摘要：通過構建人工模擬降雨與下墊面徑流收集體系，解析城市不同非滲透下墊面徑流系數。下墊面徑流系數分析結果顯示：城市道路平均徑流系數為0.82，低于其他非滲透下墊面(0.87~0.89)，這主要是由于瀝青材質的城市道路具有更強的滲透性，其粗孔隙對水流具有較強的吸收能力。降雨歷時和降雨強度是影響下墊面徑流系數的關鍵因素。降雨歷時對6種非滲透下墊面徑流系數的影響均很顯著，尤其是降雨初始20 min的時段，徑流系數快速上升，最多超出起始4倍以上;降雨強度的增加勢必引起產流時間縮短，加劇其對徑流系數的影響，也使其與徑流系數的相關性顯著高于降雨歷時。

　　關鍵詞：城市;非滲透下墊面;徑流系數;徑流采集;人工降雨

　　Abstract: By constructing the artificial rainfall system and the collection system of underlying surface runoff, the runoff coefficients of different impervious underlying surface in the city was analyzed. The analysis results of runoff coefficients of underlving surface showed that the average runoff coefficient of urban road was 0. 82, which was lower than that of other the non permeable underlving surface (0.87 ~0. 89). This was mainly due to the stronger permeability of urban road made of asphalt material and the strong absorption capacity of its coarse pores to water flow. Rainfall duration and intensity were the key factors affecting runoff coefficient of the underlying surface. The influence of rainfall duration on runoff coefficient of six non permeable underlying surfaces was significant, especially in the initial 20 minutes of rainfall, and the runoff coefficient rise rapidly, which was more than 4 times of the initial value at most; the increase of rainfall intensity was bound to shorten the runoff production time, intensify its impact on runoff coefficient, and make its correlation with runoff coefficient significantly higher than rainfall duration

　　Keywords: urban; impervious underlying surface ; runoff coefficient; runoff collection ; artificial rainfal

　　0 引言

　　隨著我國城市化進程的不斷推進，非滲透下墊面比例越來越高，隨之造成雨水徑流量的不斷增加，給城市防洪排澇系統帶來了不利影響。徑流系數是解析降雨量和徑流量關系的重要參數，其對流域徑流總量、徑流峰值流量、流量過程線和非點源污染物總量的解析均起著重要作用。徑流系數主要分為2類[：1)根據降雨變化推算徑流流量所使用的流量徑流系數，主要是在設計排水管道時用于確定最大流量，以便確定設計管道的尺寸：2)根據降雨總量推算徑流總量(體積)所采用的雨量徑流系數。

　　雨水徑流主要受到降雨強度、降雨歷時、前期晴天數、土地利用類型以及地理特征(坡度、坡度類型和非滲透性)的影響。在未開發流域、開發流域以及自然流域等不同區域，所產生的徑流量、峰值流量以及產流時間均差異顯著。一般來說，未受人為擾動的區域具有較高雨水滯留能力，且峰值徑流量也較小24。而非滲透下墊面(如停車場、公路)幾乎能將所有的降雨量轉化成徑流量。因此，各類下墊面的非滲透度(R，%)將顯著影響降雨徑流系數(RC)。

　　截至目前，鮮有同時研究6種城市非滲透下墊面徑流系數的報道。本研究以廣場、建筑與小區、城市道路、停車場、學校和人行道等城區代表性非滲透下墊面為研究對象，應用自主開發的人工降雨系統和徑流采集裝置，對比分析不同下墊面的徑流系數變化特征，為城市雨洪控制及雨水利用的后續研究提供借鑒。

　　1材料與方法

　　1.1 模擬試驗裝置構建

　　人工模擬降雨系統主要由供水系統、噴灑系統、調節系統3部分組成，降雨面積設計為6m2(2 mx3m)。降雨系統中選用威樂離心泵MHI204，最大揚程可達43 m，遠高于降雨系統運行所需的最大壓力0.335 MPa.泵流量可達2.5 m，/h，遠大于設計降雨所需的最大流量Q=0.33 m，/h。袁愛萍從雨滴降落速度、撞擊地面角度、雨滴大小分布及噴灑間歇性等方面篩選出Veejet，Fulliet WF等實心噴頭，可以使模擬降雨更接近天然降雨特征。在考慮重復利用等經濟因素下，本降雨系統中選擇了Fulliet實心噴頭，孔徑分別為0.3，1.0，1.5 mn 3類。袁愛萍的研究表明，Fulljet噴頭在距離地面2.4 m以上時，最接近實際雨滴的撞擊速度?？紤]到安裝和使用的便捷性，試驗中采用2.5m高度。為了實現噴灑的均勻性，本裝置每1 m2安裝1組噴頭，共需6組。具體裝置設計如圖1所示。

