基于行洪除澇功能的適宜水域率確定方法研究

張云龍， 王 烜， 李春暉， 蔡宴朋， 王慧聰

(1.北京師范大學 水環境模擬國家重點實驗室， 北京 100875；2.北京師范大學 水沙科學教育部重點實驗室， 北京 100875)

1 研究背景

水域作為人類社會的重要組成部分，為人類社會的生產生活提供了多種生態服務功能，如行洪除澇、改善人居環境等。然而，隨著城鎮化進程的不斷加速，各地區下墊面發生著顯著的變化，大量的水體被侵占，隨之引發了一系列生態環境問題。其中，由于水域空間缺乏導致對降水儲蓄能力降低、吸納消解城市洪澇的能力嚴重不足等問題尤為突出，給人類的生命和財產帶來巨大損失[1-2]。行洪除澇作為區域水體最重要的功能之一，與人居環境的維護密切相關，同時也是水安全的核心評價指標之一[3]。城市生態系統行洪除澇功能的正常發揮需要有一定的水域空間作為支撐。適宜水域率是從某一區域的現狀和現行有效法律、法規、規范、標準出發，考慮水域的多種功能，提出評估在自然力與人類活動雙重作用下人類社會和水域自身的協調發展程度的一項指標，旨在促進人類與自然和諧共處[4]。因此，如何根據暴雨強度和下墊面特征，結合現行行洪除澇標準，提出兼顧科學性和可操作性、基于行洪除澇功能的適宜水域率計算方法對于城市水安全管理顯得尤為重要。

我國在《城市水系規劃規范》(GB50513-2009(2016年版))中，提出了針對城市的適宜水域面積率，對城市區位進行劃分，分為一區城市、二區城市、三區城市，規定水域面積率分別為8%～12%、3%～8%、2%～5%。該劃分結果沒有充分考慮區域降水和下墊面結構特征，具有主觀性，不符合實際水域發展需要。胡堯文等[5]、王士武等[6]根據區域行洪除澇標準，在城市防洪排澇治理時，對增加區域內部水域的滯洪澇能力的城區合理水域率進行論證。此外，一些學者通過數學模型模擬方法來計算基于行洪除澇功能的適宜水域率，其中最為常見的是利用MIKE系列軟件進行區域水力學模擬[3,7]。雖然模型模擬方法具有一定的優勢，但該方法對基礎數據的要求較高，并且模型的通用性較差，不適合在全國范圍內推廣。總體來看，目前適宜水域率沒有統一的計算方法和標準，定量計算方法的研究亟待深入。針對各區域暴雨強度和下墊面產流量不同的特點，本文提出基于行洪除澇功能的適宜水域率確定方法，并以國家重點防洪城市安徽省蚌埠市為例進行實證研究。本研究可為制定面向洪澇災害防治、人居環境健康的城市規劃和生態環境管理提供科學依據，并為全國各地區適宜水域率的研究提供借鑒。

2 計算方法

本研究以不同地區暴雨強度和下墊面種類產流量不同作為出發點，構造水域行洪除澇的適宜水域率確定方法的理論框架及流程(圖1)。首先，該模型根據區域暴雨強度以及各下墊面產流公式，計算各下墊面條件下的產流特征以及區域總產流量；其次，根據當前下墊面情景下的總產流量，確定區域所需排澇能力(q需)；再次，判斷區域實際所能提供排澇能力(q實)能否滿足所需排澇能力(q需)，如果不能滿足(q需>q實)，則調整研究區各類型下墊面所占比例，增加水域面積；最后，確定區域適宜水域率。該方法概念清晰、計算簡便，實用性強，可避免運用流域水文模型(如MIKE系列軟件等)時繁復的數據收集和運算，便于相關管理部門推廣應用。

圖1 適宜水域率計算的理論框架及流程

2.1 暴雨強度計算

暴雨強度公式用于計算單位面積上某一歷時降雨的體積。目前，全國大部分城市都建立了適應于本地區的暴雨強度公式[8]。本研究利用在城市化區域排水設計中常采用的短歷時暴雨強度公式，設置不同防洪標準下的降雨情景，為城市洪澇災害預警與預防提供基礎。短歷時暴雨強度公式如下：

(1)

式中：A1為雨力參數，mm；C為雨力變動參數；P為重現期，a；t為降雨歷時，min；b為降雨歷時修正參數，min；n為暴雨衰減指數；q為重現期為P年的t時段內平均降水強度，L/(s·hm2)。

2.2 下墊面產流計算

針對平原地區，本研究采用蓄滿產流的方法，對各下墊面在設計暴雨情景下的產流量進行計算。將下墊面劃分為水田、旱地(包括荒地)、水體和建設用地4類，針對不同下墊面的產流特點，分別采用以下公式(2)～(6)計算其產流量。

R水田=P-h田蓄-E水田t,E水田=βE80

(2)

R旱地=α旱地P

(3)

R水體=P-h蓄-E水體t,E水體=γE20

(4)

R建設=α建設P

(5)

R總=f水田R水田+f旱地R旱地+f水體R水體+f建設R建設

(6)

