基于物理模型的城市綜合徑流系數特性研究

梁海，邵敏

（上海市水務業務受理中心（上海市海洋業務受理中心），上海市 200050）

基于物理模型的城市綜合徑流系數特性研究

梁海，邵敏

（上海市水務業務受理中心（上海市海洋業務受理中心），上海市 200050）

根據在上海市松江農田水利試驗站開展的人工模擬降雨條件徑流系數試驗研究的數據成果，開展城市綜合徑流系數特性研究，得到了在不同降雨強度、雨型作用下，城市綜合徑流系數在動態平衡前、中的特性，研究成果可供海綿城市建設參考。

城市；綜合徑流系數；人工模擬；特性分析

0　引言

針對國內城市內澇形勢嚴峻的問題，2013年12月中央城鎮化工作會議要求，在全國開展建設“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市的試點工作，要求構建低影響開發雨水系統，系統控制目標包括徑流總量控制、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劃控制目標［1］，而實現徑流總量控制的關鍵因素就是綜合徑流系數。因此，本文采用模型試驗研究的方法，開展了城市綜合徑流系數特性研究工作，研究成果可供與上海市相類似的海綿城市建設參考。

1　城市綜合徑流系數研究方法

城市綜合徑流系數是一個綜合性參數，影響因素較多，是一個隨時間而變化的動態變量，反映的是匯水面上各種性質的地面覆蓋的組合效應。目前，暴雨徑流模擬所經常采用的研究方法中，主要有數學物理方法、黑箱方法與概念性模型。

（1）數學物理方法

數學物理方法依據水流的連續方程與動量方程求解水流的時空變換，一維、二維乃至三維不穩定流數值解已發展得比較成熟，計算精度可達相當高的程度，但對于流域或排水系統的雨洪徑流過程，由于流域下墊面過于復雜，產流匯流交織發生，加之排水系統灌渠本身具有的調洪能力，致使難以建立這樣復雜系統的數學物理方程。在實際的操作過程中，也無法同步精確地獲得支持龐大數理方程求解所需的大量自然數據，因此目前還不可能完全依賴數理方法求得。

（2）黑箱方法

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

（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的研究方法是依據黑箱方法與物理模型方法的基本思路，建立一套簡捷、易行的物理模型，仿真地模擬排水系統的降雨徑流過程，從而獲得一組具有實用價值的實驗數據，以此來確定城市綜合徑流系數。

2　城市綜合徑流系數特性研究試驗

2.1研究對象的確定

從徑流系數研究對象來劃分，可以從二個方面著手：

（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象，將研究實驗結果與傳統方法所得的結論進行比較。

（2）單一法：選擇目前城市下墊面的典型種類，逐一進行場地試驗，得出實驗結果應于用排水系統的抽水試驗中。

城市建設的日新月異，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。綜合法能夠適應城市綜合徑流系數研究的要求，實用性強，場地試驗效率高、周期短，有利于將場地試驗結果直接應用。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象，從中提出一套適用于上海地區的綜合徑流系數修正系數。

2.2徑流系數特性研究的場地試驗

暴雨地面徑流過程極為復雜，徑流系數影響因素繁多，場地徑流系數研究的主要目的是從雨水溝道的設計要求、城市暴雨徑流特點以及上海地區典型地形、地貌出發，選取既能滿足科研的實際需要，又能使物理模型試驗有效進行的影響參數，按正交試驗原則實施實驗方案，從中獲得徑流系數變化的基本規律。由于徑流系數的場地試驗便于人為調控，受自然條件的制約較少，因此試驗方案可根據實際需要及實驗結果任意增減、改動，且試驗數據正確性、可靠性及可比性均較強，是“城市綜合徑流系數”研究的重要組成部分。

為了弄清徑流系數在不同參數影響下的變化過程，以利提供在城市圩區中適合于上海地區的徑流系數，上海市城市建設設計院會同松江區松江農田水利試驗站在松江佘山建立了一塊可供徑流系數人工模擬降雨的試驗基地，并為使場地徑流系數的試驗更“逼真”地模擬一場降雨在以城市地區為下墊面的暴雨徑流的全部過程，對該塊不封底觀測場地進行了較大規模的改建工程。經過六個月近百場人工模擬降雨，獲得了大量有關徑流系數變化特性的第一手實驗資料。

3　城市綜合徑流系數特性分析

降雨條件（包括強度、歷時、雨峰位置、前期雨量、強度遞減情況、全場雨量、年雨量等）和地面條件（包括覆蓋、坡度、匯水面積及其寬度長比、地下水位、灌渠疏密等）是影響城市綜合徑流系數的兩大基本因素。此外，城市建筑密度、建筑物高度以及城市熱島效應等亦會在一定程度上影響著徑流系數的數值。本場地試驗從雨水溝道的設計要求和城市暴雨徑流的特點出發，根據上海地區的地形、地貌，選取了既有滿足科研、設計工作的實際需要，又能使場地試驗有效進行的主要影響參數——降雨強度、降雨歷時、降雨雨型、不同下滲率的下墊面覆蓋，進行特性分析。

3.1洪峰徑流系數在趨向動態平衡過程中的特性分析

徑流系數是一項隨降雨歷時而變化的動態參數，試驗中以5 min為一記錄時段（產流開始前為1 min），其值隨歷時的增長而增大，但一般從降雨開始50～90 min后，便達到了穩定值。

