年径流总量控制率优化研究

陈 佳, 郭 渠, 李 瑞, 何慧根

(1.四川省遂宁市气象局,四川 遂宁 629000；2.重庆市气候中心,重庆 401147；3.济南市气象局,济南 250102)

引 言

年径流总量控制率是海绵城市建设中的重要控制指标之一，是径流总量控制、径流污染控制和径流峰值控制等指标的实施载体；是海绵城市建设必要的基础数据；与设计降雨量为一一对应关系，其大小直接影响城市投资规模与经济、生态环境效益[1-2]。《海绵城市建设技术指南(试行)》(下称《指南》)明确了我国大陆年径流总量控制率及其对应的设计降雨量，为我国不同区域海绵城市建设提供了技术保障[3-4]。

2015年我国启动了第一批海绵城市试点示范建设，随着试点范围扩大和相关理论体系不断完善，《指南》中径流总量控制指标的局限性突显。主要表现为:一是海绵城市建设是城市雨水开发管理体系工作，技术规范需结合当地情况作详细分析[5-9]，需各地因地制宜探索完善年径流总量控制率实施标准[6]；二是一些海绵城市在绿化用地、居住区、小广场等规划设计中，有时需要60%～85%范围以外的指标，而《指南》中没有其可查数据，也少有相关文献；三是《指南》中年径流总量控制率的计算基本采用1983-2012年气象观测资料，由于区域气候变化存在明显的阶段性特征，有必要采用最新的观测资料更新年径流总量控制率。

重庆地处我国西南地区东部，境内地形条件复杂，立体气候复杂多样，是全国第一批海绵城市建设试点。重庆为山地试点城市，开展重庆海绵城市建设理论研究将具有重要的示范性和代表性。一些学者优化了重庆市主城区城市绿地布局结构[10-11]，补充了山地海绵城市建设径流总量控制指标[12]，研究了主城区排水总体规划技术路线[13]，分析了适合重庆山地海绵城市建设规划对策[14]。研究认为，重庆海绵城市建设在《指南》指导的同时，还需考虑山地地形、气候特征和城市总体规划，以便发挥最佳的建设效益。

本文在《指南》基础上，采用重庆市主城区北碚、渝北、巴南和沙坪坝4个气象站1981-2018年日降水数据，根据主城区降水时间和空间分布特征，以及复杂地形等因素，对《指南》中的年径流总量控制率进行优化，以便为重庆海绵城市建设决策提供可靠依据。

1 资料与方法

本文所用资料为重庆市气象信息与技术保障中心提供的重庆市主城区北碚、渝北、巴南和沙坪坝站1981-2018年逐日降水数据，以及2013-2018年重庆市主城区225个区域自动气象站日降水资料，所有资料均经过质量控制。

采用《指南》推荐的方法，在计算年径流总量控制率对应的设计降雨量时，先扣除站点1981-2018年2 mm及以下降水事件，将降雨量日值按雨量由小到大进行排序，统计小于某一降雨量的降雨总量(小于该降雨量的按真实雨量计算出降雨总量，大于该降雨量的按该降雨量计算出降雨总量，两者累计总和)在总降水量中的比率，此比率(即年径流总量控制率)对应的降雨量(日值)即为设计降雨量[4]。

2 年径流总量控制率推算

《指南》把我国大陆的年径流总量控制率分为5个区域，其中重庆东北部属Ⅳ区，东南部、西部和主城区属Ⅲ区。按《指南》中各城市年径流总量控制率的最高和最低限值要求，重庆市主城区年径流总量控制率取值为75%～85%，《指南》推荐的设计降雨量范围为20.9～31.9 mm(表1)。表2给出了重庆市主城区北碚、渝北、巴南和沙坪坝站采用1981-2018年数据计算的年径流总量控制率对应的设计降雨量。从表2可以看出，年径流总量控制率为75%～85%时，北碚站对应的设计降雨量为23.7～36.5 mm，渝北站为22.2～33.7 mm，沙坪坝站为21.6～32.9 mm，巴南站为19.5～29.3 mm。与《指南》相比，沙坪坝、北碚和渝北站推算的年径流总量控制率偏大，而巴南站的偏小。

表1 《指南》中重庆地区年径流总量控制率对应的设计降雨量

由表2还发现，1981-2018年来北碚、渝北、巴南和沙坪坝站大于设计降雨量的年平均降雨场次和超过设计降雨量占总降水量的百分比不同。如，年径流总量控制率为80%时，北碚、渝北、巴南和沙坪坝站超过设计降雨量的年平均降雨日数分别为8.6、10.1、10.7和9.8日，有42.2%、44.2%、43.9%和43.5%超过设计降雨量的降雨溢流排放；在年径流总量控制率达到85%时，被溢流排放的降雨量比例分别为36.0%、35.0%、36.4%和35.2%；在年径流总量控制率达到90%时，被溢流排放的降雨量比例分别为27.6%、24.4%、26.8%和26.2%。根据《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》文件要求，要达到把70%降水截留下来而不流走，重庆市主城区年径流总量控制率应在85%～90%为宜。

