不同清雪方式對城市融雪徑流調控效果研究

摘要：隨著城市化進程加快、氣候多變，城市雨雪冰凍災害日趨嚴重。針對冬季融雪帶來的地表積水問題，利用Storm Water Management Model（SWMM）研究了機械、化學、人工3種清雪措施對冬季寒區城市融雪徑流規律和低影響開發（LID）效果的影響機理。研究結果發現，3種清雪措施對于冬季寒區城市地表徑流調控起到了顯著作用，地表徑流控制率增幅為5.9%～21.8%。3種清雪措施與LID組合使用后，均可將地表徑流控制率提高至85%以上，相較于未清雪情景相比，地表徑流控制率提高了40.0%～44.2%；與單獨采取清雪措施相比，提高了22.4%～34.1%；與單獨采取LID措施相比，提高了1.5%～5.7%。因此，清雪措施與LID的結合使用可提高冬季城市地表徑流調控效果，不同清雪方式與LID的組合方式，對城市融雪徑流的調控效果差異顯著。

關鍵詞：寒區；城市徑流；融雪徑流；低影響開發；清雪措施

中圖分類號：TV121文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）07-0028-10

馬振杰，馮右驂，田琳，等.不同清雪方式對城市融雪徑流調控效果研究［J］.人民珠江，2024，45（7）：28-37.

Effects of Different Snow Clearing Measures on Urban Snowmelt Runoff Management

MA Zhenjie1，FENG Youcan2*，TIAN Lin1，GAO Jinhua1，XUE Lijun3

（1.College of Water Conservancy and Environmental Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China;2.College of New Energy and Environment，Jilin University，Changchun 130023，China;3.Changchun Municipal EngineeringDesign and Research Institute，Changchun 130033，China）

Abstract：With the acceleration of urbanization and climate variability，urban disasters caused by rain，snow，and ice are becoming more consequential.In response to the issue of surface water accumulation due to snowmelt runoff in urban areas，the Storm Water Management Model（SWMM）is used to examine the influence of three kinds of snow clearing measures，i.e.，mechanical，chemical，and manual measures，on the patterns of snowmelt runoff as well as the winter performance of low-impact development（LID）in cold regions.The findings indicate that the three snow clearing measures play a significant role in the regulation of urban surface runoff in cold regions，leading to an increase in surface runoff control rates ranging from 5.9%to 21.8%.Three types of snow clearing measures，in combination with LID applications，could all level up the surface runoff control rate to above 85%.This represents a 40.0%～44.2%improvement compared to scenarios without snow removal，a 22.4%～34.1%improvement compared to scenarios with only snow clearing measured applied，and a 1.5%～5.7%improvement compared to scenarios when the LID is applied alone.Therefore，snow clearing measures combined with LID can significantly improve the urban regulation of snowmelt runoff，and the effects of the various combinations of different types of snow-clearing measures and LID could be remarkably different.

Keywords：cold regions;urban runoff;snowmelt runoff;low-impact development;snow clearing measures

洪澇災害是既常見又具破壞性的災害。在城市化進程加快和全球氣候復雜變化的背景下，城市洪澇災害頻發［1-3］。頻繁的積雪和凍融是寒區城市發生洪澇災害的主要原因且冬季發生洪澇災害較夏季更為常見，對社會、人口、基建影響嚴重［4-5］。隨著全球氣候的變化，寒區城市冬季溫度、降水均呈現增加趨勢，冬季雪面雨天氣發生的頻率、規模增加，同時來年春季融雪期時雪面雨事件和降雪天氣減少［6-8］。積雪融化和凍融循環導致城市地表積水迅速增加，影響人們日常出行和城市交通運行，造成了巨大的社會經濟損失，未來隨著城市化、經濟發展和極端天氣的頻繁發生，損失將會增加［9］。目前寒區城市地表積水給社會基礎設施帶來不利影響的問題是非常值得關注的［10］，強降雨普遍被認為是城市地區主要的洪水發生事件，然而在加拿大、美國北部以及中國北方等寒區城市地區，受到頻繁的雨雪天氣和凍融影響，還會引發冬季洪澇災害［11］。

