城市建成區產流規律研究及應用

吉文平 李傳書 王勇成 李涌 周倩 邢亞

（江蘇省水文水資源勘測局徐州分局，江蘇徐州 221000）

1.試驗流域概況

姚莊閘水文站于2016年設站觀測至今，屬淮河流域洪澤湖水系奎濉河流域，設站目的為探求徐州市城市建成區產匯流規律。實驗流域地勢為西北高、東南低，西北向東南緩傾，高程100m～40m不等；平原面積占90%，低山丘陵占10%。該流域為奎河河源，自云龍湖老溢洪閘起至姚莊閘止河段長8.6km，流域集水面積30.0km2，實驗流域共設立雨量站5處，水位站2個，水文站1個，水量調查站9處。

2.最大損失量Im值推求

2.1 試錯法推求Im值

本文對該站降雨徑流實測資料分析，先通過假定Im=100mm、60mm、20mm、0mm試算，再分別根據假定的Im值所建立的P+Pa～R相關關系，發現假定Im=20mm時的(P+Pa)～R相關系數r=0.973；較Im=0,60mm,100mm的P+Pa～R相關系數r=0.796,0.918,0.961的相關性顯著較好。詳見圖1：(P+Pa)～次凈雨R關系（不同Im值）對照圖（見圖1（a）～(d)）。

圖1 (P+Pa)～次凈雨R關系（不同Im值）對照圖

為驗證上述假定Im=20mm是否可信，再分別假定Im=15mm,30mm時，分別建立其對應的P+Pa～R關系，相關系數分別為r=0.970,0.963，較Im=20mm降雨徑流相關系數r=0.973其相關性均較弱；至此，可以基本確定Im=20mm是所要推算的流域最大損失量Im值。

該實驗流域的P+Pa～R的直線相關公式為：R=0.952(P+Pa)-29.60，r2=0.946，r=0.973。

式中：P為次洪降雨量；Pa為前期影響雨量；R為次洪凈雨量；r為相關系數。

2.2 Im值合理性分析

經分析，現狀條件下流域最大損失量Im=20mm，較自然條件下Im=90mm的下墊面蓄水能力減小70mm；遞減幅度達80%。只因姚莊閘水文站以上流域屬淮河流域洪澤湖周邊的徐州市城市建成區，現狀條件下該實驗流域下墊面大都為不透水層所覆蓋，下墊面蓄水調節能力顯著下降，Im=20mm反映了該流域現狀實際情況。

3.降雨徑流關系（P+Pa～R）建立

3.1 徐州市城市建成區降雨徑流模型

依據2016—2021年姚莊閘以上實驗流域近年降雨徑流實測資料，根據《江蘇省暴雨洪水圖集（84年）》推薦，徑流曲線采用不通過原點的雙曲線數學模型[1]：

該曲線特點是曲線上方以45°線為漸近線。

式中Cp為相關曲線在縱軸上交點的坐標，（Ci+Cp）為相關線的漸近線在縱軸上的截距，P為面平均次雨量，Pa為前期雨量，R為徑流深，適線后R計算公式為：

該公式即徐州市城市建成區降雨徑流模型，簡稱現狀城市建成區徑流曲線，該曲線詳見圖2中現狀建成區降雨徑流曲線。

3.2 1976年前降雨徑流模型

姚莊閘以上實驗小流域屬洪澤湖水系奎濉河流域，1976年以前，當時城市規模小，下墊面硬化率低，因無城市水文站資料，其徑流模型借鑒《江蘇省水文手冊（76年）》[2]以及《江蘇省暴雨洪水圖集（84年）》提供的產流模型公式，按照蘇北旱地降雨徑流情形處理，其（P+Pa～R）相關關系表示如下：

該時期降雨徑流模型的關系曲線詳見圖2 1976年前徑流曲線（虛線）。

4.產流分析成果

隨著城市化進程快速推進，工業區、商業區和居民區等城市建成區規模迅速擴大，實驗流域下墊面不透水面積不斷擴大，而透水面積逐步減小，使得流域蓄水能力急劇下降，地表徑流比例顯著增加，姚莊閘水文站以上流域徐州市城市建成區產流規律研究，現階段主要成果如下。

（1）現狀條件流域最大損失量Im=20mm，較自然條件下（1976年以前）Im=90mm減小70mm；下墊面蓄水調節能力下降，遞減幅度達80%。

（2）現狀條件次洪降水徑流系數均值為0.692；較自然條件下（1976年以前）次洪降水地表徑流系數均值0.511；增加幅度達21.3%。

（3）現狀條件下P+Pa～R曲線（實線），較1976年前P+Pa～R曲線（虛線）總體右移，即同一P+Pa值所對應的R值增大0～80mm。詳見圖2徐州市城市建成區（現狀條件）與1976年前P+Pa～R關系對比圖。

5.結語

城市建成區降雨徑流規律研究并非一蹴而就，不同的城市、不同地理區位、不同水文分區產流規律差別較大。對于當前徐州市城市建成區產流規律研究而言，城市化改變了降雨徑流條件，使得下墊面蓄水調節能力下降，地表徑流量增大，城市防洪壓力增大，究其原因主要是城市建成區不透水下墊面大幅增加等因素導致，建議開展以城市建成區下墊面為課題的專項徑流實驗，對不同下墊面類型、占比等因素的城市產匯流規律開展定性、定量深入研究。

對于城市化建設產生的城市防洪壓力突出問題，建議完善城市綠化、雨水管理、水環境治理等政策法規體系；加大雨水收集、透水路面鋪裝等領域技術攻關力度；增加滲水池、雨水調節池和濕地面積等雨水攔蓄系統全面防治、綜合治理。