劉家琳

張建林*

地表產(chǎn)流指降雨量扣除植物截留、下滲、填洼、蒸發(fā)等損失形成徑流的過程[1]。產(chǎn)流特征主要涉及產(chǎn)流過程中的徑流量、徑流系數(shù)、徑流峰值等情況，是城市雨洪管理的重要依據(jù)。子匯水區(qū)是徑流匯流的基本單元[2]，其產(chǎn)流特征的研究有利于對城市小流域水文過程的認(rèn)知，為海綿城市開放空間策略構(gòu)建提供依據(jù)。

重慶是典型的山地海綿城市建設(shè)試點(diǎn)地區(qū)，山地公園是重慶海綿城市實(shí)踐的主要對象之一，其外排雨洪流量與暴雨水問題不容忽視。山地開放空間中城市廣場建設(shè)用地相對有限，由此公園的坡頂、山腰、坡腳的平坡處常集中修建大規(guī)模鋪裝場地，統(tǒng)計(jì)多在0.5～3.5hm2不等，其發(fā)揮活動(dòng)功能的同時(shí)帶來下游暴雨水問題。其次山地公園地形地貌豐富且坡面占比大，主城區(qū)典型15例山地公園坡度統(tǒng)計(jì)顯示，下墊面在15～20°以上坡面占比超過50%。地貌與坡度對產(chǎn)匯流有直接影響。因此，開展山地公園子匯水區(qū)產(chǎn)流特征的研究對于山地海綿城市綠地空間的營造策略具有重要意義。

目前，產(chǎn)流特征的研究方法主要為實(shí)地觀測、人工模擬和模型模擬。實(shí)地觀測與人工模擬多見于相對單一的下墊面或在可控監(jiān)測條件下地表產(chǎn)流特征的對比研究[3-5]。模型模擬多用于城市區(qū)域復(fù)合下墊面的地表產(chǎn)流特征分析[6-8]。城市山地公園具有多樣性復(fù)合的下墊面屬性，便于采用模型模擬的研究方法。眾多模型中，SWMM是目前應(yīng)用最成熟的模擬平臺(tái)[9]。國外學(xué)者應(yīng)用SWMM對研究區(qū)地表產(chǎn)流進(jìn)行模擬的結(jié)果得到了肯定和驗(yàn)證[10-12]。諸多學(xué)者證明了SWMM可以在國內(nèi)城市有效進(jìn)行雨洪過程模擬，且在小流域中具有良好的模擬精度與適用性[13-15]。此外，山地地貌條件下產(chǎn)流特征的研究主要針對相對單一的下墊面類型或某個(gè)山地公園、校園環(huán)境的局部區(qū)域，分析坡度、下墊面種類對地表產(chǎn)流的影響[16-18]，未涉及整體山地公園子匯水區(qū)產(chǎn)流特征的定量分析。

本文著眼于山地公園代表性基址山坡型公園。此類公園依托山頂與山腳之間的單側(cè)坡面而建[19]。研究針對山坡型公園子匯水區(qū)，基于SWMM對其產(chǎn)流量、徑流系數(shù)、徑流峰值等特征進(jìn)行分析，為山地公園水文過程的認(rèn)知及地域條件下適宜應(yīng)用的徑流管控設(shè)施的篩選、布局與參數(shù)設(shè)置提供基礎(chǔ)支撐與參考。

1 研究對象的選擇

重慶主城區(qū)的山坡型公園規(guī)模在幾公頃到幾十公頃不等，涵蓋凹坡、平坡、凸坡等多種地形條件，坡度跨度大，平均坡度以緩坡和較陡坡為主，洼地水體相對較少。在主城區(qū)選擇了3例典型山坡型公園為對象，在園區(qū)規(guī)模、地形類型、坡度分布上具備代表性層級，特征如下：1)悅來公園，總面積67hm2，坡度在2%～24%，以微坡、緩坡為主，園中平坡、凹坡、凸坡分布較均勻，有洼地水體0.4hm2；2)半山公園，總面積11hm2，坡度在11%～42%，以緩坡、較陡坡為主，多平坡、凸坡，無洼地水體；3)華龍公園，總面積7hm2，坡度為12%～65%，以陡坡、較陡坡為主，多凸坡，無洼地水體。