基于暴雨洪水管理模型（SWMM），國內外學者對冬季融雪徑流模擬進行了相關研究。吳榮礎等［12］利用SWMM研究分析了降雪在不同環境下對低影響開發（LID）設施的影響；Moghadas等［13］利用氣候數據對城市雨雪天氣徑流進行了SWMM建模研究，揭示了雪中雨和夏季暴雨產流之間的差異；Javadinejad等［14］利用MODIS對積雪溫度和降水進行監測發現3種不同氣候情景下均會導致氣溫升高，降水、積雪面積減少且冬季產流最大。

寒區城市徑流管理與清雪過程息息相關，清雪是許多寒區城市冬季的重要手段，當城市有大量積雪影響交通時，則要將道路上的積雪轉移走，解決道路積雪問題［15-16］。目前傳統的清雪措施有機械、人工和化學清雪3種，而許多因素如地理位置、降水強度、費用成本等會影響具體的清雪措施選擇［17］。對于3種清雪措施，其中，機械、人工清雪不能一次性將積雪清除，而化學清雪會腐蝕道路，污染土壤環境等［18］。目前，關于寒區城市傳統的清雪措施研究還很少，雖然可以查閱的文獻有很多，但真正運用相關技術手段對城市積雪的清除研究還非常少，沒有單一的解決方案。

類似于解決夏季城市徑流，低影響開發也可以被用于管理寒區冬季城市徑流，然而對于在寒冷氣候條件下LID應用研究和實地調查是有限的。目前，埃德蒙頓市正朝著實施LID的方向前進，此地區重點關注的是LID對于寒冷氣候的適應性及有效性研究［19］；Matos等［20］在美國猶他大學分析了LID的水文效應發現LID能夠減少總徑流量可達68%～95%；Xiao等［21］通過研究發現冬季與夏季相比降低了LID的下滲性能和徑流管理能力，但加載LID與未加載相比表現出良好的調節冬季寒區城市徑流的潛力。通過以上學者的研究發現LID在冬季的水文性能仍需要繼續研究。

目前關于清雪措施及LID對冬季寒區城市地表徑流調控的水文規律研究還有待發現，本文目的是探尋清雪措施和LID設施以及二者組合方式后對冬季寒區城市徑流控制的水文規律，同時為寒區城市的地表徑流調控提供建議和可行性方案。

1方法

1.1研究區概況

本次模擬選取吉林省長春市的某一區域為研究對象，長春市地勢相對平坦低緩，屬于溫帶季風氣候，常年四季分明。根據中國氣象數據網資料顯示，長春市一年中有5個多月時間平均溫度低于0℃，其中1月為最冷月份，月平均氣溫為-15.1°C，最熱月份為7月，月平均氣溫為23.1°C，年均氣溫為4.6℃。長春市年降水量為600～700 mm，冬季降雪頻繁，主要集中在11月至次年3月，占全年降水量的30%以上，積雪覆蓋面積較大，機械、人工、化學為3種普遍采用的清雪措施。年均風速可達3.8 m/s，全年冰凍期持續大概5個多月的時間。劃分依據是根據區域內的建筑分布、地形、道路以及檢查井和排水管道的位置（圖1），將研究區內的典型集水區劃分為78個子集水區，其集水區面積為4.02 km2，采用SWMM模型來模擬產流過程。SWMM模型即為美國暴雨洪水管理模型，是一種基于水動力學來模擬降雨、下滲、坡面匯流、蒸發、融雪以及管網排水系統等的動態模擬模型，模型所需氣候數據來自中國氣象信息中心長春站，管網數據來自CAD設計圖。其中水文、水力參數以及生物滯留系統相關模塊參數來自于前序研究（表1），對本地區具有代表性［21-22］。