式中：R水田為水田產流量，mm；P為降雨量，mm；h田蓄為水田滯蓄水深，mm；E水田為水田田間蒸發量，mm/d；t為排澇天數；β為水田蒸發折算系數；E80為80 cm蒸發皿水體平均日蒸發量，mm/d；R旱地為旱地產流量，mm；α旱地為旱地徑流系數，取0.2；R水體為水體產流量，mm；h蓄為水體滯蓄水深，即汛前預降水深，mm；E水體為水體蒸發量，mm/d；γ為水體蒸發折算系數；E20為20 cm蒸發皿水體平均日蒸發量；mm/d；R建設為建設用地產流量，mm；α建設為建設用地徑流系數，取0.75；R總為單位面積總產流量，mm；f水田為水田面積百分比，%；f旱地為旱地面積百分比，%；f水體為水體面積百分比，%；f建設為建設用地面積百分比，%。

2.3 適宜水域率確定

根據研究區單位面積總產流量(R總)，研究區面積(A)以及作物允許耐淹歷時確定的排澇天數(t)，計算各暴雨情景下區域所需的排澇能力(q需)。如果區域所需排澇能力大于實際所能提供的排澇能力(q需>q實)，就會出現洪澇災害風險。本研究通過合理調整各下墊面面積比，從而減少產流量，使所需排澇能力滿足區域實際所能提供的排澇能力。最終，根據優化后各下墊面的面積比，確定區域適宜的水域率，公式如下：

q需=

(7)

約束條件：

f水體=1-f水田-f旱地-f建設，q實>q需

(8)

式中：q需為區域所需的排水能力，m3/s；q實為區域實際所能提供的排水能力，m3/s；R水田、R旱地、R水體、R建設分別為水田、旱地、水體、建設用地單位面積產流量，mm；f水田、f旱地、f水體、f建設分別為水田、旱地、水體、建住用地面積比例，%；A為區域面積，m2；t為排澇天數，主要根據作物的允許耐淹歷時確定；k為時間單位換算系數，8.64×107。

3 應用實例

3.1 研究區概況

蚌埠市地處安徽省東北部(圖2)，位于淮河中游，地勢相對平坦，地面高程在20 m左右。境內水系縱橫，河網眾多，屬淮河流域內的中心城市，同時也是全國性綜合交通樞紐城市。由于淮河干流水位較高，同時內河下游地勢相對低洼，導致蚌埠市內水自排不暢，每年汛期洪水持續時間長達5個月(5-9月)。因此，蚌埠市是國家防汛抗旱指揮部首批確定的全國25座重點防洪城市之一，暴雨時極易形成洪澇災害，如1950、1954、1956、1965、1972和1991年等均發生了較為嚴重的洪澇災害[9-10]。蚌埠市包括4區3縣，總面積為5 952 km2，總人口345×104人[11]?；春恿饔蚴俏覈鞔罅饔蛑腥丝谧畛砻艿牡貐^和重要的糧食生產基地之一，保障農業安全和人居安全具有舉足輕重的地位。故本研究將蚌埠市作為研究基于行洪除澇功能的適宜水域率的代表性區域。

圖2 研究區位置圖

3.2 結果與分析

3.2.1 蚌埠市暴雨強度情景設置 根據蚌埠市暴雨強度公式(公式(1)中取C=0.77，b=12 min，A1=15.27 mm，n=0.774)[12]，計算不同重現期下1日和3日降雨歷時平均暴雨強度(圖3)。結果顯示：不同重現期下平均暴雨強度范圍為4.8～25 L/(s·hm2)。根據平均暴雨強度以及降雨歷時，計算蚌埠市不同重現期下1日和3日降雨歷時總降雨量，計算結果見圖4。結果顯示： 50年一遇1日降雨歷時下總降雨量為181.54 mm，100年一遇3日降雨歷時下總降雨量達到257.17 mm。

3.2.2 各下墊面單位面積產流量 通過相關文獻的查閱，確定蚌埠市E水田= 7 mm/d、E水體=4 mm/d、h田蓄=60 mm、h蓄=600 mm，研究區主要種植作物小麥耐淹天數為2 d，則t=2d[13-15]。采用公式(2)～(5)計算各下墊面單位面積產流量。其中，產流量負值代表在當前暴雨強度和滯蓄水深情景下，下墊面不會發生蓄滿產流，相反還具有容納其他下墊面產流量的能力，負值越小表示剩余容納能力越強。計算結果見圖5和6。

圖3 蚌埠市不同重現期1日和3日降雨歷時下平均暴雨強度

圖4 蚌埠市不同重現期1日和3日降雨歷時下總降雨量

蚌埠市50年一遇1日暴雨量情景下，單位面積水田、旱地、水體及建設用地產流量分別為107.5、36.3、-426.5和136.2 mm(圖5)。100年一遇3日暴雨量情景下，蚌埠市單位面積水田、旱地、水體及建設用地產流量分別為183.2 、51.4、-350.8 和192.9 mm(圖6)。計算結果表明：單位面積的建設用地和水田產流量較高。因此，理論上預防暴雨洪澇災害發生最有效的方式是優化各下墊面百分比，降低建設用地和水田面積，同時增加水體面積，減少區域總產流量，從而降低洪澇災害發生的可能性和危害性。

