基于物理模型的城市综合径流系数特性研究

2016-11-15梁海邵敏

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：径流系数下垫面洪峰

梁海，邵敏

（上海市水务业务受理中心（上海市海洋业务受理中心），上海市 200050）

基于物理模型的城市综合径流系数特性研究

梁海，邵敏

（上海市水务业务受理中心（上海市海洋业务受理中心），上海市 200050）

根据在上海市松江农田水利试验站开展的人工模拟降雨条件径流系数试验研究的数据成果，开展城市综合径流系数特性研究，得到了在不同降雨强度、雨型作用下，城市综合径流系数在动态平衡前、中的特性，研究成果可供海绵城市建设参考。

城市；综合径流系数；人工模拟；特性分析

0　引言

针对国内城市内涝形势严峻的问题，2013年12月中央城镇化工作会议要求，在全国开展建设“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市的试点工作，要求构建低影响开发雨水系统，系统控制目标包括径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制、雨水资源化利用等。其中，径流总量控制是首要的规划控制目标［1］，而实现径流总量控制的关键因素就是综合径流系数。因此，本文采用模型试验研究的方法，开展了城市综合径流系数特性研究工作，研究成果可供与上海市相类似的海绵城市建设参考。

1　城市综合径流系数研究方法

城市综合径流系数是一个综合性参数，影响因素较多，是一个随时间而变化的动态变量，反映的是汇水面上各种性质的地面覆盖的组合效应。目前，暴雨径流模拟所经常采用的研究方法中，主要有数学物理方法、黑箱方法与概念性模型。

（1）数学物理方法

数学物理方法依据水流的连续方程与动量方程求解水流的时空变换，一维、二维乃至三维不稳定流数值解已发展得比较成熟，计算精度可达相当高的程度，但对于流域或排水系统的雨洪径流过程，由于流域下垫面过于复杂，产流汇流交织发生，加之排水系统灌渠本身具有的调洪能力，致使难以建立这样复杂系统的数学物理方程。在实际的操作过程中，也无法同步精确地获得支持庞大数理方程求解所需的大量自然数据，因此目前还不可能完全依赖数理方法求得。

（2）黑箱方法

黑箱方法是一种系统分析方法，该法将流域或者排水系统视作一种动力系统，利用输入与输出资料，建立某种确立性关系并率定其中系数。

（3）概念性模型

概念性模型是通过建立物理模型，“仿真”模拟流域的降雨径流过程。

本次城市综合径流系数的研究方法是依据黑箱方法与物理模型方法的基本思路，建立一套简捷、易行的物理模型，仿真地模拟排水系统的降雨径流过程，从而获得一组具有实用价值的实验数据，以此来确定城市综合径流系数。

2　城市综合径流系数特性研究试验

2.1研究对象的确定

从径流系数研究对象来划分，可以从二个方面着手：

（1）综合法：选取具有代表性的由多种地面类型组合而成的下垫面作为研究对象，将研究实验结果与传统方法所得的结论进行比较。

（2）单一法：选择目前城市下垫面的典型种类，逐一进行场地试验，得出实验结果应于用排水系统的抽水试验中。

城市建设的日新月异，下垫面类型种类繁多，要选择具有良好代表性的下垫面覆盖种类并非易事。综合法能够适应城市综合径流系数研究的要求，实用性强，场地试验效率高、周期短，有利于将场地试验结果直接应用。因此，本文研究中采用综合法——由多种地面覆盖组合而成的下垫面作为研究对象，从中提出一套适用于上海地区的综合径流系数修正系数。

2.2径流系数特性研究的场地试验

暴雨地面径流过程极为复杂，径流系数影响因素繁多，场地径流系数研究的主要目的是从雨水沟道的设计要求、城市暴雨径流特点以及上海地区典型地形、地貌出发，选取既能满足科研的实际需要，又能使物理模型试验有效进行的影响参数，按正交试验原则实施实验方案，从中获得径流系数变化的基本规律。由于径流系数的场地试验便于人为调控，受自然条件的制约较少，因此试验方案可根据实际需要及实验结果任意增减、改动，且试验数据正确性、可靠性及可比性均较强，是“城市综合径流系数”研究的重要组成部分。

为了弄清径流系数在不同参数影响下的变化过程，以利提供在城市圩区中适合于上海地区的径流系数，上海市城市建设设计院会同松江区松江农田水利试验站在松江佘山建立了一块可供径流系数人工模拟降雨的试验基地，并为使场地径流系数的试验更“逼真”地模拟一场降雨在以城市地区为下垫面的暴雨径流的全部过程，对该块不封底观测场地进行了较大规模的改建工程。经过六个月近百场人工模拟降雨，获得了大量有关径流系数变化特性的第一手实验资料。

3　城市综合径流系数特性分析

降雨条件（包括强度、历时、雨峰位置、前期雨量、强度递减情况、全场雨量、年雨量等）和地面条件（包括覆盖、坡度、汇水面积及其宽度长比、地下水位、灌渠疏密等）是影响城市综合径流系数的两大基本因素。此外，城市建筑密度、建筑物高度以及城市热岛效应等亦会在一定程度上影响着径流系数的数值。本场地试验从雨水沟道的设计要求和城市暴雨径流的特点出发，根据上海地区的地形、地貌，选取了既有满足科研、设计工作的实际需要，又能使场地试验有效进行的主要影响参数——降雨强度、降雨历时、降雨雨型、不同下渗率的下垫面覆盖，进行特性分析。