表2 1981-2018年重庆市主城区年径流总量控制率对应的设计降雨量

图1给出了北碚、渝北、巴南和沙坪坝站年径流总量控制率与设计降雨量的关系曲线。由图1可见，随着设计降雨量的增加，年径流总量控制率均呈对数增加趋势，在各站设计降雨量相同的条件下，对应的年径流总量控制率存在差异。年径流总量控制率在80%以下时，设计降雨量增加趋势明显，对控制率的影响较大；控制率达90%之后，设计降雨量增加趋势减缓，对控制率的影响较小。潘国庆等[15]研究指出，在控制率变化趋缓时，设施规模的扩大将带来规模综合效益的下降。如，北碚、渝北、巴南和沙坪坝站的设计降雨量为30 mm时，对应的年径流总量控制率分别为81.1%、83.0%、86.0%和83.4%；设计降雨量增加至60 mm时，年径流总量控制率仅分别增加12.9%、11.4%、10.4%和11.4%。由此可看出，设施规模增加1倍时，年径流总量控制率仅增加12%左右。另外，重庆市主城区暴雨或大雨的雨峰靠前，降水历时较短且集中，较短时间内易形成雨水汇流，大面积出现地表冲刷的可能性较大[13]。如果控制初期雨水径流，则控制城市洪涝和雨水径流污染效果更佳。

图1 重庆市主城区年径流总量控制率与设计降雨量的关系曲线

3 年径流总量控制率优化

《指南》推荐采用长序列的全年日降雨量资料计算年径流总量控制率对应的设计降雨量，但对于降水年内变化较大的地区，尤其是降水集中于夏季的地区，计算结果可能会降低年径流总量控制率指标[16]，影响海绵城市建设综合效益。重庆地处较为复杂的东亚季风区，地形复杂，降水空间分布差异较大[17]，年径流总量控制率指标应结合实际进行确定。下面将综合考虑重庆市主城区降雨年内变化、空间分布特点，从时间和空间上对年径流总量控制率进行优化。

3.1 时间上的优化

图 2给出了北碚、渝北、巴南和沙坪坝1981-2018年各月平均降水量变化图。由图 2可见，各站6月降水量最大，其次是5、7、8、9、10和4月的降水量，12月的最小。从年内降水分布来看，降水量主要集中在4-10月，占全年的85.5%。其中，夏季(6-8月)降水最多，平均达481.2 mm，占全年的42.9%；11月-次年3月降水较少，仅占全年的14.5%。为此，结合重庆市主城区年内降雨变化特点，采用4-10月日降雨资料计算设计降雨量，使年径流总量控制率指标将更符合重庆市主城区气候特征。

图2 1981-2018年北碚站(a)、渝北站(b)、巴南站(c)和沙坪坝站(d)月降水量

经过对北碚、渝北、巴南和沙坪坝站1981-2018年4-10月降雨数据的整理，排除资料中小于2 mm的降雨日，计算出各站年径流总量控制率对应的设计降雨量(表 3)。在年径流总量控制率取值范围为75%～85%时，北碚站对应的设计降雨量范围为26.5～39.7 mm，渝北站的为24.8～36.9 mm，巴南站的为21.9～32.2 mm，沙坪坝站的为24.0～35.7 mm。与优化前相比，优化后的设计降雨量均偏大(图 3)。如年径流总量控制率在85%时，北碚、渝北、巴南、沙坪坝站优化后的设计降雨量分别偏大3.2、3.2、2.9和2.8 mm。这是由于重庆地区降水量和强降雨(日降雨量≥50 mm)日数主要集中于夏半年(4-10月)，而冬半年(11月-次年3月)以小雨和中雨(日降雨量<25 mm)为主，使用4-10月资料提高了强降雨雨量占年总降水量的比例，以致年径流总量控制率及其对应的设计降雨量增大。

图3 采用1981-2018年4-10月降水资料计算年径流总量控制率对应的设计降雨量与1-12月资料计算结果的差值变化

表3 优化后的年径流总量控制率对应的设计降雨量(使用1981-2018年4-10月降水资料)

3.2 空间上的优化

近年来在全球变暖的气候背景下，我国各地降水响应有所差异且区域性明显，给区域城市雨水资源利用及城市防洪治涝带来了更大的潜在压力[18-20]。重庆市主城区只采用一个年径流总量控制率标准，既不利于主城区水资源合理利用和应对气候变化的潜在风险，也不能顾及降水空间差异对城市排涝风险的可能影响[21-23]。因此，有必要根据主城区降雨气候特征针对性地优化北碚、渝北、巴南和沙坪坝站年径流总量控制率空间使用范围。