圖1 山坡型公園子匯水區(qū)類型(林挽星、吳天歌繪)

圖2 研究對象匯水區(qū)域概化(林挽星、吳天歌繪)

2 子匯水區(qū)的劃分原則與類型

依據(jù)子匯水區(qū)的定義、研究分析需求和水文模型構(gòu)建的合理性，對公園進(jìn)行子匯水區(qū)劃分，原則如下：1)每個(gè)子匯水區(qū)的地表徑流和排水系統(tǒng)在地形上只有一個(gè)匯流出口；2)以地形脊線、高程分界點(diǎn)、園路及排水管網(wǎng)等匯流分界要素作為子匯水區(qū)的劃分邊界；3)若子匯水區(qū)中有鋪裝場地(文中所指場地均不包括公園道路)，通常包含1～2個(gè)完整的場地空間，依據(jù)具體的場地條件，其劃分規(guī)模在幾千平方米到幾公頃不等；4)若匯水區(qū)中無場地，考慮到綠地產(chǎn)流相對較小，為便于產(chǎn)流特征的對比分析，其劃分規(guī)模通常大于1hm2，范圍在幾公頃不等；5)同一子匯水區(qū)的坡度相對一致，應(yīng)利于SWMM模型中子匯水區(qū)坡度和寬度的確定。按上述原則將研究對象共劃分成28個(gè)子匯水區(qū)。

對子匯水區(qū)進(jìn)行分類討論。其下墊面組成類型、坡度、硬質(zhì)不透水率、徑流匯流出口等要素對徑流管控策略有直接影響?；谝陨咸卣鞑町悓?8例子匯水區(qū)分為三大類，即山坡綠地型、山坡場地型和山坡混合型。山坡綠地型的下墊面以綠地為主，無鋪裝場地，硬質(zhì)不透水率小于21%，依據(jù)匯流出口在園路或水體可細(xì)分為兩小類。山坡場地型和山坡混合型的下墊面均包含鋪裝場地，其中場地型子匯水區(qū)下墊面以鋪裝場地為主，硬質(zhì)不透水率90%以上，平均坡度小于8%，匯流出口在場地低點(diǎn)；混合型下墊面由場地、綠地、園路或水體構(gòu)成，硬質(zhì)不透水率小于60%，平均坡度10%～38%，依據(jù)匯流出口分別在場地、園路、水體可細(xì)分為三小類(圖1)。本文針對三大類子匯水區(qū)(以下簡稱“綠地型”“場地型”和“混合型”)的地表徑流特征進(jìn)行分析。

表1 子匯水區(qū)主要水文參數(shù)列表

3 研究方法

3.1 實(shí)地調(diào)研勘測與實(shí)驗(yàn)測定

通過用地資料統(tǒng)計(jì)、實(shí)地勘測、實(shí)驗(yàn)測定等方法獲得研究現(xiàn)狀參數(shù)。調(diào)研前系統(tǒng)搜集整理公園的現(xiàn)狀衛(wèi)星圖、地形圖、種植圖與排水管網(wǎng)布設(shè)資料，獲得公園面積、坡度、高程、下墊面類型與規(guī)模，以及排水設(shè)施分布等特征。實(shí)地勘察在2017年5—7月開展，進(jìn)一步明確現(xiàn)狀用地及排水特征。為獲取較準(zhǔn)確的地表滲透性參數(shù)，對典型植被景觀種植類型的下墊面土壤進(jìn)行取樣。在各公園中分別對純地被、喬木與地被、灌木與地被、喬灌木與地被混合的4種種植類型的表土層取樣，每個(gè)類型采集表土0～5、10～15、20～25cm3個(gè)土層的環(huán)刀樣品，各公園分別采集4種典型植被類型的土壤樣品12個(gè)。后期用環(huán)刀法測定樣品的最大入滲率與飽和入滲率。每個(gè)植被類型的入滲率取該點(diǎn)3個(gè)土層測定值的平均數(shù)。實(shí)驗(yàn)最終得到各公園4種典型植被類型表層土壤的最大入滲率與飽和入滲率。