1.2降雨徑流模擬

利用SWMM對匯水區進行降雨徑流模擬時，遵循質量守恒定律，見式（1）：

=i+VS-fp-E-q（1）

式中：d為徑流深度，mm；i為降雨速率，mm/h；VS為融雪速率，mm/h；fp為下滲速率，mm/h；E為蒸發速率，mm/h；q為徑流速率，mm/h。

本次模擬利用的下滲方法是Green-Ampt下滲理論，見式（2）：

fp=Ks（2）

式中；Ks為土壤飽和導水系數，mm/h；Ls為濕潤鋒的深度，mm；ψs為濕潤鋒處的吸力，mm。

1.3降雪徑流模擬

1.3.1積雪融雪的模擬

SWMM除了可模擬產匯流過程，還可以模擬積雪融雪過程，在積雪融雪模擬過程中，一是有降雨條件，采用能量平衡法進行模擬計算，見式（3）：

VS=（0.001167+7.5γUA+0.007i）（Ta-32）+8.5UA（ea-0.18）（3）

式中：Ta為空氣溫度，℃;γ為濕度常數，Hg/℃;UA為風速修正系數，mm/mm Hg-h；ea為空氣飽和水汽壓，Hg。

二是無降雨條件，采用度日法進行模擬計算，見式（4）：

VS=D HM（Ta-Tbase）

（4）式中：Tbase為基礎融化溫度，℃;DHM為融化系數，mm/（℃·h）。

在模擬過程中，模型中的基礎溫度保持不變，但融化系數會隨季節的變化而變化，見式（5）：

式中：D MAX為最大融雪系數，mm/（℃·h）；DMIN為最小融雪系數，mm/（℃·h）；t為一年的日期數。

由于積雪是一種多孔介質，任何時候都會有一定的“自由持水能力”，并不是所有融化的積雪都會產生徑流。“自由持水能力”在SWMM中被假定為可以變化雪深的一個常數分數，融化積雪在產生徑流前，需滿足積雪的自由持水量，才會產生徑流，見式（6）：

FWC=Fr·Swe（6）

式中：FWC為自由持水量，mm；Fr為積雪深度的一個系數；Swe為雪深在任意時間段里水的當量，mm。

1.3.2清雪措施的模擬

SWMM對匯水區除了可以產匯流模擬、積雪融雪模擬外，還可以進行積雪清除模擬，清雪措施有機械、人工、化學清雪3種類型。利用SWMM對匯水區進行清雪措施模擬，首先設置“可除雪不滲透面積分數”參數，其次設置“除雪開始時的深度”，為了模擬接近實際情況，除雪開始時深度一般為0 mm，根據不同的清雪措施，選擇相應的清雪參數，進行清雪措施模擬。在SWMM中，“轉移到匯水區外的分數”的參數對應于模擬機械清雪，此參數是將匯水區的積雪清除到匯水區以外的地方去；“轉移到可滲透面積的分數”的參數對應于模擬人工清雪，此參數是將積雪清除到透水面中去，隨著來年融化期到來，積雪進一步融化，轉化成積水，一部分下滲到地下，一部分轉化為徑流；“轉換為立即融化的分數”的參數對應于模擬化學清雪，此參數是將匯水區的積雪立即融化為積水存在于匯水區中，此過程中匯水區會增加徑流，隨著來年融化期的到來，徑流并不會消減很多。以化學清雪為例，見式（7）：

IMELT=Fm×

式中：ds為子集水區的積雪深度，mm；Fm為立即融化的當前降雪分數（0.7）；Δt為時間，h。

1.4 LID徑流模擬

SWMM對匯水區除了產匯流、積雪、清雪模擬外，還可以進行LID模擬，模擬方法如下。

1.4.1透水鋪裝

表面層：=i+q0-e 1-f1-q 1

路面層：D4（1-F4）=f1-e4-f4

蓄水層：?3=f2-e3-f3-q3

1.4.2生物滯留池

表面層：?1=i+q0-e 1-f1-q 1

土壤層：D2=f1-e2-f2

蓄水層：?3=f2-e3-f3-q3

式中：?1為任何表面層的孔隙率；?3為蓄水層孔隙率；θ2為土壤層含濕量；θ4為路面層含濕量；f4為路面層排水速率，mm/h；d 1為地表蓄水深度，mm；d3為蓄水層水深，mm；q0為表面層進流量，mm/h；q 1為溢流速率，mm/h；q3為蓄水層出流量，mm/h；e 1為表面蒸發速率，mm/h；e2為土壤層蒸發速率，mm/h；e3為蓄水層蒸發速率，mm/h；f1為土壤層下滲速率，mm/h；f2為穿透水速率，mm/h；f3為滲出水速率，mm/h；D2為土壤層厚度，mm。

