基于新型径流采集方法的城市不同非渗透下垫面径流系数解析

　　摘要：通过构建人工模拟降雨与下垫面径流收集体系，解析城市不同非渗透下垫面径流系数。下垫面径流系数分析结果显示：城市道路平均径流系数为0.82，低于其他非渗透下垫面(0.87~0.89)，这主要是由于沥青材质的城市道路具有更强的渗透性，其粗孔隙对水流具有较强的吸收能力。降雨历时和降雨强度是影响下垫面径流系数的关键因素。降雨历时对6种非渗透下垫面径流系数的影响均很显著，尤其是降雨初始20 min的时段，径流系数快速上升，最多超出起始4倍以上;降雨强度的增加势必引起产流时间缩短，加剧其对径流系数的影响，也使其与径流系数的相关性显著高于降雨历时。

　　关键词：城市;非渗透下垫面;径流系数;径流采集;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

　　随着我国城市化进程的不断推进，非渗透下垫面比例越来越高，随之造成雨水径流量的不断增加，给城市防洪排涝系统带来了不利影响。径流系数是解析降雨量和径流量关系的重要参数，其对流域径流总量、径流峰值流量、流量过程线和非点源污染物总量的解析均起着重要作用。径流系数主要分为2类[：1)根据降雨变化推算径流流量所使用的流量径流系数，主要是在设计排水管道时用于确定最大流量，以便确定设计管道的尺寸：2)根据降雨总量推算径流总量(体积)所采用的雨量径流系数。

　　雨水径流主要受到降雨强度、降雨历时、前期晴天数、土地利用类型以及地理特征(坡度、坡度类型和非渗透性)的影响。在未开发流域、开发流域以及自然流域等不同区域，所产生的径流量、峰值流量以及产流时间均差异显著。一般来说，未受人为扰动的区域具有较高雨水滞留能力，且峰值径流量也较小24。而非渗透下垫面(如停车场、公路)几乎能将所有的降雨量转化成径流量。因此，各类下垫面的非渗透度(R，%)将显著影响降雨径流系数(RC)。

　　截至目前，鲜有同时研究6种城市非渗透下垫面径流系数的报道。本研究以广场、建筑与小区、城市道路、停车场、学校和人行道等城区代表性非渗透下垫面为研究对象，应用自主开发的人工降雨系统和径流采集装置，对比分析不同下垫面的径流系数变化特征，为城市雨洪控制及雨水利用的后续研究提供借鉴。

　　1材料与方法

　　1.1 模拟试验装置构建

　　人工模拟降雨系统主要由供水系统、喷洒系统、调节系统3部分组成，降雨面积设计为6m2(2 mx3m)。降雨系统中选用威乐离心泵MHI204，最大扬程可达43 m，远高于降雨系统运行所需的最大压力0.335 MPa.泵流量可达2.5 m，/h，远大于设计降雨所需的最大流量Q=0.33 m，/h。袁爱萍从雨滴降落速度、撞击地面角度、雨滴大小分布及喷洒间歇性等方面筛选出Veejet，Fulliet WF等实心喷头，可以使模拟降雨更接近天然降雨特征。在考虑重复利用等经济因素下，本降雨系统中选择了Fulliet实心喷头，孔径分别为0.3，1.0，1.5 mn 3类。袁爱萍的研究表明，Fulljet喷头在距离地面2.4 m以上时，最接近实际雨滴的撞击速度。考虑到安装和使用的便捷性，试验中采用2.5m高度。为了实现喷洒的均匀性，本装置每1 m2安装1组喷头，共需6组。具体装置设计如图1所示。

　　1.2 样方法确定

　　试验中选择在雨水口安装径流采集漏斗(图2a)，然后用径流收集桶(图2b)进行径流收集，操作过程如图 2c 所示。该采样方法充分利用了下垫面本身坡度形成的汇水区，利用了现状雨水口进行径流收集，操作简便。此外，该装置还可利用蓄水槽进行流量测定。

　　1.3下垫面选择

　　广场、建筑与小区、城市道路、停车场、学校和人行道是城区代表性的非渗透下垫面，占城市下垫面比例高。为了使本研究更为科学合理，在选择试验点时遵循以下3条原则：1)周边无绿化或裸露土壤;2)雨水口的汇水区域较为规则;3)雨水口附近便于搭建人工降雨系统。试验点具体情况见表1