　　1.2 樣方法確定

　　試驗中選擇在雨水口安裝徑流采集漏斗(圖2a)，然后用徑流收集桶(圖2b)進行徑流收集，操作過程如圖 2c 所示。該采樣方法充分利用了下墊面本身坡度形成的匯水區，利用了現狀雨水口進行徑流收集，操作簡便。此外，該裝置還可利用蓄水槽進行流量測定。

　　1.3下墊面選擇

　　廣場、建筑與小區、城市道路、停車場、學校和人行道是城區代表性的非滲透下墊面，占城市下墊面比例高。為了使本研究更為科學合理，在選擇試驗點時遵循以下3條原則：1)周邊無綠化或裸露土壤;2)雨水口的匯水區域較為規則;3)雨水口附近便于搭建人工降雨系統。試驗點具體情況見表1

　　1.4 試驗設計

　　人工模擬降雨設置3種降雨強度：10 mm/h(A雨強)、39 mm/h(B雨強)、53 mm/h(C雨強)，分別代表上海市大雨、1年一遇暴雨和5年一遇暴雨的降雨特征2。研究中，在6個下墊面開展3種降雨強度的試驗，共計18場次。為了達到穩定產流的目的，每次模擬降雨試驗均持續1h以上。

　　劉蘭嵐研究表明：5 d以上未降雨的情況可代表下墊面干旱，因此本研究中選擇前期晴天數7d以上的條件開展人工模擬降雨試驗，從而排除了下墊面濕度帶來的干擾。在人工降雨試驗中，需在產流后第5，10，20，30，40，50，60 min記錄累積徑流量。在下墊面中心處放置顛倒式雨量計用于雨量記錄，記錄頻率為1min.

　　本研究中，通過分析降雨強度、降雨均勻度及降雨穩定性在不同條件下的變化特征對人工模擬降雨裝置進行校驗。各組試驗中泵壓恒定為0.3 MPa.

　　在降雨區內每1 m2均勻布置1個500 mlL.燒杯，共6個燒杯，降雨歷時1 h，分別進行3次平行試驗。通過該試驗可分析降雨均勻度(U)，公式為：UI =(1-

　　AVEDEV/X)x100%。式中：X為平均雨強：AVEDEV為雨強平均絕對偏差。此外，實驗中將6組噴頭接于1個帶刻度的圓柱形聚乙烯桶內，確定單次降雨的降雨強度，從而校驗降雨穩定性(SD)。

　　1.5 數據分析

　　2結果與討論

　　2.1模擬裝置效果校驗

　　降雨均勻度能夠較好地反映一場降雨的均勻性，較高的均勻度對后續試驗的穩定性和準確性具有重要意義。已有研究對人工降雨系統的均勻性開展定量分析：高小梅等[1研制的針頭式降雨模擬器的降雨均勻度在85%以上：陳文亮等11研制的多噴頭降雨模擬器的降雨均勻度在80%以上：武晟[1]使用的噴頭式降雨模擬器的降雨均勻度為72%~99%。本研究中，A、B.C 3類降雨強度下，6個測試點的降雨均勻度均在90%以上(圖3a)，因此，本研究中采用的降雨模擬器達到設計要求且平均U1值(A：90.47%，B：91.01%，C：93.67%)高于其他報道[0-2。從圖3a中可發現：較小雨強下的均勻度略低于較高雨強，這主要是由于小雨強使用的噴頭孔徑較小，雨滴下落速度較慢，使其易受空氣氣流的影響而造成能量損耗。在3次重復的降雨事件中，降雨穩定性S1值均達到95%以上(圖3b)。以上結果說明，在保持泵壓

　　(0.3 MPa)恒定的情況下，通過打開不同孔徑組合的噴頭來模擬不同的降雨強度是可行的。

　　2.2 下墊面類型對徑流系數的影響

　　當人工降雨期間達到穩定產流時，其徑流系數也基本達到穩定(圖4)。通過對比穩定產流下不同下墊面徑流系數(圖5)可以發現“城市道路”下墊面在較低雨強(A雨強)下的徑流系數顯著低于其他下墊面，這可能與城市道路路面的瀝青材料存在有關。