1.5評價指標

通過SWMM模擬得到的結果，需要對運行完的結果進行處理分析。評價指標包括地表徑流控制率、水分收支情況、納什系數（ENS）等。其中地表徑流控制率見式（14）：

地表徑流控制率=100%-（總徑流量/總降雨量）×100%（14）

為了檢驗SWMM模型在本研究區模擬結果的適用性，引入了納什效率系數（ENS）和相關系數（R2）來判斷其擬合程度和相關程度［22-24］：

式中：Q0為實測值；Qp為SWMM模擬值；Q avg為SWMM模擬值期望；Q avg1為實測值期望；n為實測值個數。

2結果與討論

2.1研究區SWMM模型的參數率定與驗證

本文利用流量數據和水位數據進行SWMM模型的參數率定與驗證，其中，納什系數作為SWMM模型的率定標準，相關系數作為驗證標準。其利用流量數據計算的納什系數和相關系數分別為0.48、0.72（圖2a）；利用水位數據計算的納什系數和相關系數分別為0.58、0.79（圖2b）。因本文主要對比不同清雪手段對于城市冬季產流的影響，因此模型率定精度可滿足研究需求。

2.2自然融雪徑流模擬

為研究冬季研究區自然融雪徑流過程的水分收支變化情況，選取2015年11月至2016年4月、2019年11月至2020年4月、2017年11月至2018年4月作為豐水、平水、枯水冬季，其降水量分別為101.9、83.7、52.8 mm，其中，所選取的豐水冬季（2015年11月至2016年4月）的4月份降水量較于平水、枯水冬季更大，出現異常值（圖3），利用SWMM對此3 a冬季時段研究區進行模擬分析。

自然融雪徑流過程中研究區內的地表徑流控制率隨著降水量的增加而逐漸減小，3 a冬季研究區的地表徑流控制率為45.9%～50.9%。3 a冬季由于降水量的不同，研究區內的地表徑流控制率隨著冬季的干燥程度呈現逐漸增大趨勢，其變化與降水量有關（圖3），自然融雪徑流過程分為凍結期、融化期2個階段，其中凍結期溫度普遍低于0℃，研究區多以降雪天氣為主，徑流、下滲較少；融化期溫度普遍高于0℃，多以降雨天氣為主且隨著外界溫度的升高，凍結期內的積雪融化成積水，一部分通過下滲方式進入地下，一部分形成徑流存于地表，此階段研究區內的下滲、徑流均達到最大。

接下來，本文以平水冬季為例，利用SWMM模型研究3種清雪措施、LID以及二者組合方式對研究區水分收支變化的影響。

2.3清雪措施對融雪徑流的影響

為研究冬季積雪融雪變化對寒區城市地表徑流的影響，利用SWMM進行清雪措施的模擬。通過調節SWMM里的相關清雪參數，研究清雪措施對研究區水分收支變化的影響。

利用3種清雪措施后，研究區的地表徑流控制率均得到了不同程度的提高，幅度為5.9%～21.8%，體現了3種清雪措施對寒區城市地表徑流控制的顯著效果（表2）。3種清雪措施均對減緩寒區城市地表積水問題有著重要幫助，但清雪機理各不相同，其中機械清雪是將積雪外遷，直接減少研究區內的積雪和徑流總量；人工清雪是將研究區內的積雪由不透水區域轉移到透水區域，隨著外界溫度的升高，積雪自然融化后下滲，從而減少地表融雪徑流；化學清雪是利用融雪劑降低研究區內積雪和冰晶的熔點，使其在凍結期快速融化并形成地表徑流，但在整個凍融期內徑流總量基本不變或略有損失。簡單來說，機械和人工清雪改變的是研究區內積雪的位置，使其徑流減少，地表徑流控制率提高，而化學清雪快速提高積雪融化速率，在凍結期相對提高徑流量，但冬季整體徑流總量影響較小。

