昆明市主城区雨水资源潜力特征分析

柴 素 盈，曹 言，张 星 梓

(1.云南省环境科学研究院，云南 昆明 650034； 2.云南省水利水电科学研究院，云南 昆明 650228)

1 研究背景

雨水作为一种天然优质、易收集利用的淡水资源，是解决城市水资源短缺的重要途径之一，而准确估算城市雨水资源潜力是提高城市雨水利用效率的基础[1]。SCS-CN模型作为预测单场降雨地表径流最常见的水文模型[2]，具有结构简单、参数少的特点[3]，能够反映出不同下垫面性质及前期土壤湿程度对降雨径流的影响[4]。同时，由于模型适用性较好，而且参数改进空间大，经过参数改进的模型被应用的范围越来越广。其中，将SCS模型应用到流域雨水产流方面的研究取得了一定的成果[5-8]。比如，王红雷等采用Huang坡度修正公式对CN值进行修正后，计算得到了北京市门头沟区小流域可收集的雨水资源量[5]；董文涛等根据巢湖流域自然条件对模型参数进行了选择与修正，估算出了巢湖流域地表产流情况[6]；曹言等通过地形指数对CN值进行了修订和细化，较为准确地估算出了滇池流域雨水资源潜力[7]；张兴奇等通过对SCS模型中的初损率、CN值和降雨的修正，较为准确地模拟了毕节市石桥小流域坡面的产流情况[8]。然而，关于雨水资源量长序列时间和空间变化特征方面的研究还相对较少。

昆明市是我国14个严重缺水城市之一，人均水资源量不足300 m3，水资源的不足及空间分配的不均，已然成为限制现代昆明经济发展的重要因素[9]。加之近年来，气候干旱趋势的加剧[10]，呈贡新区和空港经济区的快速发展，农业种植结构的不断调整，导致昆明市主城区下垫面发生了明显的阶段性变化，雨水资源潜力也随着发生了显著的变化。

本文为了排除洪涝、干旱等特殊年份的影响，选取了1986，1995，2000，2007年和2014年分别作为丰水年、偏丰水年、偏枯水年、偏枯水年和平水年的代表年份，根据逐日降水数据，通过修正的CN值和率定λ，借助于SCS模型，对昆明市主城区逐次降雨的雨水产流量进行了估算，统计并分析了其时空变化特征。这样不仅能够提高SCS模型在本区域径流模拟的精度，也能够为雨水资源的利用提供一定的参考。

2 研究区概况

昆明市地处云贵高原中部(102°10′E～103°40′E，24°23′N～26°22′N)，地形以盆地(坝子)为主，地势西北高东南低，呈台阶下降；三面环山，南临滇池。昆明市主城区包括五华区、盘龙区、西山区、官渡区、呈贡区和空港经济区(见图1)。昆明市面积有1 028 km2，气候属于亚热带高原季风气候，多年平均降雨量为923.9 mm，其中85%的降雨量在雨季(5～10月)，15%的降雨量集中在旱季(11月至次年4月)。土壤类型为山原红壤、红壤和水稻土等。

图1 昆明市主城区及其周边气象站分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the urban of Kunming and its surrounding areas

3 数据及研究方法

3.1 数据资料

昆明市主城区雨水径流量估算需要的基础数据包括：降雨数据、土地利用类型数据、30 m分辨率DEM、土壤数据和遥感数据等。其中，降雨数据由云南省气象局和中国气象科学数据共享服务网气象资料提供，包括研究区内及其周边涉及到的5个气象站点，采用泰森多边形进行分区计算雨水径流量(见图1)；土地利用类型数据中，1986，1995年和2000年的数据由中国科学院环境数据中心提供，2007年和2014年的数据通过ENVI5.0对SPOT5(2007年3月26日)和SPOT6(2014年11月24日)同期遥感影像进行正射校正、几何校正、影像分割、合并分块处理等，完成对遥感影像的解译；土壤类型数据由中国科学院资源科学数据中心提供，借助于ArcGIS10.0，对研究区内的土壤类型数据进行提取。