（1）徑流系數與時間成正比

試驗研究表明，徑流系數與時間成正相關的規律不受地表覆蓋、降雨強度、雨型等因素影響。由于每次試驗前的土壤含水率基本相同，因此隨著降雨的進行，場地上各點產生的地表徑流通過收集管渠，均有一個從小到大的匯流過程，相應地洪峰徑流系數也形成了一個由小到大直至穩定的過程。場地不透水面的變化，只是影響這一過程的時間長短，即下墊面不透水覆蓋比例越大，這一過程時間就越短。

（2）雨強增大過程中，下墊面覆蓋變化對徑流系數的影響越來越小，從20 min、40 min最大差值B所示計算結果來看：這一規律十分明顯。以40 min時段的試驗結果為例，在設計暴雨重現期為P=1 a時，各種下墊面覆蓋的過程徑流系數之間的最大差值為0.231，而在設計暴雨P=5 a時，這一差值僅為0.113。在其余實驗時段，過程徑流系數均呈這一基本特征。

（3）下墊面在可透水層覆蓋的增加過程中，雨強對洪峰徑流系數的影響程度越來越小。以20 min時段的試驗結果（見表1）（最大差值A）為例，當下墊面的加權徑流系數為0.336時，在不同雨強作用下，徑流系數之間的最大差值為0.570；當下墊面的不透水面覆蓋至0.825時，其洪峰徑流系數間的最大差值為0.038。從徑流系數在其達到峰值的過程中所呈現的上面兩點特性，對于認識上海地區，特別是排水系統基本均已建成的中心城區的徑流系數的變化特點具有重要的參考價值。

表1　洪峰徑流系數變化過程

3.2洪峰徑流系數達到動態平衡（峰值狀態）時的基本特性

徑流系數達到動態平衡（峰值狀態）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場地上的徑流量大小，不再瞬時發生變化，達到恒定值的狀態。明確這一狀態時的徑流系數特性是徑流系數場地試驗的關鍵。

（1）降雨強度與不同地表覆蓋的洪峰徑流系數呈有條件的相關關系。

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

（2）洪峰徑流系數峰值（Ψf），洪量徑流系數（ΨH）與面積加權徑流系數（Ψj）間存在著一定的關系。

a.洪峰徑流系數峰值Ψf與洪量徑流系數ΨH間的關系。

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

b.洪峰徑流系數峰值Ψf與加權徑流系數Ψj的關系

從試驗結果來看，加權徑流系數越大，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，當下墊面按加杈徑流系數為0.336鋪墊時，其實測徑流系數峰值可達0.83。

3.3土壤含水率、降雨強度對達到徑流系數峰值歷時的影響

在雨水溝管的設計中，非常濕潤的地面是決定雨水溝道大流量的條件，此時的徑流系數應為設計中所采用的徑流系數值。從試驗資料可以看出：

（1）在試驗條件下，土壤前期含水率變化較小，對達到洪峰徑流系數峰值（Ψf）所需歷時影響甚小。

（2）達到徑流系數峰值所需歷時，隨著下墊面不透水層覆蓋的增加呈減小趨勢，并與雨強成有條件的相關關系。

3.4前、后峰雨雨型對徑流系數的影響

（1）前、后峰雨對造峰的作用的影響

為方便分析、對照試驗結果.將前、后峰雨的小時降雨總量調至與P=1 a（36 mm/hr）的小時降雨總量一致。前、后峰雨相比，由于后峰雨在其峰值到達之前有更多的雨量來滿足場地上的初損，相對而言場地入滲、更趨于穩定，因而降雨扣除損失后，凈雨所占降雨量份額相對較大（徑流系數較大），相應造峰作用亦越明顯。

（2）場地雨水下滲對于形成洪峰徑流的影響試驗結果表明，在相當于P=1（a）強度的等強度降雨作用下，達到其實測峰值時，場地雨水下滲已完全趨于穩定（即穩滲狀態）；而當以后峰雨進行人工降雨時，場地雨水下滲受雨強變化的影響，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。場地雨水下滲率受降雨強度大小的影響外，還與場地地面透水性強弱（加權徑流系數大小）有關，具體為透水性越好的場地覆蓋，其初損越大，相應下滲作用也越大，反之，則越小。

4　本文研究結論

根據松江農田水利試驗站徑流系數人工模擬降雨試驗研究資料，徑流系數有以下基本特性：

（1）洪峰徑流系數在趨向動態平衡過程中的基本特性

a.徑流系數與時間成正比是基本規律。

b.雨強增大過程中，下墊面覆蓋變化對徑流系數的影響越來越小。

c.下墊面在可透水層覆蓋的增加過程中，雨強對洪峰徑流系數的影響程度越來越小。

（2）洪峰徑流系數達到動態平衡（峰值狀態）時的基本特性

a.降雨強度與不同地表覆蓋的洪峰徑流系數呈有條件的相關關系。

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

（3）土壤含水率、降雨強度對達到徑流系數峰值歷時的影響

a.在試驗條件下，土壤前期含水率變化較小，對達到洪峰徑流系數峰值（Ψf）所需歷時影響甚小。

b.達到徑流系數峰值所需歷時，隨著下墊面不透水層覆蓋的增加呈減小趨勢，并與雨強成有條件的相關關系。

（4）前、后峰雨雨型對徑流系數的影響

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

b.當后峰雨進行人工降雨時，場地雨水下滲受雨強變化的影響，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］住房城鄉建設部，海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）［Z］.2014.

［2］上海市臨港地區開發建設管委會，上海浦東新區臨港地區申報海綿城市建設試點城市實施方案［Z］.2015.

［3］上海市松江農田水利試驗站，上海城市化地區排澇模數計算方法研究［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。