摘要：通過構(gòu)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(shù)。下墊面徑流系數(shù)分析結(jié)果顯示：城市道路平均徑流系數(shù)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(zhì)的城市道路具有更強(qiáng)的滲透性，其粗孔隙對水流具有較強(qiáng)的吸收能力。降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度是影響下墊面徑流系數(shù)的關(guān)鍵因素。降雨歷時(shí)對6種非滲透下墊面徑流系數(shù)的影響均很顯著，尤其是降雨初始20 min的時(shí)段，徑流系數(shù)快速上升，最多超出起始4倍以上;降雨強(qiáng)度的增加勢必引起產(chǎn)流時(shí)間縮短，加劇其對徑流系數(shù)的影響，也使其與徑流系數(shù)的相關(guān)性顯著高于降雨歷時(shí)。

　　關(guān)鍵詞：城市;非滲透下墊面;徑流系數(shù);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(jìn)程的不斷推進(jìn)，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(tǒng)帶來了不利影響。徑流系數(shù)是解析降雨量和徑流量關(guān)系的重要參數(shù)，其對流域徑流總量、徑流峰值流量、流量過程線和非點(diǎn)源污染物總量的解析均起著重要作用。徑流系數(shù)主要分為2類[：1)根據(jù)降雨變化推算徑流流量所使用的流量徑流系數(shù)，主要是在設(shè)計(jì)排水管道時(shí)用于確定最大流量，以便確定設(shè)計(jì)管道的尺寸：2)根據(jù)降雨總量推算徑流總量(體積)所采用的雨量徑流系數(shù)。

　　雨水徑流主要受到降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、前期晴天數(shù)、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(fā)流域、開發(fā)流域以及自然流域等不同區(qū)域，所產(chǎn)生的徑流量、峰值流量以及產(chǎn)流時(shí)間均差異顯著。一般來說，未受人為擾動(dòng)的區(qū)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(zhuǎn)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(shù)(RC)。

　　截至目前，鮮有同時(shí)研究6種城市非滲透下墊面徑流系數(shù)的報(bào)道。本研究以廣場、建筑與小區(qū)、城市道路、停車場、學(xué)校和人行道等城區(qū)代表性非滲透下墊面為研究對象，應(yīng)用自主開發(fā)的人工降雨系統(tǒng)和徑流采集裝置，對比分析不同下墊面的徑流系數(shù)變化特征，為城市雨洪控制及雨水利用的后續(xù)研究提供借鑒。

　　1材料與方法

　　1.1 模擬試驗(yàn)裝置構(gòu)建

　　人工模擬降雨系統(tǒng)主要由供水系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)3部分組成，降雨面積設(shè)計(jì)為6m2(2 mx3m)。降雨系統(tǒng)中選用威樂離心泵MHI204，最大揚(yáng)程可達(dá)43 m，遠(yuǎn)高于降雨系統(tǒng)運(yùn)行所需的最大壓力0.335 MPa.泵流量可達(dá)2.5 m，/h，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)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，F(xiàn)ulliet WF等實(shí)心噴頭，可以使模擬降雨更接近天然降雨特征。在考慮重復(fù)利用等經(jīng)濟(jì)因素下，本降雨系統(tǒng)中選擇了Fulliet實(shí)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，F(xiàn)ulljet噴頭在距離地面2.4 m以上時(shí)，最接近實(shí)際雨滴的撞擊速度。考慮到安裝和使用的便捷性，試驗(yàn)中采用2.5m高度。為了實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)如圖1所示。

　　1.2 樣方法確定

　　試驗(yàn)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(jìn)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(qū)，利用了現(xiàn)狀雨水口進(jìn)行徑流收集，操作簡便。此外，該裝置還可利用蓄水槽進(jìn)行流量測定。

　　1.3下墊面選擇

　　廣場、建筑與小區(qū)、城市道路、停車場、學(xué)校和人行道是城區(qū)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(xué)合理，在選擇試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)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(qū)域較為規(guī)則;3)雨水口附近便于搭建人工降雨系統(tǒng)。試驗(yàn)點(diǎn)具體情況見表1

　　1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　人工模擬降雨設(shè)置3種降雨強(qiáng)度：10 mm/h(A雨強(qiáng))、39 mm/h(B雨強(qiáng))、53 mm/h(C雨強(qiáng))，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(gè)下墊面開展3種降雨強(qiáng)度的試驗(yàn)，共計(jì)18場次。為了達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流的目的，每次模擬降雨試驗(yàn)均持續(xù)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(shù)7d以上的條件開展人工模擬降雨試驗(yàn)，從而排除了下墊面濕度帶來的干擾。在人工降雨試驗(yàn)中，需在產(chǎn)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(jì)用于雨量記錄，記錄頻率為1min.