3.2 SWMM產(chǎn)流分析本土模型構(gòu)建

3.2.1 研究對象匯水區(qū)域概化

利用SWMM模型平臺(tái)，基于公園地形特征、排水設(shè)施分布進(jìn)行匯水分區(qū)布局。按子匯水區(qū)劃分原則，將3個(gè)公園的28例子匯水區(qū)在SWMM平臺(tái)上進(jìn)行劃分界定，并依據(jù)現(xiàn)狀資料布設(shè)匯流出口節(jié)點(diǎn)及排水系統(tǒng)，完成公園匯水區(qū)域概化(圖2)。

3.2.2 SWMM參數(shù)設(shè)置

SWMM本土模型構(gòu)建的關(guān)鍵需采集精度較高的現(xiàn)狀水文水力參數(shù)，包括氣候特征參數(shù)、水文參數(shù)和雨水管網(wǎng)參數(shù)等。通過獲取準(zhǔn)確的用地資料、實(shí)地勘測與實(shí)驗(yàn)測定以保障參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性，其設(shè)定依據(jù)如下。

1)氣候特征參數(shù)。

雨量站與蒸發(fā)常量依據(jù)重慶渝北氣象站的氣候數(shù)據(jù)設(shè)定。為了研究不同雨型條件下子匯水區(qū)的產(chǎn)流特征，雨量站選取本地中雨、大雨、4年一遇、20年一遇4種雨型降雨量集中的前2h數(shù)據(jù)。中雨和大雨分別采用典型25mm和50mm單次降雨數(shù)據(jù)。4年和20年一遇降雨采用近4年和20年最大降雨量前8場的平均數(shù)據(jù)，其中4年一遇總降雨量127mm，20年一遇總降雨量166mm，包含大暴雨和特大暴雨情況。蒸發(fā)常量取歷年5—7月的平均蒸發(fā)量5.07mm/d。

2)子匯水區(qū)水文參數(shù)。

子匯水區(qū)面積由概化后的模型自動(dòng)提取。其他參數(shù)采用模型計(jì)算實(shí)例提供的方法[20]。不透水率為硬質(zhì)不透水場地(含水面)、建筑屋頂、道路的面積占子匯水區(qū)總面積的百分比，面積值依據(jù)公園竣工圖紙?jiān)贏utoCAD上測量獲得。坡度由各類下墊面的坡度進(jìn)行面積加權(quán)法計(jì)算得到，即S=(∑SjAj)/As，其中Sj為各類下墊面的坡度，Aj為各類下墊面的面積，As為子匯水區(qū)的總面積。匯流寬度公式為W=As/L，L為匯流長度，是徑流穿越子匯水區(qū)的最長匯流路徑，該長度由各類下墊面的匯流長度進(jìn)行面積加權(quán)計(jì)算得到，即L=(∑Lj Aj)/As，Lj為各下墊面的匯流長度，Aj和As與坡度計(jì)算公式中的指代相同。子匯水區(qū)下滲模型選擇Horton模型，其衰減系數(shù)采用模型推薦取值。各公園子匯水區(qū)最大入滲率與飽和入滲率由實(shí)驗(yàn)測定的4種典型種植類型的表土入滲率進(jìn)行面積加權(quán)法計(jì)算。子匯水區(qū)最大入滲率計(jì)算公式為R=(∑Rp Ap)/Ag，Rp為子匯水區(qū)中每種種植類型的最大入滲率，Ap為每種種植類型的面積，Ag為種植綠地的總面積。飽和入滲率計(jì)算方法同上。需要指出，公園表土受植被根系、礫石含量、施工土壤回填等影響使得入滲率較大，與理論值存在差異，本文采用測定值作為參數(shù)設(shè)定依據(jù)。此外，不透水區(qū)的曼寧系數(shù)與洼地儲(chǔ)蓄參數(shù)均采用模型推薦值。透水區(qū)曼寧系數(shù)與洼地儲(chǔ)蓄值選擇相應(yīng)下墊面類型的模型推薦值，再按現(xiàn)狀進(jìn)行面積加權(quán)計(jì)算得到。子匯水區(qū)水文參數(shù)見表1。