　　已有研究顯示[3.1：瀝青路面比水泥下墊面的孔隙更粗，且其具有更高的粗糙度。因此，瀝青路面的滲透性相對較強，且對水流有一定的吸收能力，消耗了少量的雨水徑流量。徑流系數累計曲線(圖6)結果同樣顯示了“城市道路”整體徑流系數偏低的情況。而在較高雨強(B、C雨強)下，下墊面對徑流系數的影響并不顯著(P>0.05)，這也說明6種類型的城市非滲透下墊面的徑流系數雖有差異，但整體數值范圍普遍較高[5，1。在已有研究中，劉蘭嵐在對SCS模型進行參數校驗時，對于城市道路、建筑物和工業用地等非滲透下墊面CN的取值均為98，即表示非滲透下墊面的產流效能均處于高位，且差異性不大，這也與本文的研究結果相近。但“城市道路”的徑流系數在降雨初期20 min之內的變化速率(0.0083

　　min")要顯著高于其他下墊面，這從另一方面說明，

　　“城市道路”的滲透性仍然較為有限，從而使其在一定的降雨強度下，間隙水快速飽和，進而造成徑流系數快速上升。盡管，通過下墊面低影響開發技術、城市綠地建設等方式可以轉變現狀非滲透下墊面占比較高的情況，有效降低下墊面徑流系數，但已有研究發現7 即使在土壤環境中，土壤濕潤度對徑流系數快速上升的影響并不顯著。因此，建立灰綠設施相結合的城市雨水系統，將成為從根本上減緩城市下墊面徑流系數在降雨過程中快速提升的有效措施。

　　2.3降雨歷時對徑流系數的影響根據圖4和表2實驗結果可知：徑流系數隨著降雨歷時的增加而增加。在較低的降雨強度 A( 平均9. 66 mm / h) 下，徑流系數在不同降雨歷時下變化幅度較大，為 0. 18 ～ 0. 90，其中最顯著的變化出現在降雨初期 20 min 之內，20 min 之后徑流系數的變化趨于平穩。在較高的降雨強度B(平均38.7 mm/h)和C(平均53 mm/h)條件下，降雨歷時對徑流系數的影響整體較小，其主要影響分布在降雨初期10 min之內的時段，10 min后徑流系數的變化趨于平穩。武晟[1]在12.6 mm/h的平均降雨強度下對水泥路面的徑流系數進行分析發現，產流5min時的徑流系數為0.44，這與本研究結果相近。此外，本研究中徑流系統隨著降雨歷時變化的擬合曲線較為符合冪指數型方程，即y=B+Ae"，式中：y為徑流系數，x為降雨歷時。這也說明，以上6種非滲透下墊面徑流系數在降雨初期的變化均較為突出，這也是城市徑流量削減或削峰措施主要面臨的難點。不同下墊面徑流中TSS含量的變化趨勢見圖7?？芍航涤瓿跗赥SS濃度顯著高于降雨中后期，其中“城市道路”的TSS濃度顯著高于其他下墊面，這進一步說明降雨初期徑流的危害性。

　　降雨歷時與“廣場”下墊面徑流系數之間的相關性均低于其他下墊面(圖8)，說明降雨歷程推進對“廣場”下墊面產流的影響相對較小“廣場”的功能結構較為復雜，其下墊面受眾多外在不確定因素(人流、商鋪、小商販、小型貨運車、餐飲)的影響較多，因此徑流系統更易產生波動。

　　2.4降雨強度對徑流系數的影響

　　降雨強度對徑流系數的影響較為顯著(圖4和表2)(P<0.05)，且降雨強度與不同下墊面徑流系數的相關性要顯著高于降雨歷時與其之間的相關性(見圖8，除學校外)。由表2可發現：較小的降雨強度(A雨強)下，60 min時的下墊面徑流系數為0.870.03，而較高的降雨強度(B.C雨強)下，平均徑流系數可達到0.96以上，高于A雨強條件下的最高徑流系數值，此時幾乎達到全部產流。而在短時降雨(5 min)內，較小的降雨強度(A雨強)下，徑流系數只有0.36±0.09，與B、C雨強下的徑流系數差異更為顯著。郭禹含等[1]研究發現：降雨強度越高，非滲透下墊面的平均徑流系數就越大，這主要是由于較低降雨強度下的徑流匯水時間要遠大于高雨強下的匯水時間。而長時間的匯流勢必引起徑流下滲和蒸發，造成初損量增加"，最終導致低雨強下的徑流損失。

