅減緩，但整體增幅仍處于較高水平，但徑流系數(shù)整體處于較低水平，這對城市內(nèi)澇的預(yù)防有著積極的作用。

同一降雨強(qiáng)度條件下，水泥混凝土和瀝青混凝土的徑流系數(shù)明顯高于其他5種下墊面。當(dāng)降雨剛發(fā)生時(shí)，水泥混凝土和瀝青混凝土就以極快的速度達(dá)到穩(wěn)定值并穩(wěn)定下來，徑流系數(shù)增長速度越快，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短，相應(yīng)的最大徑流系數(shù)數(shù)值越大。這是由于水泥混凝土和瀝青混凝土接近不透水面，下滲水分較少，降水可以很快匯集并產(chǎn)生地表徑流。所以在一場降雨中，城市不透水下墊面的徑流系數(shù)處于較高水平且隨降雨歷時(shí)的變化不明顯。

與不透水下墊面相比，城市透水下墊面在一場降雨中的徑流系數(shù)變化較為明顯，無論是草地、植草磚、透水磚、細(xì)粒混凝土和粗?；炷?，其徑流系數(shù)在前20 min呈快速增長趨勢，之后增長趨勢減緩，但隨著降雨歷時(shí)的增長，徑流系數(shù)的變化仍然較為明顯。當(dāng)降雨到一定時(shí)間，徑流系數(shù)趨于平緩，說明此時(shí)的降雨速率與降雨量和土壤水分入滲速度等影響徑流的因素達(dá)到平衡狀態(tài)，但此時(shí)的徑流系數(shù)接近0.3～0.5。所以，在一場降雨中，當(dāng)降雨歷時(shí)較短時(shí)，城市透水下墊面對于減緩城市地表徑流有很大作用，隨著降雨時(shí)間的增長，也將產(chǎn)生一定的徑流，但其產(chǎn)生的徑流仍小于城市不透水鋪裝產(chǎn)生的徑流，對于緩解城市內(nèi)澇具有積極作用。

4 結(jié)論

1)在不同下墊面徑流系數(shù)的表現(xiàn)方面，透水下墊面的徑流系數(shù)小于不透水下墊面。其中草地在不同降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)下的徑流系數(shù)最低，在0.20～0.40之間；不透水下墊面的徑流損失小，徑流系數(shù)在0.95～0.99之間。

2)在徑流系數(shù)變化方面，隨著降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的變化，不透水下墊面徑流系數(shù)無明顯變化，而透水下墊面中透水磚的徑流系數(shù)變化最大，徑流系數(shù)范圍在0.43～0.71之間。

3)在不同下墊面徑流系數(shù)的變化特征方面，透水下墊面在降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)變化時(shí)，其徑流系數(shù)會呈現(xiàn)出明顯的突變區(qū)間。研究表明，當(dāng)降雨發(fā)生40 min后，透水下墊面的徑流系數(shù)增幅減緩，而當(dāng)降雨強(qiáng)度大于60 mm/h時(shí)，徑流系數(shù)會發(fā)生較大的增長。

基于上述研究成果，建議在防止城市內(nèi)澇、建設(shè)生態(tài)城市和海綿城市中優(yōu)先選用各類透水下墊面，增加城市草地覆蓋率，增加城市透水鋪裝率，道路優(yōu)先選用透水混凝土，加強(qiáng)透水鋪裝排水效率，從根源減少城市徑流的產(chǎn)生。