唐山市中心区降水径流分析研究

王文华

(河北省唐山市陡河河道管理处，河北唐山063000)

1 工程概况

唐山市地处渤海湾中心地带，河北省东部，中心城区主要包括路北区(含高新区)、路南区(含南湖生态城)、开平区几部分。中心区人口众多，经济、体育、文化等公众活动密集，随着经济的发展，社会的进步，人民生活水平的提高，群众对城市河道需求从过去的“防汛、排涝、航运、供水”转变为“环境、景观、资源、安全”。地表水作为唐山可利用水资源总量的一部分变得尤为重要。

2 中心区区地表水降水分析

2.1 统计参数的分析确定

对于选用的降水量系列(1956-2008年)，采用矩法计算降水量统计参数，再进行适线调整确定。矩法计算公式如下。

频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线。

均值计算:采用矩法计算，在同步系列适线时，均值未进行调整。经计算，唐山市中心区多年平均降水量为591.9 mm。

变差系数Cv值确定:第一次适线采用计算值，当点据拟合不好时，对Cv值进行适当调整，Cv值取0.30。偏差系数未调整，Cs/Cv值2.2。

2.2 多年平均降水量等值线图的绘制

选择资料质量好、系列完整、面上分布均匀且能反映地形变化影响的雨量站作为绘制等值线图的主要点据。绘制1956-2008年同步期的年降水量均值等值线图，以反映多年平均降水量的地区分布规律。

根据地理位置、地形、气候等自然因素，对等值线的分布、走向、弯曲情况及高值区、低值区的位置进行合理性检查，并修正、修匀了线型。多年平均降水量等值线图详见图。

市区降水量由北向南递减，北部山丘区多年平均降水量在620 mm左右，到市区南部减少为580 mm左右。

图1 唐山市区多年平均降水量等值图

2.3 降水量的计算

经计算，唐山市区多年平均降水量为591.9 mm，不同频率 P=20%、50%、75%、95%降水量分别为 733.9、574.1、461.7、337.4 mm。

2.4 降水量的时空分布规律

2.4.1 降水量的年内变化

市区降水量年分配很不均匀，汛期(6～9月)的降水量占全年的80%左右，个别丰水年降水更为集中，占90%以上。

2.4.2 降水量的年际变化

降水量受气象和地形等因素的综合影响，年际变化比较大。降水量年际变化的大小，可用变差系数或极值比(最大值与最小值之比)加以衡量。年降水量的CV值越大，极值比越大，年降水量变化越不均匀。年降水量变差系数在0.25～0.30之间变化，年最大降水量为1 022.3 mm，出现在1964年;年最小降水量为318.1 mm，出现在2002年，降水量极值比在3.2。各年降水量变化详见图2。

图2 年降水量变化柱状图

在1956-2008年53年降水系列中，1956-1969年处于丰水期，其平均值为655.6 mm，是53年均值的1.11倍，1970-1979年处于丰水期，平均值618.4 mm，1980-1989年处于平水年，均值为580.6 mm，1990-1999年降水量减少为561.1 mm，2000-2008年均值为510.2 mm。从各年代降水量变化看，市区降水量呈减少趋势。

3 地表水降水径流变化

在城市中心区，人口高度集中，楼、堂、馆、所密布，由道路及房屋等地面建筑物形成的不透水面积，占市区面积的比例较大，因而对降水产流造成较大的影响。由于城市区排水系统比较健全，形成管网化，由此促成地表径流的汇流速度加快，汇流时间大大缩短，径流系数明显增大。因此，城市区地表径流量的有关计算，需要通过试验来寻求其降水径流关系，产汇流参数及地表水自产水量。对于城市防洪、排涝、雨洪资料利用具有重要的作用。

唐山市中心区总面积为420 km2，其中路南、路北、开平区面积分别为 67、101、252 km2，建成区总面积 145 km2，其中道路硬化面积16.368 km2，占建成区总面积11.3%，建筑物等硬化面积64.09 km2，占建成区总面积44.2%，透水砖等弱硬化区5.8 km2，占建成区总面积4%，绿化面积58.725 km2，占建成区总面积40.5%。

城市化区下垫面类型的多样化，不透水地砖、水泥地面、透水砖和草地等，使得径流在时空上的变化越来越复杂。不同的下垫面条件对降水径流的影响也不同，本次试验采用实测法对城市化区的降水产流进行监测，分析其变化规律，建立降水产流计算模型，计算城市化后市区径流系数和径流量。

