模拟降雨条件下城市下垫面径流系数变化规律

2022-11-01胡海波徐晓梅许洪娇

中国水土保持科学 2022年5期

燕超，胡海波，徐晓梅，程浩，许洪娇

(1.南京林业大学南方现代林业协同创新中心，210037，南京;2.江苏省水土保持与生态修复重点实验室，210037，南京)

城市化的高速发展，城市建筑密度增加、硬质铺装面积扩大以及城市绿地面积不断紧缩[1]，致使自然界的水呈现出相反的水文特征，导致“逢雨必涝、雨后即旱”的现象时常发生，这也引发了城市雨洪、水生态恶化、水资源紧缺、水环境污染、水安全缺乏保障等一系列问题[2-4]。

雨水径流过程对地表状况具有很高的敏感度，各种因素及其相互的作用，对径流的影响都不容忽视。国内外在研究中都考虑到了城市下垫面在城市产流过程中的影响，不同的下垫面在产流时，其径流量的产生、径流发生时间和径流系数已随之变化[3,5-8]。产流过程就是指在不同的气候条件和下垫面条件下，由于降水的发生从而发生径流的过程。这个过程受到下垫面特征和降雨特性及其耦合作用的影响[9]。国内研究多在采用不同性质的下垫面来拦截减缓、存蓄径流，达到减少城市径流的目的[2,3,6,10-13]。国外20世纪80年代开始研究径流的产流机制，并提出了诸多城市雨洪控制理论[14-17]。

笔者对城市典型下垫面(草地、植草砖、透水砖、细粒透水混凝土、粗粒透水混凝土、水泥混凝土和沥青混凝土)的产流特征进行研究，从下垫面特征、降雨强度和降雨历时3方面进行比较和分析，以确定这些因素对产流的影响和贡献。

1 研究区概况

研究区位于南京市白马镇，处于北亚热带向中亚热带的过渡区，四季分明，气候温和湿润、雨量充沛、光照充足、无霜期长、水热同季，年平均气温15.4 ℃，平均日照时间2 240 h，无霜期237 d，多年平均降雨量1 087.4 mm。位于南方红壤区，土层深厚，有机质含量高。

试验样地为坡度5°、坡向北、规格2 m×5 m的水量平衡场。场地外围埂用水泥抹面深入地下至不透水层，顶部高出地面15 cm；导流管半径5 cm，通过软管与水土流失自动监测系统进水口相连。径流小区内土壤自然沉降1 a，小区内分别铺上草地、植草砖、透水砖、颗粒粗细不同的新型混凝土材料和水泥混凝土。其中草地、植草砖提前铺设，径流小区中草长势良好。

2 研究方法

采用模拟降雨系统，设置30、60、80和120 mm/h 4个不同的降雨强度模拟自然降雨。径流小区内随机安放4个雨量筒，离地70 cm，测定降雨强度后取其平均值作为降雨强度。水量平衡场出水口连接水土流失自动监测仪，监测其径流情况。根据不同降雨强度产生的不同径流情况来分析各个不同下垫面的水文效应。

径流的产生机制主要有超渗产流和蓄满产流。为确保每次降雨的径流产生机制一致，每次试验前提前将试验地充分浸水至饱和状态，薄膜覆盖，静置24 h后进行实验。实验前在样地里随机取6个点量测土壤初始含水量。

主要实验方法采用对比法。分别进行30、60、80和100 mm/h降雨强度以模拟小雨、中雨、大雨和暴雨，监测其径流情况，观测对比不同降雨强度与不同下垫面条件下的径流发生时间、径流稳定时间和径流流速，最终分析降雨强度对下垫面水文效应的影响。

实验采用的下垫面铺装材料分别为草地、植草砖、透水砖、细粒透水混凝土、粗粒透水混凝土、水泥混凝土和沥青混凝土，分别代表不透水下垫面(沥青混凝土和水泥混凝土)、透水下垫面(草地、植草砖、透水砖、细粒透水混凝土、粗粒透水混凝土)。本次实验选用的下垫面材料见表1。

