等流時線法和單位線法在深圳市降雨徑流過程計算中的應用

■彭溢 謝林伸

（深圳市環(huán)境科學研究院廣東深圳518001）

等流時線法和單位線法在深圳市降雨徑流過程計算中的應用

■彭溢 謝林伸

（深圳市環(huán)境科學研究院廣東深圳518001）

降雨徑流過程計算是城市非點源污染負荷計算的基礎，以深圳某流域為例，采用傳統(tǒng)的等流時線法和廣東省綜合單位線法分別計算了最不利初雨水條件下的降雨徑流過程，并對兩種方法計算結果進行了比較。等流時線法計算河流徑流過程比采用廣東省綜合單位線法簡單、快速，但計算的洪峰歷時短，洪峰流量偏大；廣東省綜合單位線法計算更貼近實際徑流過程，對于溢流時間的把握更準確。

等流時線 廣東省綜合 單位線 徑流過程 深圳

地表水污染負荷的主要來源分為兩種，點源污染和非點源污染。其中非點源污染即面源污染，是指溶解的或固體污染物從非特定的地點，在降水和徑流沖刷作用下，通過徑流過程而匯人受納水體（如河流、湖泊、水庫、海灣等）引起的水體污染。隨著對工業(yè)污染和城市生活污染控制水平的提高，點源污染逐步得到治理，降雨徑流產生的非點源污染對城市水環(huán)境污染的影響就表現(xiàn)的十分突出，而降雨徑流過程的模擬是非點源污染計算中的關鍵。降雨徑流過程是水文學的基本問題之一，目前，國內外關于降雨徑流模擬的模型較多，應用較多的有SWMM，STORM，HSPF，ILLUDAS、TRRL等[1]。1999年河海大學劉俊教授利用SWMM建立了天津市暴雨管理模型，馬曉宇等將SWMM模型應用于溫州市某住宅區(qū)非點源污染負荷模擬計算[2]，王則一應用STORM模型模擬了三峽庫區(qū)內中尺度森林流域-重慶開縣東里河流域暴雨水文過程[3]。梅立永等利用HSPF模型對深圳市西麗水庫流域非點源污染進行了模擬研究[4]，以上模型應用已較為成熟，但模型的應用需要提供研究區(qū)域的排水管網(wǎng)建設以及相關實測資料，由于很多地區(qū)往往不具備足夠基礎資料，因此在日常估算過程中應用不多。傳統(tǒng)的等流時線法和單位線法由于計算方法簡便，在城市水文中應用較為廣泛。因此，本文以深圳市某小流域為研究對象，分別以等流時線法和單位線法計算流域降雨徑流過程，對比兩種方法計算結果，為深圳市非點源污染負荷計算提供借鑒。

1　方法概述

1.1等流時線法

等流時線法是根據(jù)出流量是由流域上的降雨形成的概念，把匯流過程與流域形態(tài)相聯(lián)系[5]，假定流域上各點的流速是不隨時間變化的，則每點流達出口斷面的匯流時間也不隨時間改變，等流時線即流域上到達出口斷面的匯流時間相同的各點的連線[6]。等流時線法將匯流的物理過程簡化，是一種概念性模型，能夠較好的在GIS支撐下應用到分布式水文模型中[7]，并可通過對各塊等流時面積按實際的凈雨計算來處理降雨空間分布的不均勻性，而且等流時線法中的參數(shù)可根據(jù)流域狀況直接估計[5]，計算簡便快捷。計算公式如下[8]：

根據(jù)徑流成因公式：

在線性匯流條件下，有等流時線數(shù)值計算模型：

式中Q(tk)—(tk)時刻流量；Itk-j—tk-j時刻凈雨強度，當k-j≤0時，取k-j=0；F—匯水面積；a—單位換算系數(shù)。

1.2單位線法

單位線法也是城市雨水匯流計算的常用方法，該法由克拉克于1945年提出，1957年納希進一步導出了瞬時單位線的數(shù)學表達式，并提出用矩法確定其參數(shù)，被稱為納希瞬時單位線[9]。近年來，不少專家學者在原有的基礎上建立了許多單位線法，廣東省水文總站通過對納希瞬時單位線方法的深入分析，汲取國內外經(jīng)驗，在結合廣東省研究成果的基礎上提出了具有本地特色的綜合單位線方法，稱為廣東省綜合單位線，廣東省綜合單位線的圖形。