表2 子匯水區(qū)產(chǎn)流模擬統(tǒng)計(jì)參數(shù)列表

3)雨水管網(wǎng)參數(shù)。

雨水管網(wǎng)系統(tǒng)布局長度、高程與斷面參數(shù)按公園排水施工圖設(shè)置。

3.2.3 模擬結(jié)果校正

依據(jù)質(zhì)量守恒法，采用流量驗(yàn)算與徑流路徑驗(yàn)算的連續(xù)性誤差來驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性。4種雨型下，模型顯示悅來公園和半山公園的流量與路徑驗(yàn)算連續(xù)性誤差均控制在±1%以內(nèi)，華龍公園的流量驗(yàn)算連續(xù)性誤差在±0.5%以內(nèi)，徑流路徑驗(yàn)算誤差在±4%以內(nèi)，屬于誤差合理范圍，表明模擬結(jié)果較為合理[21]。

圖3 子匯水區(qū)單位面積流量比較

圖4 子匯水區(qū)綜合徑流系數(shù)比較

圖5 子匯水區(qū)徑流峰值比較

3.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 20.0軟件對子匯水區(qū)關(guān)鍵水文參數(shù)、產(chǎn)流模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。針對不同類型子匯水區(qū)的產(chǎn)流特征、子匯水區(qū)關(guān)鍵因子與產(chǎn)流特征的相關(guān)性程度進(jìn)行分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同類型子匯水區(qū)產(chǎn)流特征比較分析

模擬得出不同類型子匯水區(qū)的產(chǎn)流統(tǒng)計(jì)參數(shù)(表2)。研究顯示，排出極值樣本，各類子匯水區(qū)的單位面積產(chǎn)流量、綜合徑流系數(shù)、徑流峰值在中雨和大雨雨型下有明顯強(qiáng)弱特征關(guān)系，暴雨下其強(qiáng)弱特征差異減弱。

4.1.1 地表產(chǎn)流量特征比較

不同雨型條件下對子匯水區(qū)產(chǎn)流量進(jìn)行對比(圖3)，利于判定不同雨型下實(shí)施徑流管控的主要對象。中雨和大雨下，場地型、混合型、綠地型子匯水區(qū)的單位面積產(chǎn)流量呈遞減趨勢。所有樣本中綠地型的總面積占40%，總流量僅占總樣本的16%，混合型的總面積占55%，總流量占63%，場地型的總面積僅占5%，總流量為21%。表明中雨和大雨下，混合型和場地型子匯水區(qū)是地表產(chǎn)流量顯著的對象，是雨洪管理的重點(diǎn)類型，而綠地型的流量相對易于控制。

圖6 不透水率與單位面積流量的變化關(guān)系

圖7 不透水率與綜合徑流系數(shù)的變化關(guān)系

4年和20年暴雨下，場地型樣本的單位面積流量最大，而綠地型與混合型之間無明顯的產(chǎn)流強(qiáng)弱特征。4年與20年暴雨條件對比下，綠地型的總流量占比由27%增加至33%，混合型的總流量占比由59%降低為57%，場地型的占比由14%降低至10%。針對總流量的控制，暴雨下混合型與綠地型子匯水區(qū)成為徑流管控的主要對象。

4.1.2 綜合徑流系數(shù)特征比較

不同雨型條件下對子匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)進(jìn)行對比(圖4)，顯示出各類子匯水區(qū)下墊面對暴雨水的截留作用。中雨和大雨下，同一子匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)相對恒定，說明此時(shí)綠地地表徑流基本下滲。場地型、混合型、綠地型子匯水區(qū)的徑流系數(shù)呈現(xiàn)由高到低的變化特征。表明中雨和大雨下，3類子匯水區(qū)對暴雨水的截留作用隨著場地占比的減少而增強(qiáng)。

4年和20年暴雨下，場地型樣本的綜合徑流系數(shù)最大，綠地型與混合型的參數(shù)之間無明顯高低特征。由中雨到20年暴雨，綠地型的綜合徑流系數(shù)從0.000～0.201增加到0.215～0.438，而混合型的徑流系數(shù)從0.086～0.580增加到0.209～0.709，2類子匯水區(qū)下墊面要素對暴雨水截留的強(qiáng)弱差異減弱。