　　3結論

　　1)設計了1套便攜式人工降雨模擬系統，降雨均勻度達到90%以上：在泵壓恒定的條件下，通過不同孔徑噴頭的開閉實現了穩定的降雨強度，其穩定性達到95%以上。

　　2)開發了1套降雨徑流采集系統，即通過徑流采集漏斗實現了徑流的匯流，并通過徑流收集桶的放置與提升實現了徑流的收集與棄流。此外，該裝置可同時實現徑流采集和流量測定2項功能。

　　3)降雨歷時對各類非滲透下墊面(廣場、城市道路、建筑與小區、停車場、學校、人行道)徑流系數的影響均很顯著，尤其是在降雨初期20 min以內的時段，徑流系數快速上升，最多超出4倍以上，其中“城市道路”徑流系數上升速率最快。

　　4)降雨強度的增加引起了產流時間的縮短，因此，較小降雨強度(9.66 mm/h)下的平穩產流時間為20 min，降雨強度高于38.7 mm/h時的平穩產流時間為10 min，這也加劇了其對徑流系數的影響;在較小的降雨強度(9.66 mm/h)下，降雨1h時的徑流系數為0.87±0.03，短時降雨5min時為0.36±0.09;而較大雨強( 38. 7 mm / h) 下的平均徑流系數達到0. 96 以上。此外，降雨強度同徑流系數的相關性要顯著高于降雨歷時與其之間的相關性。

　　參考文獻

　　[1]唐寧遠，車伍，潘國慶，城市雨洪控制利用的雨水徑流系數分析[].中國給水排水，2009，25(22)：4-8.

　　[2]BLACKWELL M S A，HOGAN D V，MALTBY E.The use of conventionally and alternatively located buffer zones for the removal of nitrate from diffuse agricultural run-off[].Water Science and Technology，1999，39(12)：157-64.

　　[3]DELETIC A，MAKSIMOVIC C.Evaluation of Water QualityFactors in Storm Runoff from Paved Areas[J].Journal of Environmental Engineering，1998，124(9)：869-879，

　　[4]DILKS D W，HELFAND J S，BIERMAN JR V J，et al.Fielo application of a steadystate mass balance model for hydrophobic organic chemicals in an estuarine system[].Water Science&Technology，1993，28(8/9)：263-271.

　　[5]SANSALONE J，KORAN J，SMTTHSON J，et al.Physical characteristics of urban roadway solids transported during rainevents[].Journal of Environmental Engineering，1998，124(5)：427-440

　　[6]袁愛萍，美國人工降雨模擬設備的引進與應用[].北京水利，2004(6)：36-37.

　　[7]吳曉丹，上海中心城區暴雨積水機理分析[D].上海：華東師范大學，2012.

　　[8]劉蘭嵐，上海市中心城區土地利用變化對徑流的影響及其水環境效應研究[D].上海：華東師范大學，2007.

　　[9]SEN Z K.Instantaneous runoff coefficient variation and peak discharge estimation model[.Journal of Hydrologic Engineering，2008，13( 4) : 270-277.

　　[10]高小梅，李兆麟，賈雪，等，人工模擬降雨裝置的研制與應用D.輻射防護，2000，20(2)：86-90.

　　[11]陳文亮，唐克麗.SR型野外人工模擬降雨裝置D].水土保持研究，2000，(4)：106-10.

　　[12]武晟，西安市降雨特性分析和城市下墊面產匯流特性實驗研究[D].西安：西安理工大學，2004.

　　[13]李紅，傅智，水泥混凝土路面與瀝青路面粗集料技術指標的對比研究[J].公路，2005(11)：168-472.

　　[14]王小梅，北京地區街塵一徑流污染特征及潛在污染負荷估算[D].哈爾濱：東北林業大學，2011.

　　[15]郭禹含，王中根，姜愛華，等，濟南主城區不透水地表分布分析及其水文效應[].南水北調與水利科技，2020，87-96.

　　[16]王萌萌，劉文龍，申紅彬，城市不透水地表降雨徑流系數變化規律分析[D].山東水利，2019(9)：31-33.

　　[17]邵咸，潘文斌.城市不透水面與降雨徑流關系研究[].亞熱帶資源與環境報，2012，7(4)：20-27.

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