王文華

(河北省唐山市陡河河道管理處，河北唐山063000)

1 工程概況

唐山市地處渤海灣中心地帶，河北省東部，中心城區(qū)主要包括路北區(qū)(含高新區(qū))、路南區(qū)(含南湖生態(tài)城)、開平區(qū)幾部分。中心區(qū)人口眾多，經(jīng)濟、體育、文化等公眾活動密集，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，社會的進步，人民生活水平的提高，群眾對城市河道需求從過去的“防汛、排澇、航運、供水”轉(zhuǎn)變?yōu)椤碍h(huán)境、景觀、資源、安全”。地表水作為唐山可利用水資源總量的一部分變得尤為重要。

2 中心區(qū)區(qū)地表水降水分析

2.1 統(tǒng)計參數(shù)的分析確定

對于選用的降水量系列(1956-2008年)，采用矩法計算降水量統(tǒng)計參數(shù)，再進行適線調(diào)整確定。矩法計算公式如下。

頻率曲線采用皮爾遜Ⅲ型曲線。

均值計算:采用矩法計算，在同步系列適線時，均值未進行調(diào)整。經(jīng)計算，唐山市中心區(qū)多年平均降水量為591.9 mm。

變差系數(shù)Cv值確定:第一次適線采用計算值，當點據(jù)擬合不好時，對Cv值進行適當調(diào)整，Cv值取0.30。偏差系數(shù)未調(diào)整，Cs/Cv值2.2。

2.2 多年平均降水量等值線圖的繪制

選擇資料質(zhì)量好、系列完整、面上分布均勻且能反映地形變化影響的雨量站作為繪制等值線圖的主要點據(jù)。繪制1956-2008年同步期的年降水量均值等值線圖，以反映多年平均降水量的地區(qū)分布規(guī)律。

根據(jù)地理位置、地形、氣候等自然因素，對等值線的分布、走向、彎曲情況及高值區(qū)、低值區(qū)的位置進行合理性檢查，并修正、修勻了線型。多年平均降水量等值線圖詳見圖。

市區(qū)降水量由北向南遞減，北部山丘區(qū)多年平均降水量在620 mm左右，到市區(qū)南部減少為580 mm左右。

圖1 唐山市區(qū)多年平均降水量等值圖

2.3 降水量的計算

經(jīng)計算，唐山市區(qū)多年平均降水量為591.9 mm，不同頻率 P=20%、50%、75%、95%降水量分別為 733.9、574.1、461.7、337.4 mm。

2.4 降水量的時空分布規(guī)律

2.4.1 降水量的年內(nèi)變化

市區(qū)降水量年分配很不均勻，汛期(6～9月)的降水量占全年的80%左右，個別豐水年降水更為集中，占90%以上。

2.4.2 降水量的年際變化

降水量受氣象和地形等因素的綜合影響，年際變化比較大。降水量年際變化的大小，可用變差系數(shù)或極值比(最大值與最小值之比)加以衡量。年降水量的CV值越大，極值比越大，年降水量變化越不均勻。年降水量變差系數(shù)在0.25～0.30之間變化，年最大降水量為1 022.3 mm，出現(xiàn)在1964年;年最小降水量為318.1 mm，出現(xiàn)在2002年，降水量極值比在3.2。各年降水量變化詳見圖2。

圖2 年降水量變化柱狀圖

在1956-2008年53年降水系列中，1956-1969年處于豐水期，其平均值為655.6 mm，是53年均值的1.11倍，1970-1979年處于豐水期，平均值618.4 mm，1980-1989年處于平水年，均值為580.6 mm，1990-1999年降水量減少為561.1 mm，2000-2008年均值為510.2 mm。從各年代降水量變化看，市區(qū)降水量呈減少趨勢。

3 地表水降水徑流變化

在城市中心區(qū)，人口高度集中，樓、堂、館、所密布，由道路及房屋等地面建筑物形成的不透水面積，占市區(qū)面積的比例較大，因而對降水產(chǎn)流造成較大的影響。由于城市區(qū)排水系統(tǒng)比較健全，形成管網(wǎng)化，由此促成地表徑流的匯流速度加快，匯流時間大大縮短，徑流系數(shù)明顯增大。因此，城市區(qū)地表徑流量的有關計算，需要通過試驗來尋求其降水徑流關系，產(chǎn)匯流參數(shù)及地表水自產(chǎn)水量。對于城市防洪、排澇、雨洪資料利用具有重要的作用。

唐山市中心區(qū)總面積為420 km2，其中路南、路北、開平區(qū)面積分別為 67、101、252 km2，建成區(qū)總面積 145 km2，其中道路硬化面積16.368 km2，占建成區(qū)總面積11.3%，建筑物等硬化面積64.09 km2，占建成區(qū)總面積44.2%，透水磚等弱硬化區(qū)5.8 km2，占建成區(qū)總面積4%，綠化面積58.725 km2，占建成區(qū)總面積40.5%。

城市化區(qū)下墊面類型的多樣化，不透水地磚、水泥地面、透水磚和草地等，使得徑流在時空上的變化越來越復雜。不同的下墊面條件對降水徑流的影響也不同，本次試驗采用實測法對城市化區(qū)的降水產(chǎn)流進行監(jiān)測，分析其變化規(guī)律，建立降水產(chǎn)流計算模型，計算城市化后市區(qū)徑流系數(shù)和徑流量。

3.1 降水徑流試驗

試驗在陡河河道設水位、流量監(jiān)測站3處，分別位于市區(qū)的河北橋、建華橋、越河橋，其中河北橋代表天然狀態(tài)監(jiān)測站，建華橋、越河橋，代表城市化區(qū)監(jiān)測站，設降水量監(jiān)測站2處;在青龍河設降水量、水位、流量監(jiān)測站各1處;在石榴河設水位、流量監(jiān)測站各1處，監(jiān)測站斷面位置詳見圖3。通過監(jiān)測資料，分析降水量、雨強、水位、流量相互關系。以8月19日降水過程為例進行分析。