表1 不同下垫面类型的材料与特性

3 结果与分析

3.1 同一降雨强度下不同下垫面的径流系数

在城市水文效应的研究中，径流系数是分析降雨产流量的重要参数之一[18-19]。城市作为人工建造的区域，其下垫面具有诸多的复杂性和不确定性，因此其径流系数也相应呈现出复杂性与区域性。在此背景下，为探究在固定降雨历时的情况下不同下垫面对产流规律的影响，设置在降雨120 min的情况下，分别模拟草地、植草砖、透水砖、透水混凝土、粗粒透水混凝土、细粒透水混凝土、水泥混凝土和沥青混凝土的径流产生，结果如图1所示。

图1 不同下垫面类型的径流系数Fig.1 Runoff coefficients of different underlying surface types

如图1所示，在降雨强度、坡度都相同情况下，当降雨强度为30、60和80 mm/h时，不同城市下垫面的径流系数大小比较为：沥青混凝土>水泥混凝土>透水砖>细粒透水混凝土>粗粒透水混凝土>草地>植草砖。其中沥青混凝土和水泥混凝土径流系数接近1，说明当降雨发生时几乎无降水损失，径流转化率都在0.9以上。这2种下垫面几乎接近不透水材料。其次透水砖的径流系数也随降雨强度的增大由0.43变化到0.71，降雨发生时对雨水的调蓄功能明显强于沥青混凝土和水泥混凝土，降水发生时一部分水分就地入渗和存蓄。透水混凝土分为粗粒和细粒2种，从图2中可以看出，粗粒透水混凝土的径流系数小于细粒透水混凝土，主要由于粗粒透水混凝土的粒径大于细粒透水混凝土的粒径，同等承雨面积下，粗粒透水混凝土的孔隙度大于细粒透水混凝土，雨水下渗通道较多，孔隙持水量也大。同时，由于粒径的不同，其地面粗糙度也不同，粗糙的地面可以有效阻滞雨水的汇集，拦蓄雨水，增加雨水的流动行程，减缓径流速度[20-21]。

植草砖和草地的径流系数最小。当普通降雨时，这2种下垫面的径流系数只有0.2～0.3，说明有降雨发生时大多数的降水没有转化为径流流走。首先，植草砖和草地都属于城市可透水铺装下垫面，雨水可以直接到达土壤；其次地面植物的蒸腾作用，能够导致深层土壤干燥化，当降水发生时，提供了充足的雨水存蓄空间与储水条件；另外，植物对降雨的截留作用不容忽视，植物枝叶和植物根系对雨水的承接，吸附还有拦截，有效减小径流量和径流速度，使汇流时间增长，径流系数减小。如图2所示，当降雨强度达到100 mm/h时，草地的径流系数小于植草砖，说明在发生暴雨时，在上述几种城市下垫面中，草地对径流的调蓄作用最为突出。

3.2 降雨强度对径流系数的影响

实验发现，降雨强度的变化对城市透水铺装的产流影响较大，主要体现在径流系数变化方面，当降雨强度较小时，城市透水铺装的径流系数普遍较小；但当降雨强度增大时，城市透水铺装的径流系数呈较快上升趋势，除草地与植草砖外，其他透水铺装的径流系数均超过0.6，相比于不透水铺装(水泥混凝土和沥青混凝土)，仍可减少30%的径流产生。

如图2所示，当降雨强度设计为30、60、80和100 mm/h时，各类铺装的径流系数也发生较大的改变，尤其是城市硬质透水铺装，在低降雨强度(30 mm/h)下，对于径流的削减能力突出，径流系数在0.20～0.43之间，但随着降雨强度的增加，单位时间内的降雨量远超过雨水下渗量，产流量不断增大[22]，在暴雨强度下，各类透水铺装中最大径流系数达到0.71。值得注意的是，本研究发现传统的城市硬质铺装(水泥混凝土和沥青混凝土)的径流系数受降雨强度影响较小。主要是由于二者几乎属于不透水地面，当降雨发生时可以很快产生径流并且降水损失较少，所以径流系数与降雨强度变化关系不太明显，径流系数基本在0.9以上。

图2 不同下垫面类型下径流系数随降雨强度的变化Fig.2 Variation of runoff coefficient with rainfall intensity under different underlying surface types