4.1.3 徑流峰值特征比較

不同雨型條件下對子匯水區(qū)的徑流過程峰值進(jìn)行對比(圖5)，顯示出各類子匯水區(qū)產(chǎn)流的瞬時(shí)流量和發(fā)生徑流峰值的時(shí)間。中雨和大雨下，場地型、混合型、綠地型子匯水區(qū)的徑流峰值存在由強(qiáng)到弱的趨勢，產(chǎn)生徑流峰值的時(shí)間均在前0.5h內(nèi)，徑流峰值出現(xiàn)后瞬時(shí)產(chǎn)流量逐漸減弱。

4年一遇暴雨下，場地型子匯水區(qū)的徑流峰值最大，峰值時(shí)間出現(xiàn)在前0.5h。混合型和綠地型的徑流峰值無明顯強(qiáng)弱特征，峰值時(shí)間出現(xiàn)在降雨前0.5h或1h至隨后10min內(nèi)，呈現(xiàn)出明顯的2個(gè)峰值點(diǎn)。20年暴雨下，3類子匯水區(qū)的徑流峰值差異明顯減弱，最大峰值出現(xiàn)在混合型子匯水區(qū)中，此時(shí)混合型多呈現(xiàn)前后2個(gè)峰值點(diǎn)，綠地型的峰值點(diǎn)則多在降雨1h后。

4.2 子匯水區(qū)關(guān)鍵因子與產(chǎn)流特征的相關(guān)性分析

通過數(shù)據(jù)處理得到子匯水區(qū)關(guān)鍵因子與產(chǎn)流統(tǒng)計(jì)參數(shù)的相關(guān)性。分析表明不同產(chǎn)流參數(shù)的顯著相關(guān)因子存在差異，不同雨型對各因子的相關(guān)性程度影響較大。

4.2.1 不透水率和面積的影響

中雨和大雨下，不透水率與單位面積流量呈極強(qiáng)正相關(guān)，兩者存在顯著線性函數(shù)關(guān)系，中雨下為Y=225.600X+0.160(擬合度R2=0.991)，大雨下為Y=472.917X+1.364(擬合度R2=0.997)(圖6)。此時(shí)不透水率與綜合徑流系數(shù)也呈極強(qiáng)正相關(guān)，中雨下兩者線性函數(shù)關(guān)系為Y=0.923X+0.006(擬合度R2=0.999)，大雨下為Y=0.957X+0.005(擬合度R2=0.999)(圖7)。4年和20年一遇降雨下，不透水率與上述產(chǎn)流特征的正相關(guān)性與線性擬合度逐漸降低。表明中雨和大雨下，不透水率是影響單位面積流量強(qiáng)弱、綜合徑流系數(shù)大小的決定性因素，隨著雨型的增加不透水率對2個(gè)參數(shù)的影響減弱。此外，中雨和大雨下不透水率與徑流峰值呈中度正相關(guān)性，而大暴雨下兩者無相關(guān)性。

4年和20年一遇降雨下，子匯水區(qū)面積與總流量、徑流峰值存在強(qiáng)正相關(guān)，隨雨型增加相關(guān)系數(shù)增強(qiáng)，20年一遇降雨下呈現(xiàn)出線性關(guān)系趨勢，擬合度R2分別為0.888與0.806。說明大暴雨下面積參數(shù)是影響總流量大小、徑流峰值強(qiáng)弱的關(guān)鍵因子。中雨和大雨條件下，其相關(guān)性較弱。

4.2.2 地形和坡度的影響

不同地形條件的子匯水區(qū)的產(chǎn)流特征的差異較大。地形條件對子匯水區(qū)的不透水率產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而影響其產(chǎn)流特征。平坡、凹坡、凸坡地形條件下的單位面積流量、綜合徑流系數(shù)均存在遞減趨勢。但從中雨到暴雨，地形變化對上述產(chǎn)流特征的影響減弱。