3.2 研究方法

3.2.1 数据预处理

SCS模型根据土壤最小下渗率和土壤质地，将水文土壤类型分为A、B、C、D共4类，昆明市主城区土壤类型共包含B、C、D三种类型。其中，B类土壤类型为紫色土，C类土壤类型为红壤、黄壤、黄棕壤、沼泽土、冲积土、水稻土，D类土壤类型为山原红壤、潜育水稻土。此外，城市建设用地由于其大部分属于不透水地表，因而将其划分为D类土壤。

3.2.2 SCS模型

SCS模型是通过大量降雨-径流试验数据建立的水文模型，其计算公式如下[11]：

Q=(P-λS)2/ [P+(1-λ)S](P≥λS，否则Q=0)

(1)

式中，Q为地表径流量，mm；P为降雨量，mm；S为最大可能的储水量，mm；λ为初损率，无量纲。其中，S通过CN(curve number)值计算而得，具体见公式(2)。

S=25 400/CN-254

(2)

式中，CN值为径流曲线数，可以综合反映研究区的降雨前期土壤湿润程度(AMC)、土壤类型和土地利用类型的特征，通常是参考美国《国家工程手册》的标准而定。对于AMC，是根据降雨前5 d的降雨总量(API)确定而来，分为干旱条件(AMCI)CN1、正常条件(AMCII)CN2和湿润条件(AMCIII)CN3，共3个等级[12]，其相互转化公式见式(3)和式(4)。

CN1=4.2CN2/ (10-0.058CN2)

(3)

CN3=23CN2/ (10+0.13CN2)

(4)

3.2.3 Huang坡度修正公式

传统的SCS模型中，CN值未考虑到坡度对降雨产流的影响，不同地区的下垫面性质具有明显的差异性，CN值的变化较降雨量对雨水产流的影响更为敏感[13]。因此，本文首先根据国内相关的研究成果[14-15]，来确定研究区在正常条件下的CN值(见表1)，其次是采用Huang坡度修正公式对CN值进行修正。具体见公式(5)。

CNα=CN(322.79+15.63α) / (α+323.52)

(5)

式中，CNα表示坡度修正后的CN值，为无量纲参数；α为多边形坡度值，用百分比(%)来表示。

表1 昆明市主城区AMCII正常条件下的CN值Tab.1 CNvalues under normal conditions (AMCII) in the urban of Kunming

4 结果与分析

4.1 模型参数λ的率定

由于研究区内的土地利用类型比较复杂，而且缺乏相关的水文站的监测数据，因此，本文根据昆明市主城区相关的研究成果[16-18]和云南省特色农业灌溉试验站的大田试验数据，对研究区面积占比较大的草地、城市建设用地和水田的降雨初损率λ进行率定。其中，率定期利用园地草地(以草地为主，果树均是幼苗)的4场降雨(2001年8月14日、8月20日、8月22日和9月20日)，城市建设用地3场降雨(2006年5月26日、7月9日、2007年4月17日)，建水和丽江水田试验区共12场降雨(2016年)实测数据，验证期采用草地4场降雨(2002年6月25日、6月30日、7月7日和7月19日)，城市建设用地3场降雨(2007年4月11日、5月16日和7月12日)和嵩明水田试验区11场降雨(2016年)的实测数据。

嵩明试验区位于昆明市主城区北部小街镇，选择在大型侧坑中进行试验。在试验过程中，主要是观测记录水稻生育期内降雨前后侧坑的水层深度。

建水、丽江试验区均选在农民田间，采用塑料薄膜包裹四周田埂建成。试验小区水位采用自计式HOBO水位计进行记录观测，降雨事件均是发生在水稻生长期内。

模型效果选择平均相对误差和相关系数R2两个参数进行评价。图2为率定期和验证期模拟值与实测值的比较。由图2可知，当园地草地、城市建设用地和水田λ分别取0.20，0.05和0.05时，在率定期(见图2(a))，平均相对误差分别为15.79 %,18.88 %和15.67 %，R2分别为0.27,0.56和0.55；在验证期(见图2(b))，平均相对误差分别减小至8.45 %，7.76 %和14.96 %，R2分别提升至0.98,0.98和0.96。表明SCS模型在昆明市主城区具有较好的适用性，模拟结果相对可信。此外，根据各土地利用类型的特点和相关研究结果[19-21]，将有林地、灌木林、疏林地、旱地的λ取值为0.20，将交通运输用地、裸地、水体、大棚的λ取值为0.05。