3.1洪峰径流系数在趋向动态平衡过程中的特性分析

径流系数是一项随降雨历时而变化的动态参数，试验中以5 min为一记录时段（产流开始前为1 min），其值随历时的增长而增大，但一般从降雨开始50～90 min后，便达到了稳定值。

（1）径流系数与时间成正比

试验研究表明，径流系数与时间成正相关的规律不受地表覆盖、降雨强度、雨型等因素影响。由于每次试验前的土壤含水率基本相同，因此随着降雨的进行，场地上各点产生的地表径流通过收集管渠，均有一个从小到大的汇流过程，相应地洪峰径流系数也形成了一个由小到大直至稳定的过程。场地不透水面的变化，只是影响这一过程的时间长短，即下垫面不透水覆盖比例越大，这一过程时间就越短。

（2）雨强增大过程中，下垫面覆盖变化对径流系数的影响越来越小，从20 min、40 min最大差值B所示计算结果来看：这一规律十分明显。以40 min时段的试验结果为例，在设计暴雨重现期为P=1 a时，各种下垫面覆盖的过程径流系数之间的最大差值为0.231，而在设计暴雨P=5 a时，这一差值仅为0.113。在其余实验时段，过程径流系数均呈这一基本特征。

（3）下垫面在可透水层覆盖的增加过程中，雨强对洪峰径流系数的影响程度越来越小。以20 min时段的试验结果（见表1）（最大差值A）为例，当下垫面的加权径流系数为0.336时，在不同雨强作用下，径流系数之间的最大差值为0.570；当下垫面的不透水面覆盖至0.825时，其洪峰径流系数间的最大差值为0.038。从径流系数在其达到峰值的过程中所呈现的上面两点特性，对于认识上海地区，特别是排水系统基本均已建成的中心城区的径流系数的变化特点具有重要的参考价值。

表1　洪峰径流系数变化过程

3.2洪峰径流系数达到动态平衡（峰值状态）时的基本特性

径流系数达到动态平衡（峰值状态）是指在一定人工模拟降雨作用下，由各种地面覆盖组合而成试验场地上的径流量大小，不再瞬时发生变化，达到恒定值的状态。明确这一状态时的径流系数特性是径流系数场地试验的关键。

（1）降雨强度与不同地表覆盖的洪峰径流系数呈有条件的相关关系。

从试验资料可以清晰地看出，P=1 a（36 mm/hm2）的降雨强度是试验条件下各种地面覆盖之洪峰径流系数峰值大小与降雨强度的分界值。当降雨强度的频率小于P=1 a时，径流系数峰值随降雨强度的增大而增大，而降雨强度的频率大于（或等于）P=1 a时，不论何种下垫面覆盖，其下垫面之径流系数峰值基本保持不变，下垫面透水性的高低，降雨强度的大小仅影响径流系数达到峰值所需的历时。

（2）洪峰径流系数峰值（Ψf），洪量径流系数（ΨH）与面积加权径流系数（Ψj）间存在着一定的关系。

a.洪峰径流系数峰值Ψf与洪量径流系数ΨH间的关系。

试验表明：洪峰径流系数峰值（Ψf）与洪量径流系数（ΨH）具有明确的相关关系。Ψf/ΨH的比值随下垫面不透水覆盖的增加而减小，并随降雨强度的增加，Ψf/ΨH的数值下降。在试验资料中，除个别数值受到自然因素干扰而略有波动外，Ψf/ΨH随不透水覆盖以及雨强影响的这一特性十分明显。

b.洪峰径流系数峰值Ψf与加权径流系数Ψj的关系

从试验结果来看，加权径流系数越大，Ψf/Ψj的比值越小，换言之，下垫面的透水面所占比例越大，Ψf与Ψj的偏差越大，当下垫面按加杈径流系数为0.336铺垫时，其实测径流系数峰值可达0.83。

3.3土壤含水率、降雨强度对达到径流系数峰值历时的影响

在雨水沟管的设计中，非常湿润的地面是决定雨水沟道大流量的条件，此时的径流系数应为设计中所采用的径流系数值。从试验资料可以看出：

（1）在试验条件下，土壤前期含水率变化较小，对达到洪峰径流系数峰值（Ψf）所需历时影响甚小。

（2）达到径流系数峰值所需历时，随着下垫面不透水层覆盖的增加呈减小趋势，并与雨强成有条件的相关关系。

3.4前、后峰雨雨型对径流系数的影响

（1）前、后峰雨对造峰的作用的影响

为方便分析、对照试验结果.将前、后峰雨的小时降雨总量调至与P=1 a（36 mm/hr）的小时降雨总量一致。前、后峰雨相比，由于后峰雨在其峰值到达之前有更多的雨量来满足场地上的初损，相对而言场地入渗、更趋于稳定，因而降雨扣除损失后，净雨所占降雨量份额相对较大（径流系数较大），相应造峰作用亦越明显。

（2）场地雨水下渗对于形成洪峰径流的影响试验结果表明，在相当于P=1（a）强度的等强度降雨作用下，达到其实测峰值时，场地雨水下渗已完全趋于稳定（即稳渗状态）；而当以后峰雨进行人工降雨时，场地雨水下渗受雨强变化的影响，始终处于一种变化过程之中，降雨损失较为明显，相比之下前峰雨雨型的降雨损失更为明显。场地雨水下渗率受降雨强度大小的影响外，还与场地地面透水性强弱（加权径流系数大小）有关，具体为透水性越好的场地覆盖，其初损越大，相应下渗作用也越大，反之，则越小。