子匯水區(qū)參數(shù)的綜合作用下，坡度與單位面積流量、綜合徑流系數(shù)、徑流峰值呈中度負(fù)相關(guān)。原因在于實(shí)際情況下坡度越大的子匯水區(qū)的不透水率往往越低，直接影響到產(chǎn)流特征與坡度的相關(guān)性。當(dāng)同一子匯水區(qū)的其他參數(shù)恒定不變時(shí)，若綠地坡度增加20%，中雨和大雨下的總流量、綜合徑流系數(shù)、徑流峰值幾乎無變化，而在4年和20年大暴雨下產(chǎn)流特征隨坡度的增加有顯著上升趨勢，子匯水區(qū)總流量平均增加1.3%和1.2%，綜合徑流系數(shù)平均增加1.6%與3.0%，徑流峰值平均增加4.3%和3.1%。4.2.3 坡面匯流寬度的影響

4年和20年一遇降雨下，子匯水區(qū)坡面匯流寬度與總流量、徑流峰值呈較強(qiáng)正相關(guān)，中雨和大雨雨型下相關(guān)性減弱。山坡型公園受到園路布局的影響，在山腰和坡腳處易形成狹長形的匯水區(qū)坡面，匯流長度相對較短，匯流寬度較寬。大暴雨下，匯流寬度越寬的子匯水區(qū)其總流量和徑流峰值有增加趨勢。

5 結(jié)論與討論

子匯水區(qū)是山坡型公園徑流源頭控制的結(jié)構(gòu)單元，在整體策略上若能將若干子匯水區(qū)由雨洪輸出的“排水節(jié)點(diǎn)”巧妙轉(zhuǎn)化為雨洪利用、滯留滲透的“受納節(jié)點(diǎn)”，可大幅減少外排流量，豐富山地公園景觀與生態(tài)效益的多樣性[22]?？刂撇呗陨蠎?yīng)考慮到不同雨型條件下子匯水區(qū)產(chǎn)流特征的差異，制定針對性的徑流管控措施。

不同雨型下的產(chǎn)流特征比較發(fā)現(xiàn)，中雨和大雨下場地型、混合型、綠地型子匯水區(qū)的單位面積產(chǎn)流量、綜合徑流系數(shù)、徑流峰值存在遞減趨勢。4年和20年一遇暴雨下，混合型和綠地型的產(chǎn)流特征無明顯強(qiáng)弱關(guān)系。針對徑流總量的控制，中雨和大雨時(shí)以場地型和混合型子匯水區(qū)的徑流管控為主，大暴雨時(shí)以綠地型和混合型為主。

子匯水區(qū)關(guān)鍵因子與產(chǎn)流特征的相關(guān)性分析表明：1)中雨和大雨下，不透水率與單位面積流量、綜合徑流系數(shù)呈極強(qiáng)正相關(guān)，存在顯著線性函數(shù)關(guān)系，此時(shí)不透水率是上述產(chǎn)流特征的決定性參數(shù)。大暴雨時(shí)，子匯水區(qū)面積成為影響總流量大小、徑流峰值強(qiáng)弱的重要參數(shù)；2)平坡、凹坡、凸坡條件下的子匯水區(qū)單位面積產(chǎn)流量、綜合徑流系數(shù)存在遞減趨勢，隨著雨型的增大，其產(chǎn)流特征差異減弱；3)對同一子匯水區(qū)而言，若坡度增加而其他參數(shù)恒定時(shí)，中雨和大雨下子匯水區(qū)的總流量、徑流峰值、綜合徑流系數(shù)幾乎無變化，在大暴雨下產(chǎn)流特征隨坡度的增加有顯著上升趨勢。4)公園山腰和坡腳處易形成匯流路徑短、匯流寬度較寬的狹長形匯水區(qū)，大暴雨時(shí)坡面匯流寬度與子匯水區(qū)的總產(chǎn)流量、徑流峰值呈較強(qiáng)正相關(guān)，中雨和大雨下其相關(guān)性較弱。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。

致謝：感謝西南大學(xué)園林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、重慶市風(fēng)景園林規(guī)劃研究院為本研究提供了相應(yīng)公園的圖紙資料；感謝西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院何丙輝教授團(tuán)隊(duì)為本研究進(jìn)行了土壤樣品滲透率測定。