图2 率定期和验证期模拟值与实测值比较Fig.2 Comparison between simulated and measured values in calibration and verification periods

4.2 CN值分布特征

根据表2和公式(5)，对昆明市主城区不同组合的CN值进行赋值，得到不同时间段CN值的分布情况。

由图3可知，CN值较高的地区主要集中在滇池东北部，土地利用类型主要为城市建设用地、交通运输用地、水田和水域，产流能力较强。

(1) 水田和城市建设用地变化对流域的产流能力影响较大，水田减小幅度较大的时间段主要集中在1995年和2007年，导致1995年较1986年，2007年较2000年的流域CN值高值区呈减小的趋势。

(2) 城市建设用地增加幅度较大的时间段主要集中在2007年和2014年，导致CN值高值区向流域东部和南部扩大。

(3)CN值较低的地区主要集中在东部和南部，其土地利用类型主要为有林地、灌木林、疏林地、草地和旱地等，产流能力较弱。随着时间的推移，昆明市主城区的雨水产流能力高值区不断扩大，这种状况主要是由透水地表逐渐转化为不透水地表所导致的。

图3 1986,1995,2000,2007年和2014年昆明市主城区CN值分布Fig.3 The values ofCNin the urban of Kunming in 1986,1995,2000,2007 and 2014

4.3 雨水资源利用潜力分析

4.3.1 雨水资源利用潜力时间变化特征

根据降雨指数API，首先确定每次降雨前的CN值，并通过所在区域的平均坡度值，利用公式(5)对CN值进行修正；其次是在ArcGIS10.0软件中利用泰森多边形法分区计算1986,1995,2000,2007年和2014年逐天降雨的雨水产流量。由图4可以看出，昆明市主城区的雨水产流量受降雨影响显著，呈现出降雨量越大雨水产流量则越大的趋势。根据近50 a的昆明市年降雨数据，参考《水文情报预报规范》，将1986,1995,2000,2007年和2014年划分为丰水年、偏丰水年、偏枯水年、偏枯水年和平水年。1986～2014年，昆明市主城区的雨水资源潜力呈先减小后增大的趋势，介于1.484 0亿～3.549 9亿m3之间，其中，丰水年(1986年)的雨水资源潜力最大，偏枯水年(2000年)的雨水资源潜力最小；不透水地表雨水资源潜力基本上呈增加的趋势，且在2000年后增加趋势越来越显著，2014年不透水地表雨水资源潜力达到最大，为2.028 2亿m3，而2000年不透水地表雨水资源潜力仅为0.553 8亿m3，透水地表雨水资源潜力则呈持续减小的趋势，1986年透水地表雨水资源潜力最大，达到2.635 7亿m3，2014年透水地表雨水资源潜力仅为0.491 1亿m3。在季节方面(见图4(b))，夏季雨水资源潜力最大，平均为1.863 0亿m3，占全年雨水资源潜力的77.48 %；其次为秋季、春季和冬季，其平均雨水资源潜力分别为0.364 3亿,0.147 7亿和0.029 3亿m3。降雨量也表现出夏季>秋季>春季>冬季的趋势；在雨水产流集中的夏季(见图4(c))，平均雨水资源潜力最大值主要出现在7月份，达到0.729 9亿m3，占全年雨水径流总量的29.60 %，其次分别为6月和8月，其平均雨水资源潜力分别为0.594 9亿m3和0.538 3亿m3，占比分别为23.82 %和21.83 %。

图4 昆明市主城区雨水产流量变化情况Fig.4 Variation of surface runoff in the urban of Kunming

图5 1986，1995，2000，20007年和2014年昆明市主城区雨水资源量分布特征Fig.5 Distribution characteristics of rainwater runoff depth in the urban of Kunming in 1986,1995,2000,2007 and 2014