在影响径流系数突变的降雨强度研究中发现受下垫面性质影响，不同下垫面径流系数发生突变的降雨强度存在差距。植被覆盖的下垫面(草地和植草砖)径流系数随降雨强度变化呈线性变化，无明显突变过程。硬质铺装中透水砖在降雨强度由30 mm/h 变化至60 mm/h时，径流系数发生较大的变化；细粒混凝土与粗粒混凝土在降雨强度<60 mm/h 于较低水平，降雨强度在60～80 mm/h时，径流系数变化增大。

为了进一步定量化研究降雨强度对不同下垫面径流系数的影响，本研究对每种下垫面径流系数变化增幅k进行量化，其中草地的k值最小，说明降雨强度的变化对草地的径流系数影响最小，草地的雨水下渗能力最好。其他几种下垫面的k值比较为细粒透水混凝土<粗粒混凝土<植草砖<透水砖。所以，得出在相同的降雨历时下，降雨强度变化对城市透水铺装径流系数的影响力为草地<细粒透水混凝土<粗粒混凝土<植草砖<透水砖。而径流系数与降雨强度大小呈正相关关系，是由于当降雨强度较大时，表层土壤在短时间内达到饱和状态，雨水来不及入渗便汇集形成径流。降雨强度越大，径流系数越大。

3.3 降雨历时对径流系数的影响

降雨发生时，径流系数随降雨历时改变，主要由于当降雨强度一定时，降雨时间的增加，导致降雨区域的降雨总量增加，降雨量的增加，土壤水分含量也急剧上升，必然带来水分下渗能力的下降。而且大量的降水也会带来地表雨水的积聚，此时地表粗糙度降低，径流的阻滞、调蓄作用也相应减小。所以设计不同下垫面条件、相同降雨强度、相同坡降情况下径流系数随降雨历时关系的实验。图3为7种下垫面在降雨强度(30 mm/h)和地面坡降(5°)不变的条件下，径流系数随降雨历时的变化曲线关系。

图3 不同下垫面类型的径流系数随降雨历时的变化Fig.3 Variation of runoff coefficient with rainfall duration under different underlying surface types

从图3可以看出，随着降雨历时的增加，透水下垫面的径流系数呈现出先快速增长后逐渐平缓的变化趋势。其中，草地与植草砖的变化趋势一致，都在降雨发生60 min中径流系数增幅减缓，且径流系数低于0.3，说明此时降雨量与下垫面下渗阻滞量趋于平衡，产生的径流也趋于稳定，这也证实了城市中以草地为主的绿地对内涝的缓解有着积极的作用。透水砖、粗粒透水混凝土和细粒透水混凝土在降雨发生40 min后径流系数增幅减缓，但整体增幅仍处于较高水平，但径流系数整体处于较低水平，这对城市内涝的预防有着积极的作用。

同一降雨强度条件下，水泥混凝土和沥青混凝土的径流系数明显高于其他5种下垫面。当降雨刚发生时，水泥混凝土和沥青混凝土就以极快的速度达到稳定值并稳定下来，径流系数增长速度越快，达到稳定的时间越短，相应的最大径流系数数值越大。这是由于水泥混凝土和沥青混凝土接近不透水面，下渗水分较少，降水可以很快汇集并产生地表径流。所以在一场降雨中，城市不透水下垫面的径流系数处于较高水平且随降雨历时的变化不明显。

与不透水下垫面相比，城市透水下垫面在一场降雨中的径流系数变化较为明显，无论是草地、植草砖、透水砖、细粒混凝土和粗粒混凝土，其径流系数在前20 min呈快速增长趋势，之后增长趋势减缓，但随着降雨历时的增长，径流系数的变化仍然较为明显。当降雨到一定时间，径流系数趋于平缓，说明此时的降雨速率与降雨量和土壤水分入渗速度等影响径流的因素达到平衡状态，但此时的径流系数接近0.3～0.5。所以，在一场降雨中，当降雨历时较短时，城市透水下垫面对于减缓城市地表径流有很大作用，随着降雨时间的增长，也将产生一定的径流，但其产生的径流仍小于城市不透水铺装产生的径流，对于缓解城市内涝具有积极作用。