哈爾濱城市融雪徑流模擬及其產匯流空間分布特征

張美琦，劉 碩，羅 爻，高俁晗，孫夕涵

(哈爾濱師范大學 地理科學學院，哈爾濱 黑龍江 150025)

1 引言

全球約60%的陸地面積被季節性積雪覆蓋，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、設施維護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城市徑流方面的研究工作，對城市規劃、防洪防澇和居民生活都有著至關重要的作用。

積雪融化過程模擬已成為水文科學的研究熱點。余文君等[3]將具有融雪物理機制的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了雪的蒸發，使得春季解凍期徑流量的減小這一結論。現階段，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，以研究區氣象數據、遙感影像、數字高程數據、水系分布情況、城市排水管網分布為基礎，通過ArcGIS繪制匯水區、獲取模型參數，運用SWMM模型模擬哈爾濱市融雪期不同下墊面徑流貢獻差異及其時空分布特點，為城市融雪徑流的科學管理提供研究依據。

2 研究方法

2.1 研究區概況

哈爾濱市地處東北亞中心地帶，位于東經125°42′～130°10′、北緯44°04′～46°40′之間，溫帶季風氣候。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月進入融雪期。

2.2 數據來源

土地分類所用數據依靠2013年遙感信息支持，數字高程由黑龍江省測繪局提供，降雨數據和氣象數據取自哈爾濱機場氣象站。

2.3 模型參數確定

模型運行時間為2014年11月1日至2015年4月30日，降水數據以每日隔3 h 1次的時間序列輸入模型。SWMM模型構建時區分降雨或是降雪主要依靠氣候數據變化，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、雪區分溫度設置為0 ℃。子匯水區的面積、寬度、坡度、不透水率和流域河道的長度、形狀等數據根據ARCGIS運算獲得。查閱SWMM模型用戶手冊，根據研究區特點，采用霍頓入滲公式。取主城區最大滲入速率25.4 mm/h，最小入滲速率0 mm/h；其他開發程度較小的區域最大滲入速率為80 mm/h，最小入滲速率為3.3 mm/h，衰減系數為4.14。平原洼蓄量取最小值2 mm；曼寧系數為0.15，其他地區為0.17；不滲透性粗糙系數為0.011；自然河道為天然形成的小型河道，其曼寧系數取中間值0.04。

3 結果與分析

3.1 子流域概化

研究區流域總面積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%。整個匯水區經概化后劃分為19個排水單元，7個節點，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，徑流流入排水管道進入污水處理廠，而在管道較少、管徑較窄的區域，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、內部道路和人行道。下墊面數據根據全省導航數據提取。

3.3 不同下墊面融雪情況演算

研究區主城區經濟較為發達，不透水面積大，而周邊區域存在大量農田，滲入損失較大。研究區總降水1.4×108m3，根據不同子匯水區洼蓄情況，取洼地蓄水深度最小值，然而哈爾濱市多數子區域滲透面積較大，可達到總面積的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，蒸發損失為14.38%。

各匯水區運行時運用相同的降水數據和天氣條件，因此蒸發條件大致相同，滲入損失根據軟件模擬不同匯水區滲入結果根據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，不會產生滲透，因此沒有滲透損失，但一般在融雪產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，綠地包括草地、耕地、林地等不同類型，為簡化運算，滲透系數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徑流量。不同下墊面產生徑流見圖1。

圖1 不同下墊面徑流情況

根據圖1，6種下墊面中屋頂產生徑流量最大，并且遠遠高于其他下墊面類型，主要因其面積較大、不滲透性較強。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范圍，區民區、建筑設施很多，S17屬于阿城市山區，居住人群很少，屋頂徑流也最小；S1冰面水系面積最大，S16、S19僅次之，由于不是所有匯水區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、居民區內有人行道，因此所占凈流量最小，僅達到1.56%，其中S19由于位處主城區，人行道徑流最大為67900.4 m3；綠地、城市道路和內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，其他匯水區均為道路下墊面徑流較多，而且城市道路一般高于內部道路，在綠地徑流較少的匯水區中，S9、S12、S15和S18雖然綠地面積比也很大，但城市道路和內部道路面積比較大均超過0.06和0.08，剩余匯水區則是由于綠地面積較小而導致徑流量小。

3.4 徑流去向

本研究區包括香坊區、道里區、平房區、雙城、賓縣、阿城和松北區部分區域，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在江南于研究區兩側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，匯水區內部情況較為均勻，并且涵蓋了部分馬家溝，因此S5徑流經馬家溝流入S19最終排入松花江；阿什河是松花江上游右岸的一級支流，源于發帽兒山尖石砬子，阿什河河道流經阿城區長度為170公里左右，兩岸匯水區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 匯水區徑流去向

研究區內直接排入松花江內的排放口有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構成，流經面積較與何家溝相近，但S19位于主城區，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10個匯水區，面積可達到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，多數降水以滲透的形式進入土壤，最終形成徑流量低于馬家溝而高于何家溝。

4 結論

通過運用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，屋頂占據比例最大，可達到總徑流量的74.5%，其次是水系，人行道徑流貢獻量最小，僅達到1.56%，綠地、城市道路和內部道路產流情況相近，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行防洪處理，及時清淤，避免水位上漲影響兩岸生活。