3.1 降水径流试验

试验在陡河河道设水位、流量监测站3处，分别位于市区的河北桥、建华桥、越河桥，其中河北桥代表天然状态监测站，建华桥、越河桥，代表城市化区监测站，设降水量监测站2处;在青龙河设降水量、水位、流量监测站各1处;在石榴河设水位、流量监测站各1处，监测站断面位置详见图3。通过监测资料，分析降水量、雨强、水位、流量相互关系。以8月19日降水过程为例进行分析。

6点20分开始降雨，10点30分至11点，30分钟降雨量达28 mm，总降水量为45.4 mm，降雨历时8小时，降水强度为5.7 mm/h，建华桥断面，洪峰流量出现在12点50分，洪水历时12 h。水位流量随降雨变化过程详见图3。

图3 建华桥断面河道水位流量与降水变化过程线图

越河桥断面，洪峰流量出现在14点，比建华桥断面晚1小时10分，洪水历时近20 h，洪水历时比建华桥断面长。水位流量随降雨变化过程详见图4。

图4 越河桥断面河道水位流量与降水变化过程线图

3.2 城市化区降水径流分析

通过实际监测和计算，在建成区降雨量大于等于13 mm时，河道水位流量增加，产生地表径流。降雨量在13～65 mm时，次降水径流系数在0.106以上，最大可达0.476，次降水径流深最小2.5 mm，最大可达21 mm。城市化区地表径流与降水量、降水强度、硬化面积有明显的关系。径流深与降雨量的相关系数为0.47，平均降水强度的相关系数为0.42，与不透水面积比例的相关系数为0.79。

根据实测数据，建立次降雨产生的径流深公式为:

R=0.664PⅠ0.821-3.75Ⅰ4.22-2.21

式中:R为为次降水径流深，mm;P为次降水大于10 mm的降水量(10≤P＜100)，mm;Ⅰ为不透水面积比例(16%≤Ⅰ≤70%)。

城市化区自产径流量的计算方法，首先计算出各区历次降雨产生的径流深，再累加成年径流深，并由此形成现状条件下某区的年径流系列，推求出市区的多年平均年径流量，即为市区现状条件下的多年平均地表水资源量，对年径流系列进行频率计算，求得年径流的统计参数及不同保证率下的地表水资源量。

对于次降水量大于等于100 mm时，降水径流关系直接计算次降水径流深。

R=0.489P-3.57

3.3 市区地表水资源量的计算及其成果

3.3.1 分区面积

依据上述分区方法，各计算分区面积见表1。

表1 计算分区面积统计表

3.3.2 降水量

路南、路北区使用市区降水资料，开平区使用陡河水库站的降水资料，统一采用1956-2008年53年系列降水资料，城市化区对进行次降水量分割，次降水量大于10 mm者参加统计计算，对于自然区采用全部降水进行计算。

3.3.3 自然区地表水计算

自然区分两个大区，河北桥以北采用陡河水库站降水径流关系计算径流深，河北桥以南采用唐山站降水径流关系计算径流深。路南、路北区自然区多年平均径流深60.7 mm，径流量0.043 4亿 m3，开平区多年平均径流深77.0 mm，径流量0.147 4亿 m3。

3.3.4 城市化区地表水计算

经计算路南、路北区城市化区多年平均径流深183.7 mm，径流量0.177 3亿 m3，开平区多年平均径流深96.7 mm，径流量0.058 5亿 m3。

3.3.5 市区自产地表水

唐山市区多年平均(1956-2008年系列)自产水资源量为0.426 5亿 m3，折合径流深101.5 mm，径流系数0.17，变差系数Cv为0.55，Cs/Cv取2.0，保证率为75%、95%时，径流量分别为0.144 8、0.081 8亿 m3。频率计算曲线详见图5。

图5 频率计算曲线图

4 结语

市区工矿企业等年均入河废污水量7 241.1万 t。经降水径流监测试验，计算唐山市区多年平均(1956-2008年系列)自产水资源量为0.426 5亿 m3，折合径流深101.5 mm，径流系数0.17，变差系数 Cv为0.55，Cs/Cv取2.0，保证率为75%、95%时，径流量分别为0.144 8、0.081 8亿 m3。多年平均径流量增加了33.2%，径流系数增加了41.6%，保证率为20%时，径流量增加17.7%，保证率为95%时，径流量增加350%。

唐山市中心区水资源虽未发生水资源短缺问题但必须加强雨水收集系统建设，减少地下水的开采量;限制城市下垫面硬化面积，增加地下水补给量(采用透水砖、增加绿地面积、屋顶径流引入地下等)。城市不透水面积的增加，减少了降水入渗补给量;加强唐山市中心区城市水文监测，特别是漏斗区、南胡生态区以及环城水系的水文监测，以便进一步摸清现状条件下市中心区水文变化规律，为城市水资源管理和生态建设提供依据。