　　1.4 试验设计

　　人工模拟降雨设置3种降雨强度：10 mm/h(A雨强)、39 mm/h(B雨强)、53 mm/h(C雨强)，分别代表上海市大雨、1年一遇暴雨和5年一遇暴雨的降雨特征2。研究中，在6个下垫面开展3种降雨强度的试验，共计18场次。为了达到稳定产流的目的，每次模拟降雨试验均持续1h以上。

　　刘兰岚研究表明：5 d以上未降雨的情况可代表下垫面干旱，因此本研究中选择前期晴天数7d以上的条件开展人工模拟降雨试验，从而排除了下垫面湿度带来的干扰。在人工降雨试验中，需在产流后第5，10，20，30，40，50，60 min记录累积径流量。在下垫面中心处放置颠倒式雨量计用于雨量记录，记录频率为1min.

　　本研究中，通过分析降雨强度、降雨均匀度及降雨稳定性在不同条件下的变化特征对人工模拟降雨装置进行校验。各组试验中泵压恒定为0.3 MPa.

　　在降雨区内每1 m2均匀布置1个500 mlL.烧杯，共6个烧杯，降雨历时1 h，分别进行3次平行试验。通过该试验可分析降雨均匀度(U)，公式为：UI =(1-

　　AVEDEV/X)x100%。式中：X为平均雨强：AVEDEV为雨强平均绝对偏差。此外，实验中将6组喷头接于1个带刻度的圆柱形聚乙烯桶内，确定单次降雨的降雨强度，从而校验降雨稳定性(SD)。

　　1.5 数据分析

　　2结果与讨论

　　2.1模拟装置效果校验

　　降雨均匀度能够较好地反映一场降雨的均匀性，较高的均匀度对后续试验的稳定性和准确性具有重要意义。已有研究对人工降雨系统的均匀性开展定量分析：高小梅等[1研制的针头式降雨模拟器的降雨均匀度在85%以上：陈文亮等11研制的多喷头降雨模拟器的降雨均匀度在80%以上：武晟[1]使用的喷头式降雨模拟器的降雨均匀度为72%~99%。本研究中，A、B.C 3类降雨强度下，6个测试点的降雨均匀度均在90%以上(图3a)，因此，本研究中采用的降雨模拟器达到设计要求且平均U1值(A：90.47%，B：91.01%，C：93.67%)高于其他报道[0-2。从图3a中可发现：较小雨强下的均匀度略低于较高雨强，这主要是由于小雨强使用的喷头孔径较小，雨滴下落速度较慢，使其易受空气气流的影响而造成能量损耗。在3次重复的降雨事件中，降雨稳定性S1值均达到95%以上(图3b)。以上结果说明，在保持泵压

　　(0.3 MPa)恒定的情况下，通过打开不同孔径组合的喷头来模拟不同的降雨强度是可行的。

　　2.2 下垫面类型对径流系数的影响

　　当人工降雨期间达到稳定产流时，其径流系数也基本达到稳定(图4)。通过对比稳定产流下不同下垫面径流系数(图5)可以发现“城市道路”下垫面在较低雨强(A雨强)下的径流系数显著低于其他下垫面，这可能与城市道路路面的沥青材料存在有关。

　　已有研究显示[3.1：沥青路面比水泥下垫面的孔隙更粗，且其具有更高的粗糙度。因此，沥青路面的渗透性相对较强，且对水流有一定的吸收能力，消耗了少量的雨水径流量。径流系数累计曲线(图6)结果同样显示了“城市道路”整体径流系数偏低的情况。而在较高雨强(B、C雨强)下，下垫面对径流系数的影响并不显著(P>0.05)，这也说明6种类型的城市非渗透下垫面的径流系数虽有差异，但整体数值范围普遍较高[5，1。在已有研究中，刘兰岚在对SCS模型进行参数校验时，对于城市道路、建筑物和工业用地等非渗透下垫面CN的取值均为98，即表示非渗透下垫面的产流效能均处于高位，且差异性不大，这也与本文的研究结果相近。但“城市道路”的径流系数在降雨初期20 min之内的变化速率(0.0083

　　min")要显著高于其他下垫面，这从另一方面说明，

　　“城市道路”的渗透性仍然较为有限，从而使其在一定的降雨强度下，间隙水快速饱和，进而造成径流系数快速上升。尽管，通过下垫面低影响开发技术、城市绿地建设等方式可以转变现状非渗透下垫面占比较高的情况，有效降低下垫面径流系数，但已有研究发现7 即使在土壤环境中，土壤湿润度对径流系数快速上升的影响并不显著。因此，建立灰绿设施相结合的城市雨水系统，将成为从根本上减缓城市下垫面径流系数在降雨过程中快速提升的有效措施。