重庆市主城区面积约为5473 km2，包括巴南区、渝北区、九龙坡区、江北区、北碚区、大渡口区、南岸区、沙坪坝区和渝中区，共有4个国家气象站(北碚站、渝北站、巴南站、沙坪坝站)和225个区域自动气象站。考虑到资料的完整性，本文采用4个国家气象站和159个区域自动气象站2013-2018年日降水资料，分析重庆市主城区降水的空间分布特征，划分北碚、渝北、巴南和沙坪坝站年径流总量控制率指标的使用范围。

由于区域自动气象站降水观测资料时间较短(只有6 年)，需分析其时间代表性。表4给出了北碚、渝北、巴南和沙坪坝站2013-2018年和1981-2018年平均降水量。由表4可以看出，4个站1981-2018年平均降水强度小于2013-2018年的平均强度，符合近年来重庆主城区夏季和年降水量增加的事实[24]。图4给出了重庆市主城区降水量空间分布。由图4可以看出，重庆市主城区地形复杂，降水具有明显的局地特征。6月(图4a)、4-10月(图4b)和年(图4c)平均降水量空间分布基本一致，220 mm、960 mm、1150 mm等值线基本沿嘉陵江和长江，形成3个不同降水量级区域，其中长江以南区域的最小，嘉陵江和长江以北区域的次之，嘉陵江和长江之间区域的最大。这与靳俊伟等[13]、郭渠等[25]利用重庆市主城区各区域气象站逐日降水资料，根据不同短历时强降水阈值，统计出的降水空间分布特征相同。

表4 北碚、渝北、巴南和沙坪坝站不同时期平均降水量 mm

图4 重庆市主城区降水量分布

图5给出了北碚、渝北、巴南和沙坪坝站年径流总量控制率对应的设计降雨量对比。由图5可以看出，年径流总量控制率对应的设计降雨量以巴南站的最小，巴南、北碚和渝北站年径流总量控制率对应的设计降雨量相对于沙坪坝站的差值百分率分别为-7.3%、7.9%和2.3%，其中沙坪坝站与渝北、北碚站的年径流总量控制率对应的设计降雨量值较为接近。

图5 北碚、渝北、巴南和沙坪坝站年径流总量控制率对应的设计降雨量对比

根据北碚、渝北、巴南、沙坪坝站年径流总量控制率对应的设计降雨量比较结果和主城区降水量空间分布特征，同时考虑城市设计规划和建设管理及使用上的方便，划定各站年径流总量控制率指标使用范围(图6)：①嘉陵江和长江之间的区域使用沙坪坝站资料计算的年径流总量控制率指标，范围有九龙坡区、沙坪坝区、大渡口区、渝中区和嘉陵江以南的北碚区域。②长江以南区域使用巴南站资料计算的年径流总量控制率指标，范围有南岸区和巴南区。③嘉陵江和长江以北的地区使用渝北站资料计算的年径流总量控制率指标，范围有江北区、渝北区和嘉陵江以北的北碚区域。④北碚站资料计算的年径流总量控制率指标不推荐使用。

图6 重庆市主城区年径流总量控制率对应的设计降雨量使用范围分布

4 小 结

(1)基于1981-2018年北碚、渝北、巴南、沙坪坝站逐日降水量数据，采用《指南》推荐方法，建立了各站年径流总量控制率与设计降雨量的对应关系。随着设计降雨量的增加，各站年径流总量控制率呈对数形式增加，即年径流总量控制率在80%以下时，设计降雨量增加趋势明显，控制率达90%之后，设计降雨量增加趋势减缓。推算的沙坪坝、北碚、渝北和巴南站60%、70%、75%、80%、85%年径流总量控制率对应的设计降雨量较《指南》中的偏大，而巴南站的则相反。

(2)重庆市主城区降雨量年内分布差异较大，主要集中于4-10月，占全年降水量的85.5%。根据1981-2018年4-10月日降水数据，优化各站年径流总量控制率对应的设计降雨量，与优化前的相比，各站设计降雨量均增大，径流控制目标更为严格。

(3)重庆市主城区地形复杂，降水局地特征明显，根据降水空间分布特征和从城市建设规划和使用上的方便角度，优化了各站年径流总量控制率指标的使用范围：渝北站计算的年径流总量控制率适用于嘉陵江和长江以北的区域，沙坪坝站计算的年径流总量控制率适用于嘉陵江和长江之间的区域，巴南站计算的年径流总量控制率适用于长江以南区域，北碚站计算的年径流总量控制率不推荐使用。