冬季凍結期內研究區利用機械、人工清雪后各月徑流量較于未清雪時大幅度減少，利用化學清雪后研究區內各月徑流量較于未清雪時大幅度增加，融化期時徑流量相對減少，各月下滲量在利用機械、化學清雪后并未發生明顯變化，而利用人工清雪后下滲量在凍結期內變化不明顯，在融化期內明顯增加（圖4）。需要注意的是，由于現有的SWMM中沒有提供重新分配積雪后的下滲功能，使得利用化學清雪措施后的下滲量并未發生明顯變化，但機械、人工清雪并未在凍結期產生大量融化，所以不受此缺陷的影響。

總之，雖然3種清雪措施的清雪機理不同，但均對冬季研究區內的徑流調控起到了關鍵作用，為結合實際清雪情況，接下來需要對組合式清雪措施進一步模擬分析。

2.4 LID對融雪徑流的影響

為進一步調控冬季寒區城市的地表徑流，利用SWMM研究LID對城市水文過程的影響。通過調節SWMM的LID參數，研究加載LID后研究區的水分收支變化規律。

冬季研究區加載LID后下滲量較于未加載時顯著增加，徑流量相應明顯減少，且下滲量、徑流量整體呈現冬季凍結期少，融化期多的變化趨勢，地表徑流控制率得到了大幅度提高，提高幅度為38.5%，體現了LID對于減緩寒區城市地表徑流的顯著作用（表3、圖5）。由于加載LID后研究區內的硬化路面相應的減少以及綠地覆蓋面積的增加，大部分雨水通過下滲的方式進入地下，研究區內的下滲量顯著增加，間接地使得研究區內的地表徑流大幅度減少，地表徑流控制率得到了相應的提高。

2.5清雪措施結合LID對融雪徑流的影響

為達到較高的地表徑流控制率，進一步探討研究區內利用清雪措施加載LID后的水分收支情況。利用SWMM對研究區進行模擬，研究3種清雪措施加載LID后對研究區水分收支變化的影響規律。

冬季研究區利用3種清雪措施加載LID后的地表徑流控制率均達到了85%以上，地表徑流控制率為87.6%～91.8%（表4）。其中較于未清雪時地表徑流控制率提高了40.0%～44.2%，較于清雪措施提高了22.4%～34.1%，較于LID提高了1.5%～5.7%，體現了清雪措施加載LID的組合方式對寒區城市地表徑流消減控制的顯著效果和積極作用（表2—4）。

在清雪措施后加載LID過程中，研究區內的積雪在冬季降雪積累期時先通過清雪措施得到簡單的清除，使得研究區內的積雪深度降低，徑流減少，隨著時間的推移，溫度升高，研究區內的積雪融化成積水再經過LID處理，使得研究區內的徑流進一步減少，地表徑流控制率得到顯著的提高，由于LID不能減少積雪，而清雪措施可以對寒區城市內的積雪進行處理，可作為LID對寒區城市徑流控制的重要補充手段。

冬季研究區在單獨加載LID與在化學清雪后加載LID得到的地表徑流控制率變化幅度不大，分別為86.1%、87.6%（表3、4）。由于利用化學清雪后研究區內的徑流總量減少不明顯，地表徑流控制率較于未清雪相比提高幅度不大，所以此兩種情況下加載LID后得到的地表徑流控制率變化不明顯。由于使用氯化鈉（NaCl2）、氯化鈣（CaCl2）等化學融雪劑后會腐蝕冬季寒區城市道路，污染土壤環境，為了減少或降低利用化學清雪造成的寒區城市環境危害，在冬季降雪積累期內，可以不利用化學清雪對寒區城市地表徑流進行調控，隨著來年春融期的到來，積雪融化成積水，直接通過加載LID的方式來控制寒區城市的地表徑流。由于冬季降雪所帶來的融雪徑流不可忽視，為了緩解來年春季融化期時LID的承載能力，可以在冬季降雪積累期內利用化學清雪方式對城市地表徑流先進行調控，然后再利用LID進一步地控制，以達到減緩冬季凍結期融雪徑流帶來的地表積水壓力。綜上討論，可以根據實際的具體情況，選擇相應的徑流調控方式，以達到更好的徑流控制效果。