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

　　在降雨區(qū)內(nèi)每1 m2均勻布置1個(gè)500 mlL.燒杯，共6個(gè)燒杯，降雨歷時(shí)1 h，分別進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。通過該試驗(yàn)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(qiáng)：AVEDEV為雨強(qiáng)平均絕對偏差。此外，實(shí)驗(yàn)中將6組噴頭接于1個(gè)帶刻度的圓柱形聚乙烯桶內(nèi)，確定單次降雨的降雨強(qiáng)度，從而校驗(yàn)降雨穩(wěn)定性(SD)。

　　1.5 數(shù)據(jù)分析

　　2結(jié)果與討論

　　2.1模擬裝置效果校驗(yàn)

　　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(xù)試驗(yàn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性具有重要意義。已有研究對人工降雨系統(tǒng)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(qiáng)度下，6個(gè)測試點(diǎn)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(dá)到設(shè)計(jì)要求且平均U1值(A：90.47%，B：91.01%，C：93.67%)高于其他報(bào)道[0-2。從圖3a中可發(fā)現(xiàn)：較小雨強(qiáng)下的均勻度略低于較高雨強(qiáng)，這主要是由于小雨強(qiáng)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(fù)的降雨事件中，降雨穩(wěn)定性S1值均達(dá)到95%以上(圖3b)。以上結(jié)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(qiáng)度是可行的。

　　2.2 下墊面類型對徑流系數(shù)的影響

　　當(dāng)人工降雨期間達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)，其徑流系數(shù)也基本達(dá)到穩(wěn)定(圖4)。通過對比穩(wěn)定產(chǎn)流下不同下墊面徑流系數(shù)(圖5)可以發(fā)現(xiàn)“城市道路”下墊面在較低雨強(qiáng)(A雨強(qiáng))下的徑流系數(shù)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(guān)。

　　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(qiáng)，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(shù)累計(jì)曲線(圖6)結(jié)果同樣顯示了“城市道路”整體徑流系數(shù)偏低的情況。而在較高雨強(qiáng)(B、C雨強(qiáng))下，下墊面對徑流系數(shù)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(shù)雖有差異，但整體數(shù)值范圍普遍較高[5，1。在已有研究中，劉蘭嵐在對SCS模型進(jìn)行參數(shù)校驗(yàn)時(shí)，對于城市道路、建筑物和工業(yè)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(chǎn)流效能均處于高位，且差異性不大，這也與本文的研究結(jié)果相近。但“城市道路”的徑流系數(shù)在降雨初期20 min之內(nèi)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(qiáng)度下，間隙水快速飽和，進(jìn)而造成徑流系數(shù)快速上升。盡管，通過下墊面低影響開發(fā)技術(shù)、城市綠地建設(shè)等方式可以轉(zhuǎn)變現(xiàn)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(shù)，但已有研究發(fā)現(xiàn)7 即使在土壤環(huán)境中，土壤濕潤度對徑流系數(shù)快速上升的影響并不顯著。因此，建立灰綠設(shè)施相結(jié)合的城市雨水系統(tǒng)，將成為從根本上減緩城市下墊面徑流系數(shù)在降雨過程中快速提升的有效措施。

　　2.3降雨歷時(shí)對徑流系數(shù)的影響根據(jù)圖4和表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：徑流系數(shù)隨著降雨歷時(shí)的增加而增加。在較低的降雨強(qiáng)度 A( 平均9. 66 mm / h) 下，徑流系數(shù)在不同降雨歷時(shí)下變化幅度較大，為 0. 18 ～ 0. 90，其中最顯著的變化出現(xiàn)在降雨初期 20 min 之內(nèi)，20 min 之后徑流系數(shù)的變化趨于平穩(wěn)。在較高的降雨強(qiáng)度B(平均38.7 mm/h)和C(平均53 mm/h)條件下，降雨歷時(shí)對徑流系數(shù)的影響整體較小，其主要影響分布在降雨初期10 min之內(nèi)的時(shí)段，10 min后徑流系數(shù)的變化趨于平穩(wěn)。武晟[1]在12.6 mm/h的平均降雨強(qiáng)度下對水泥路面的徑流系數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)流5min時(shí)的徑流系數(shù)為0.44，這與本研究結(jié)果相近。此外，本研究中徑流系統(tǒng)隨著降雨歷時(shí)變化的擬合曲線較為符合冪指數(shù)型方程，即y=B+Ae"，式中：y為徑流系數(shù)，x為降雨歷時(shí)。這也說明，以上6種非滲透下墊面徑流系數(shù)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(diǎn)。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(jìn)一步說明降雨初期徑流的危害性。