6點20分開始降雨，10點30分至11點，30分鐘降雨量達28 mm，總降水量為45.4 mm，降雨歷時8小時，降水強度為5.7 mm/h，建華橋斷面，洪峰流量出現(xiàn)在12點50分，洪水歷時12 h。水位流量隨降雨變化過程詳見圖3。

圖3 建華橋斷面河道水位流量與降水變化過程線圖

越河橋斷面，洪峰流量出現(xiàn)在14點，比建華橋斷面晚1小時10分，洪水歷時近20 h，洪水歷時比建華橋斷面長。水位流量隨降雨變化過程詳見圖4。

圖4 越河橋斷面河道水位流量與降水變化過程線圖

3.2 城市化區(qū)降水徑流分析

通過實際監(jiān)測和計算，在建成區(qū)降雨量大于等于13 mm時，河道水位流量增加，產(chǎn)生地表徑流。降雨量在13～65 mm時，次降水徑流系數(shù)在0.106以上，最大可達0.476，次降水徑流深最小2.5 mm，最大可達21 mm。城市化區(qū)地表徑流與降水量、降水強度、硬化面積有明顯的關系。徑流深與降雨量的相關系數(shù)為0.47，平均降水強度的相關系數(shù)為0.42，與不透水面積比例的相關系數(shù)為0.79。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，建立次降雨產(chǎn)生的徑流深公式為:

R=0.664PⅠ0.821-3.75Ⅰ4.22-2.21

式中:R為為次降水徑流深，mm;P為次降水大于10 mm的降水量(10≤P＜100)，mm;Ⅰ為不透水面積比例(16%≤Ⅰ≤70%)。

城市化區(qū)自產(chǎn)徑流量的計算方法，首先計算出各區(qū)歷次降雨產(chǎn)生的徑流深，再累加成年徑流深，并由此形成現(xiàn)狀條件下某區(qū)的年徑流系列，推求出市區(qū)的多年平均年徑流量，即為市區(qū)現(xiàn)狀條件下的多年平均地表水資源量，對年徑流系列進行頻率計算，求得年徑流的統(tǒng)計參數(shù)及不同保證率下的地表水資源量。

對于次降水量大于等于100 mm時，降水徑流關系直接計算次降水徑流深。

R=0.489P-3.57

3.3 市區(qū)地表水資源量的計算及其成果

3.3.1 分區(qū)面積

依據(jù)上述分區(qū)方法，各計算分區(qū)面積見表1。

表1 計算分區(qū)面積統(tǒng)計表

3.3.2 降水量

路南、路北區(qū)使用市區(qū)降水資料，開平區(qū)使用陡河水庫站的降水資料，統(tǒng)一采用1956-2008年53年系列降水資料，城市化區(qū)對進行次降水量分割，次降水量大于10 mm者參加統(tǒng)計計算，對于自然區(qū)采用全部降水進行計算。

3.3.3 自然區(qū)地表水計算

自然區(qū)分兩個大區(qū)，河北橋以北采用陡河水庫站降水徑流關系計算徑流深，河北橋以南采用唐山站降水徑流關系計算徑流深。路南、路北區(qū)自然區(qū)多年平均徑流深60.7 mm，徑流量0.043 4億 m3，開平區(qū)多年平均徑流深77.0 mm，徑流量0.147 4億 m3。

3.3.4 城市化區(qū)地表水計算

經(jīng)計算路南、路北區(qū)城市化區(qū)多年平均徑流深183.7 mm，徑流量0.177 3億 m3，開平區(qū)多年平均徑流深96.7 mm，徑流量0.058 5億 m3。

3.3.5 市區(qū)自產(chǎn)地表水

唐山市區(qū)多年平均(1956-2008年系列)自產(chǎn)水資源量為0.426 5億 m3，折合徑流深101.5 mm，徑流系數(shù)0.17，變差系數(shù)Cv為0.55，Cs/Cv取2.0，保證率為75%、95%時，徑流量分別為0.144 8、0.081 8億 m3。頻率計算曲線詳見圖5。

圖5 頻率計算曲線圖

4 結(jié)語

市區(qū)工礦企業(yè)等年均入河廢污水量7 241.1萬 t。經(jīng)降水徑流監(jiān)測試驗，計算唐山市區(qū)多年平均(1956-2008年系列)自產(chǎn)水資源量為0.426 5億 m3，折合徑流深101.5 mm，徑流系數(shù)0.17，變差系數(shù) Cv為0.55，Cs/Cv取2.0，保證率為75%、95%時，徑流量分別為0.144 8、0.081 8億 m3。多年平均徑流量增加了33.2%，徑流系數(shù)增加了41.6%，保證率為20%時，徑流量增加17.7%，保證率為95%時，徑流量增加350%。

唐山市中心區(qū)水資源雖未發(fā)生水資源短缺問題但必須加強雨水收集系統(tǒng)建設，減少地下水的開采量;限制城市下墊面硬化面積，增加地下水補給量(采用透水磚、增加綠地面積、屋頂徑流引入地下等)。城市不透水面積的增加，減少了降水入滲補給量;加強唐山市中心區(qū)城市水文監(jiān)測，特別是漏斗區(qū)、南胡生態(tài)區(qū)以及環(huán)城水系的水文監(jiān)測，以便進一步摸清現(xiàn)狀條件下市中心區(qū)水文變化規(guī)律，為城市水資源管理和生態(tài)建設提供依據(jù)。