由表2可以看出，1986～2014年间，昆明市主城区的城市建设用地、交通运输用地、水域、有林地、大棚雨水资源潜力呈增加的趋势，其中，以城市建设和交通运输用地为主的不透水地表雨水资源潜力增加趋势最为显著，以水田、灌木林地、疏林地和草地为主的透水地表雨水资源潜力减少趋势最为显著。其主要原因分析如下。

表2 昆明市主城区不同土地利用类型雨水产流量Tab.2 Rainwater runoff in different land use types in the urban of Kunming

(1) 昆明市城市建设发展迅速，城市不透水面积快速增加，水田、灌木林地、疏林地和草地面积快速减少，其中水田面积减少最为明显，由1986年的245.06 km2减少到2014年的3.79 km2，减少幅度达到8.62 km2/ a。

(2) 城市建设用地、交通运输用地和水田产流能力均较强。

根据《昆明市城市雨水收集利用的规定》，目前昆明市雨水收集利用设施主要集中在屋顶和道路，年设计规模仅为0.051亿m3[7]。由此可以看出，昆明市主城区雨水可收集利用区域主要分布在城市建设用地和交通运输用地，1986,1995,2000,2007年和2014年昆明市主城区可利用雨水资源潜力分别0.914亿,0.696亿,0.554亿,1.196亿m3和1.762亿m3，分别占到雨水总资源量的25.75 %,26.10 %,37.32 %,66.4 %和69.94 %，其年平均可利用雨水资源潜力达到1.024 5亿m3，呈现显著增加的趋势。可见，昆明市主城区雨水收集和利用的潜力仍十分巨大。

4.3.2 雨水资源利用潜力空间变化特征

由图5可以看出，雨水资源量丰富区域主要集中在滇池北岸，该区域土地利用类型以城市建设用地和交通运输用地为主，为不透水地表，其产流能力较强，加之昆明市盛行西南风，滇池北岸降雨较多。雨水资源量低值区域主要集中在东部和南部，该区域土地利用类型是以林地和耕地为主的透水地表，其产流能力较弱，且降水较少，尤其是南部地区。

在昆明市主城区雨水资源量的空间变化趋势方面，1986～2014年，雨水产流能力整体表现出上升的趋势，雨水资源量高值区呈现出向东部和南部扩大的趋势，低值区则呈现向四周转移的趋势。其主要原因是东部空港经济区和南部呈贡新区的快速发展，导致不透水地表面积不断增加，透水地表则不断减少，雨水产流能力持续上升。

5 结 论

(1) 不同土地利用类型的降雨初损率λ取值不同，当草地、城市建设用地和水田的初损率λ分别取0.20，0.05和0.05时，验证期模拟的平均相对误差均小于15%，且相关系数R2均大于0.98，表明模型具有较好的适用性。

(2) 1986,1995,2000,2007年和2014年昆明市主城区的雨水资源潜力分别为3.549 9亿，2.668 0亿，1.484 0亿，1.800 1亿m3和2.519 3亿m3。目前，雨水可收集利用的范围主要集中在城市不透水地表，其年平均可利用雨水资源潜力达到1.024 5亿m3，且呈现出快速增加的趋势。

(3) 昆明市主城区的雨水产流量受降雨影响显著，雨水产流量最大值出现在夏季，平均雨水资源潜力达到1.863 0亿m3。其中，7月份平均雨水产流量最大，达到0.729 9亿m3，占全年雨水资源潜力的29.60%；冬季平均雨水产流量最小，仅为0.029 3亿m3。

(4) 雨水资源量丰富区主要集中在滇池北岸，低值区则主要集中在东部和南部，在空间变化趋势方面，雨水产流能力整体上表现出上升的趋势，而且雨水资源量高值区逐年呈现出向东部和南部扩大的趋势。

与以往的研究相比较，本研究通过修订CN值和率定λ，提高了SCS模型的适用性，可以较为准确地估算出昆明市主城区的雨水资源潜力，可为今后雨水资源的利用提供一定的参考。但是由于缺乏长序列的降雨-径流数据，没有对每种土地利用类型的λ进行率定，从而不同程度地影响到了模拟精度。

综上所述，今后在着重积累实测数据的同时，应对CN值进行不断的修订和补充，探讨不同坡度和降雨强度对地表产流的影响，以便更加科学地认识本地区的雨水资源潜力。