　　降雨歷時(shí)與“廣場”下墊面徑流系數(shù)之間的相關(guān)性均低于其他下墊面(圖8)，說明降雨歷程推進(jìn)對“廣場”下墊面產(chǎn)流的影響相對較小“廣場”的功能結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(yùn)車、餐飲)的影響較多，因此徑流系統(tǒng)更易產(chǎn)生波動(dòng)。

　　2.4降雨強(qiáng)度對徑流系數(shù)的影響

　　降雨強(qiáng)度對徑流系數(shù)的影響較為顯著(圖4和表2)(P<0.05)，且降雨強(qiáng)度與不同下墊面徑流系數(shù)的相關(guān)性要顯著高于降雨歷時(shí)與其之間的相關(guān)性(見圖8，除學(xué)校外)。由表2可發(fā)現(xiàn)：較小的降雨強(qiáng)度(A雨強(qiáng))下，60 min時(shí)的下墊面徑流系數(shù)為0.870.03，而較高的降雨強(qiáng)度(B.C雨強(qiáng))下，平均徑流系數(shù)可達(dá)到0.96以上，高于A雨強(qiáng)條件下的最高徑流系數(shù)值，此時(shí)幾乎達(dá)到全部產(chǎn)流。而在短時(shí)降雨(5 min)內(nèi)，較小的降雨強(qiáng)度(A雨強(qiáng))下，徑流系數(shù)只有0.36±0.09，與B、C雨強(qiáng)下的徑流系數(shù)差異更為顯著。郭禹含等[1]研究發(fā)現(xiàn)：降雨強(qiáng)度越高，非滲透下墊面的平均徑流系數(shù)就越大，這主要是由于較低降雨強(qiáng)度下的徑流匯水時(shí)間要遠(yuǎn)大于高雨強(qiáng)下的匯水時(shí)間。而長時(shí)間的匯流勢必引起徑流下滲和蒸發(fā)，造成初損量增加"，最終導(dǎo)致低雨強(qiáng)下的徑流損失。

　　3結(jié)論

　　1)設(shè)計(jì)了1套便攜式人工降雨模擬系統(tǒng)，降雨均勻度達(dá)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(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的降雨強(qiáng)度，其穩(wěn)定性達(dá)到95%以上。

　　2)開發(fā)了1套降雨徑流采集系統(tǒng)，即通過徑流采集漏斗實(shí)現(xiàn)了徑流的匯流，并通過徑流收集桶的放置與提升實(shí)現(xiàn)了徑流的收集與棄流。此外，該裝置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)徑流采集和流量測定2項(xiàng)功能。

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

　　4)降雨強(qiáng)度的增加引起了產(chǎn)流時(shí)間的縮短，因此，較小降雨強(qiáng)度(9.66 mm/h)下的平穩(wěn)產(chǎn)流時(shí)間為20 min，降雨強(qiáng)度高于38.7 mm/h時(shí)的平穩(wěn)產(chǎn)流時(shí)間為10 min，這也加劇了其對徑流系數(shù)的影響;在較小的降雨強(qiáng)度(9.66 mm/h)下，降雨1h時(shí)的徑流系數(shù)為0.87±0.03，短時(shí)降雨5min時(shí)為0.36±0.09;而較大雨強(qiáng)( 38. 7 mm / h) 下的平均徑流系數(shù)達(dá)到0. 96 以上。此外，降雨強(qiáng)度同徑流系數(shù)的相關(guān)性要顯著高于降雨歷時(shí)與其之間的相關(guān)性。

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文章名稱： 基于新型徑流采集方法的城市不同非滲透下墊面徑流系數(shù)解析

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