3.2.3 蚌埠市單位面積總產流量 以2005年土地利用狀況為例，蚌埠市總面積為5 952 km2，其中水田占18%，旱田及自然保留地占59%，建設用地占13%，水域面積占10%。根據各下墊面單位面積產流量特點，根據公式(6)計算蚌埠市單位面積總產流量，結果見圖7。在1日暴雨情景下，10年重現期標準之內均不會發生蓄滿產流現象。而在3日暴雨情景下，4年重現期標準以內不會發生蓄滿產流。在蚌埠市50年一遇1日暴雨量標準下，單位面積總產流量為15.8 mm。而在100年一遇3日暴雨量標準下，單位面積總產流量達53.3 mm。

圖5 蚌埠市不同重現期1日暴雨量下各下墊面單位面積產流量

圖6 蚌埠市不同重現期3日暴雨量下各下墊面單位面積產流量

圖7 蚌埠市不同重現期1日和3日暴雨量下單位面積總產流量

3.2.4 蚌埠市適宜水域率 將蚌埠市50年一遇1日暴雨2 d排到作物耐淹深度以下和100年一遇3日暴雨2 d排到作物耐淹深度以下情景作為排澇標準。以2005年為例，采用式(7)計算蚌埠市不同排澇標準下所需的排水能力結果見表1、圖8。其中，50年一遇1日暴雨2 d排完所需的區域排澇能力為545.3 m3/s，而100年一遇3日暴雨2 d排完所需的排澇能力為1 836.1 m3/s。因此，在該排澇標準下，2005年蚌埠需要的排澇能力為545.3～1 836.1 m3/s。而蚌埠市實際排澇能力僅為129.89 m3/s，其中排水管網排水能力為87.4 m3/s，電排能力為42.49 m3/s。因此，2005年的實際排澇能力無法滿足當年土地利用條件下所產生的徑流量。

在區域實際排澇能力不變的前提下，根據單位面積的水田和建設用地產流量較大的特點，本研究通過降低水田面積和增加水體面積的方法，降低區域產流量，來滿足區域的實際排水能力。在50年一遇1日暴雨情景下，需將水田面積減少2.5%，同時水體面積增加2.5%(水體面積達12.5%)，區域所需排水能力將下降到85.5 m3/s(小于實際排澇能力129.89 m3/s)。而在100年一遇3日暴雨情景下，需將水田面積減少9.5%，同時水體面積增加9.5%(水體面積達19.5%)，區域所需排水能力將下降到88.7 m3/s。因此結果表明：在50年一遇1日暴雨和100年一遇3日暴雨標準下，蚌埠所需的水域率閾值范圍為12.5%～19.5%。

表1 蚌埠市不同排澇標準下所需排澇能力 m3/s

圖8 蚌埠市不同排澇標準下所需排澇能力

3.2.5 適宜水域率合理性分析 根據國內關于水域率的相關研究成果[4,16-17]，不同區域的適宜水域率存在顯著差異。在我國水資源較為豐富的長江以南地區(廣州、湖南、浙江、福建、海南等)，所需的水域面積較大，應保持在15%～25%；在水資源量中等的長江和淮河之間的中東部地區(湖北、安徽、江蘇等)，水域率建議保持在10%～15%；在水資源較為短缺的黃河與淮河之間的中東部地區以及東北地區，水域率應在5%～10%；而在水資源相對短缺的華北地區，水域率建議保持在1%～5%。本文研究結果與上述全國水域率建議標準基本吻合，而計算中充分考慮了區域的除澇標準、暴雨強度和下墊面產流量，較好地體現了區域下墊面結構的差異和不同的暴雨特征，因而更加客觀、合理。

4 結 論

針對近年來洪澇災害頻繁，本文探究了不同暴雨量和下墊面條件下基于行洪除澇功能的適宜水域率，提出易于在全國推廣和使用的基于行洪除澇功能的適宜水域率計算方法。同時本文以蚌埠市作為研究區進行實證研究，得出以下結論：

(1)本研究所建立的基于行洪除澇功能的適宜水域率計算方法，考慮了各區域暴雨強度不同和各下墊面條件的產流量不同的特點，使計算結果可行、實用性強并且易于操作，可為全國各地區適宜水域率的研究提供經驗和借鑒，對區域洪澇災害預防具有重要意義。

(2)蚌埠市各類型下墊面具有不同的產流特點，其中單位面積的建設用地和水田產流量較高。在蚌埠市50年一遇1日暴雨量和100年一遇3日暴雨量情景下，單位面積總產流量分別為15.8、53.3 mm，所需的排澇能力分別為545.3、1 836.1 m3/s，遠大于蚌埠市所能提供的排澇能力。城市規劃中可通過降低水田面積和增加水體面積的方法，降低洪澇災害發生的可能性和危害性，確定蚌埠市所需的水域率閾值范圍為12.5%～19.5%。