　　2.3降雨历时对径流系数的影响根据图4和表2实验结果可知：径流系数随着降雨历时的增加而增加。在较低的降雨强度 A( 平均9. 66 mm / h) 下，径流系数在不同降雨历时下变化幅度较大，为 0. 18 ～ 0. 90，其中最显著的变化出现在降雨初期 20 min 之内，20 min 之后径流系数的变化趋于平稳。在较高的降雨强度B(平均38.7 mm/h)和C(平均53 mm/h)条件下，降雨历时对径流系数的影响整体较小，其主要影响分布在降雨初期10 min之内的时段，10 min后径流系数的变化趋于平稳。武晟[1]在12.6 mm/h的平均降雨强度下对水泥路面的径流系数进行分析发现，产流5min时的径流系数为0.44，这与本研究结果相近。此外，本研究中径流系统随着降雨历时变化的拟合曲线较为符合幂指数型方程，即y=B+Ae"，式中：y为径流系数，x为降雨历时。这也说明，以上6种非渗透下垫面径流系数在降雨初期的变化均较为突出，这也是城市径流量削减或削峰措施主要面临的难点。不同下垫面径流中TSS含量的变化趋势见图7。可知：降雨初期TSS浓度显著高于降雨中后期，其中“城市道路”的TSS浓度显著高于其他下垫面，这进一步说明降雨初期径流的危害性。

　　降雨历时与“广场”下垫面径流系数之间的相关性均低于其他下垫面(图8)，说明降雨历程推进对“广场”下垫面产流的影响相对较小“广场”的功能结构较为复杂，其下垫面受众多外在不确定因素(人流、商铺、小商贩、小型货运车、餐饮)的影响较多，因此径流系统更易产生波动。

　　2.4降雨强度对径流系数的影响

　　降雨强度对径流系数的影响较为显著(图4和表2)(P<0.05)，且降雨强度与不同下垫面径流系数的相关性要显著高于降雨历时与其之间的相关性(见图8，除学校外)。由表2可发现：较小的降雨强度(A雨强)下，60 min时的下垫面径流系数为0.870.03，而较高的降雨强度(B.C雨强)下，平均径流系数可达到0.96以上，高于A雨强条件下的最高径流系数值，此时几乎达到全部产流。而在短时降雨(5 min)内，较小的降雨强度(A雨强)下，径流系数只有0.36±0.09，与B、C雨强下的径流系数差异更为显著。郭禹含等[1]研究发现：降雨强度越高，非渗透下垫面的平均径流系数就越大，这主要是由于较低降雨强度下的径流汇水时间要远大于高雨强下的汇水时间。而长时间的汇流势必引起径流下渗和蒸发，造成初损量增加"，最终导致低雨强下的径流损失。

　　3结论

　　1)设计了1套便携式人工降雨模拟系统，降雨均匀度达到90%以上：在泵压恒定的条件下，通过不同孔径喷头的开闭实现了稳定的降雨强度，其稳定性达到95%以上。

　　2)开发了1套降雨径流采集系统，即通过径流采集漏斗实现了径流的汇流，并通过径流收集桶的放置与提升实现了径流的收集与弃流。此外，该装置可同时实现径流采集和流量测定2项功能。

　　3)降雨历时对各类非渗透下垫面(广场、城市道路、建筑与小区、停车场、学校、人行道)径流系数的影响均很显著，尤其是在降雨初期20 min以内的时段，径流系数快速上升，最多超出4倍以上，其中“城市道路”径流系数上升速率最快。

　　4)降雨强度的增加引起了产流时间的缩短，因此，较小降雨强度(9.66 mm/h)下的平稳产流时间为20 min，降雨强度高于38.7 mm/h时的平稳产流时间为10 min，这也加剧了其对径流系数的影响;在较小的降雨强度(9.66 mm/h)下，降雨1h时的径流系数为0.87±0.03，短时降雨5min时为0.36±0.09;而较大雨强( 38. 7 mm / h) 下的平均径流系数达到0. 96 以上。此外，降雨强度同径流系数的相关性要显著高于降雨历时与其之间的相关性。

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