冬季研究區利用3種清雪措施后的積雪深度均發生了不同程度的變化，而加載LID后并未發生變化（圖6），所以LID難以單獨解決冬季積雪帶來的徑流問題，需配合清雪措施使用。冬季研究區利用3種清雪措施加載LID后各月的下滲量整體較于未加載時發生了大幅度增加，徑流量相應減少且下滲、徑流量整體呈現冬季凍結期少，融化期多的變化趨勢并在融化期時達到峰值（圖7）。當處于降雪積累期時，溫度低于0℃，LID并不會發揮明顯作用，而利用清雪措施后研究區內的徑流會減少，而處于降雪融化期時，溫度高于0℃，隨著溫度的升高，研究區內的積雪漸漸融化，此時LID發揮作用，使其下滲明顯增加，相應的徑流顯著減少。

對于在整個冬季凍融循環過程中，由于清雪措施所解決的是冬季固態積雪問題，而LID所解決的是液態積水問題，2種解決冬季徑流問題的技術手段所發揮的時間段不同，其中清雪措施所發揮的時間段為降雪積累期，LID所發揮的時間段為降雪融化期，所以考慮清雪措施搭配LID后研究區內的地表徑流控制率較于單一措施技術得到進一步的提高。

雖然LID對于整個冬季寒區城市的地表徑流消減顯著，但對于在降雪積累期時，寒區城市地表積雪嚴重，LID并不能發揮其作用，為了避免城市道路的暢通，補充清雪措施顯得尤為重要，不僅能夠使城市交通順暢，還能使城市地表徑流減少，地表徑流控制率提高，有助于減少寒區城市地表積水嚴重等問題。

3結論

針對長春市某匯水區建立SWMM模型，研究3種清雪措施對于融雪徑流調控效果進行模擬分析，得到如下關鍵結論。

冬季研究區利用3種清雪措施后的徑流調控效果明顯，地表徑流控制率均得到了不同程度的提高，其中利用機械、人工清雪后研究區內的地表徑流控制率提高幅度均為21.8%，化學清雪提高幅度為5.9%。利用機械清雪后研究區內的積雪清除量增加，利用化學清雪后研究區在凍結期內的徑流量增加，而利用人工清雪后研究區在融化期內的下滲量增加，體現了3種清雪措施對于冬季寒區城市地表徑流調控的不同作用，但3種清雪措施對冬季寒區城市地表徑流調控起到了積極作用，為減少寒區城市地表積水問題提供方法。

冬季研究區單獨加載LID后下滲量顯著增加，徑流量明顯減少，其地表徑流控制率大幅度地提高且提高幅度為38.5%。利用3種清雪措施與LID組合措施，可將地表徑流控制率提升至85%以上，為87.6%～91.8%，其中較于未清雪地表徑流控制率提高了40.0%～44.2%，較于單獨使用3種清雪措施提高了22.4%～34.1%，較于單獨使用LID提高了1.5%～5.7%，體現了3種清雪措施搭配LID的組合方式對寒區城市地表徑流消減控制的進一步提升效果。LID技術對于冬季寒區城市地表徑流管理發揮了顯著效果，為減緩寒區城市內澇災害的發生風險提供解決手段。

根據冬季寒區城市地表徑流的調控要求，可選擇不同清雪方式、LID以及二者組合方式進行調控，其中機械、人工清雪所消減的地表徑流明顯，化學清雪其次，但地表徑流控制率均未達到85%以上，而單一LID以及搭配不同清雪方式后所提高的地表徑流控制率顯著，均達到了85%以上，所以為了要提高冬季寒區城市地表徑流的調控效果，可選擇LID搭配不同清雪方式進行調控，但單一清雪方式和LID也均對冬季寒區城市地表徑流控制起到積極作用。對于未來氣候可能增加雪面雨的發生頻率，LID和3種清雪方式對冬季寒區城市地表徑流的調控效果有待進一步加強。

雖然LID對于整個冬季寒區城市的地表徑流消減顯著，但對于在降雪積累期時，寒區城市地表積雪嚴重，LID并不能發揮其作用，為了保證城市道路的暢通，補充清雪措施顯得尤為重要。城市化進程加快和全球氣候多變給寒區城市內澇災害發生帶來了巨大的挑戰，而清雪措施和LID技術可以幫助削減寒區城市的地表徑流，使其地表積水減少，有效緩解寒區城市春融期的內澇風險。

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（責任編輯：高天揚）