城區(qū)不同下墊面條件對(duì)降雨徑流的影響

辛建軍

(石樓縣扶貧開(kāi)發(fā)領(lǐng)導(dǎo)組辦公室)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城區(qū)內(nèi)硬化、綠化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，高樓林立，道路縱橫。小區(qū)硬化后，綠地面積減少，不透水面積大幅度增加，造成下墊面的滯水性、滲透性、降雨徑流關(guān)系等水文條件要素發(fā)生變化，從而對(duì)城區(qū)自然水文循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生了一系列影響。城區(qū)“雨島效應(yīng)”的突現(xiàn)，造成城區(qū)降雨量與周邊地區(qū)明顯不同。一場(chǎng)中小降雨，地面徑流快速匯集，經(jīng)排水管道排放到城郊地區(qū)，城區(qū)的降雨得不到高效利用。一場(chǎng)暴雨，徑流洪峰迅速形成，匯集到低洼處特別是立交橋、高大建筑物周?chē)?，由于城區(qū)排水管網(wǎng)一般都是按城區(qū)地面硬化前設(shè)計(jì)的，匯集的雨水不能及時(shí)排走，造成交通堵塞，建筑物遭受雨水浸泡破壞。

城區(qū)降雨徑流過(guò)程主要受降雨過(guò)程和下墊面變化的影響，研究和分析這兩個(gè)因素對(duì)于水文循環(huán)的影響是預(yù)防和治理城區(qū)內(nèi)洪澇災(zāi)害，科學(xué)利用城區(qū)內(nèi)雨水資源的基礎(chǔ)和根本措施。開(kāi)展城區(qū)降雨徑流觀測(cè)試驗(yàn)，研究不同下墊面條件的降雨入滲—徑流關(guān)系，對(duì)于開(kāi)展城區(qū)水文循環(huán)系統(tǒng)研究，合理有效地開(kāi)發(fā)城區(qū)的水資源，促進(jìn)現(xiàn)代城區(qū)生態(tài)建設(shè)發(fā)展，是一項(xiàng)十分重要的基礎(chǔ)研究工作。

本文結(jié)合降雨徑流觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)不同下墊面條件的降雨徑流關(guān)系進(jìn)行了研究。

1 城區(qū)下墊面(徑流面)系統(tǒng)的概念

下墊面系指地表各類覆蓋物的組成。影響城區(qū)水循環(huán)過(guò)程的下墊面要素主要包括地質(zhì)、地貌、植被和人為建筑物等四類［1］，其中地質(zhì)類要素指地表覆蓋物中的各類巖石、土壤、地層、構(gòu)造和各類水體等，主要影響水循環(huán)的下滲率、蒸發(fā)量、流域蓄水量、地表地下徑流的相互轉(zhuǎn)換;地貌類因素對(duì)水循環(huán)的影響體現(xiàn)在區(qū)域絕對(duì)高度對(duì)降雨的影響、地面坡度對(duì)匯流的影響等方面;植被對(duì)水循環(huán)過(guò)程的影響是多方面的，包括截流、下滲、蓄水、蒸發(fā)等;而人為建筑物改變了原有下墊面的水文特性，如原有巖性、地面坡度、植被等。

不透水地面是城區(qū)發(fā)展的特征，它與總用地的比值(即不透水面積比率)作為一個(gè)重要的城區(qū)生態(tài)指數(shù)常出現(xiàn)于城區(qū)水文學(xué)研究中。按照城區(qū)土地利用的性質(zhì)，從下滲角度考慮，可以將城區(qū)劃分為不透水和透水兩類面積。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目為河北省水利科學(xué)研究院承擔(dān)的自然科學(xué)基金項(xiàng)目“城區(qū)降雨入滲與徑流關(guān)系研究”，按照研究要求，在水科院內(nèi)建設(shè)了降雨入滲—徑流模擬試驗(yàn)場(chǎng)。

在人工模擬降雨條件下，對(duì)4種下墊面狀況(即綠地、環(huán)保透水磚鋪裝、草皮空心磚鋪裝和不透水釉面磚鋪裝)進(jìn)行了降雨徑流過(guò)程的模擬試驗(yàn)研究。共設(shè)4個(gè)小區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積2×10 m。試驗(yàn)小區(qū)布置詳見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置示意圖

2.1 模擬降雨設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)地上部安裝模擬降雨系統(tǒng)，模擬降雨強(qiáng)度分別為0.4 mm/min 和0.8 mm/min。

2.2 下墊面特征參數(shù)

(1)綠地區(qū):土壤機(jī)械組成及物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)土壤機(jī)械組成及物理參數(shù)

(2)透水混凝土磚鋪裝區(qū):分為透水面層、找平層和混凝土墊層。

透水面磚叫環(huán)保型透水路面磚，是一種用新型環(huán)保透水材料制成的高透水性、高強(qiáng)度混凝土路面磚。磚厚6 cm，單磚幾何形狀10 cm×20 cm，透水系數(shù)0.1 －1.0 mm/s。

找平層和混凝土墊層總厚度為15－20 cm。

透水混凝土磚鋪裝初期不透水面積比率很小，在運(yùn)行一段時(shí)間后，其比率有所提高。

(3)草皮磚鋪裝區(qū):草皮磚是帶有各種形狀空隙的混凝土塊，因在空隙中可種植草類而得名。磚厚6 cm，開(kāi)孔率為30%，不透水面積比率為70%。

(4)釉面磚鋪裝區(qū):磚面釉彩，磚厚6 cm，單磚幾何形狀20 cm×20 cm，除磚縫隙外，幾乎完全不透水，不透水面積比率確定為95%。

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 降雨累積入滲量隨時(shí)間的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同下墊面條件對(duì)降雨累積入滲量影響顯著(圖2)。4種模擬下墊面狀況的降雨累積入滲量由小到大排序?yàn)?釉面磚鋪裝＜草皮磚鋪裝＜透水混凝土磚鋪裝＜綠地。

圖2 降雨累積入滲量隨時(shí)間變化圖

3.2 降雨與徑流量(強(qiáng)度)的關(guān)系

不同下墊面條件下的降雨—徑流關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 不同下墊面條件下的降雨徑流過(guò)程

從圖3可以看出，下墊面條件對(duì)降雨徑流影響很大，主要表現(xiàn)在:一是地面硬化后大量天然可滲水地面成為不透水的硬質(zhì)地表面，造成地表徑流量增加，徑流系數(shù)變大。也就是說(shuō)，降雨后原本可以被自然地面吸收、滲透的“損失水量”大大減少，大部分雨水轉(zhuǎn)化為地表徑流;二是地面硬化使匯流時(shí)間縮短，徑流系數(shù)加大，峰現(xiàn)時(shí)間提前，洪峰流量也明顯增大，降雨徑流過(guò)程線均比綠地區(qū)明顯變得峰高坡陡。與Espey等人提出的“城區(qū)硬化后的單位洪峰流量要比城區(qū)硬化前增大近3倍，單位線的上漲段時(shí)間縮短近1/3”的研究結(jié)論基本一致［2］。

4 城區(qū)建設(shè)建議

4.1 因地制宜，推廣透水性鋪裝

城區(qū)不透水硬化地面鋪裝過(guò)程是一個(gè)影響原有的自然生物環(huán)境、重新形成新的人工生物環(huán)境和水文循環(huán)的過(guò)程。城區(qū)不透水硬化地面也是形成城區(qū)一系列環(huán)境危機(jī)的根源之一。城區(qū)下墊面的排水性能直接影響雨水滲透的最終效果。因此，科學(xué)合理地選擇透水性鋪蓋，是做好城區(qū)雨洪利用的關(guān)鍵。比如在人行道、停車(chē)場(chǎng)等公共場(chǎng)所的路面鋪設(shè)可采用透水性較強(qiáng)的路面磚、草皮磚等。

4.2 增大綠地面積，充分利用雨水資源

在城區(qū)建設(shè)中應(yīng)盡量增大綠地的比例，以增加土壤水分入滲量，減緩城區(qū)短期洪澇危害，改善生態(tài)環(huán)境。城區(qū)建設(shè)中應(yīng)充分利用雨水資源，比如將道路兩旁的綠地降到地面以下5－10 cm，當(dāng)降雨時(shí)，部分雨水可匯流到綠地池里面。這樣，一方面可澆灌綠地，涵養(yǎng)水源，另一方面可減緩徑流形成時(shí)間，防止道路集水。

4.3 降雨徑流關(guān)系是城區(qū)設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)

目前，室外排水設(shè)計(jì)公式法是城建部門(mén)普遍采用的方法。通過(guò)城區(qū)降雨徑流觀測(cè)試驗(yàn)，科學(xué)確定下墊面變化情況下的降雨徑流計(jì)算參數(shù)，是現(xiàn)代城區(qū)建設(shè)的客觀需要。

［1］史培軍，袁藝，陳 晉.深圳市土地利用變化對(duì)流域徑流的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2001(7).

［2］高照良，馮興平，叢懷軍.城區(qū)化對(duì)洪水的影響研究［J］.農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學(xué)，2005(8).