無因次單位線的縱橫坐標：Ui-Xi

式中，Ui為無因次單位線的縱坐標（比值）；Xi為無因次單位線的橫坐標（比值）；qi為時段單位線的縱坐標，m3/s；ti為時段單位線的橫坐標，h；tp為時段單位線的上漲歷時，h；，w=F/3.6相當于1mm凈雨所形成的時段單位的總洪量，為流域面積，km2。

由于

因此

故無因次單位線包圍的面積為1。

有了無因次單位線，在運用中

只需根據(jù)

求出tp即可得出時段單位線。

式中m1為時段單位線滯時，大小取決于集水區(qū)的匯流條件，一般是建立m1與流域特征（河長L和河道坡降J）θ參數(shù)的經(jīng)驗關系計算；K為無因次單位線的一階原點矩，不同分區(qū)取值不同，可根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》得到[11]。

2　徑流過程計算

2.1流域概況

以深圳市某流域為研究對象，分別采用等流時線法和單位線法計算設計降雨條件下徑流過程。

該河流干流河長14.08公里，河床平均比降J=3.4‰（0.0034），流域面積：37.8平方公里，集水區(qū)平均高程200m。河口設有污水截排工程，最大截排能力為25 m3/s。

從水環(huán)境保護出發(fā)，設計降雨應考慮最不利情況，如果是汛期前第一場降雨出現(xiàn)較大雨量，由于為首次降雨，旱季積累了大量的面源污染物，因此此次沖刷產生的污染負荷最多，當超過截污工程截污規(guī)模時，溢流污染負荷最高，對水環(huán)境最為不利。因此，本文選擇汛期前初次降雨出現(xiàn)短時暴雨的情況進行計算。根據(jù)對深圳市歷年首場降雨統(tǒng)計資料可知，歷年初雨水平均降雨歷時22小時，出現(xiàn)的最大首場降雨量為80.9mm。

2.2過程計算

2.2.1等流時線法

將流域分成等流時段，每個分段的集水面積屬于該分段的等流時面積。取凈雨時段間隔，即等流時間隔為3小時，得到各時段凈雨量。等流時線法計算徑流過程。

2.2.2廣東省綜合單位線法

集水區(qū)域特征參數(shù)：

采用廣東省綜合單位線滯時m1～θ關系圖中的大陸高區(qū)關系線（即A線）。單位線滯時m1=3.2。

查《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》附表5，該流域面積37.8平方公里，適宜計算時段△t=1小時。

采用廣東省綜合單位線III號無因次單位線

根據(jù)前述公式得到最終單位過程線。

有了單位過程線，就可以計算河流不同降雨的流量過程。按照前文雨型設計，取最大首場降雨量為80.9mm的降雨時程分布進行計算，采用單位線法計算計算的流量過程。

3　計算結果比較

將等流時線法和廣東省綜合單位線法計算的最大初雨水徑流過程進行對比，見圖3。通過對比可知，采用等流時線法計算的河流徑流過程比采用綜合單位線法計算的洪峰歷時短，洪峰流量偏大，這主要是由于等流時線法按一個常定不變的流速來處理整個流域的匯流過程，只考慮了水波的平移運動，而沒有考慮調蓄作用，這種方法計算的徑流過程比實際過程漲落均偏快。實際上，即使處于同一斷面的水質點，其速度也并不相同，某一瞬間在同一條等流時線上降下的雨水，并不會在同一時刻到達出口斷面，而是各有先后。

考慮河流最大截污能力，超過25 m3/s的流量將無法進入截污系統(tǒng)，發(fā)生溢流，影響下游水質。對比兩種方法計算結果，等流時線法計算的流量過程溢流水量約為45.19萬m3，占總徑流量的26.8%；廣東省綜合單位線法計算的流量過程溢流水量約為20.0萬m3，占總徑流量的12.0%。由此可見，等流時線法計算的溢流量大于廣東省綜合單位過程線計算結果，從水質安全角度來看，等流時線法計算的結果對于水質偏安全。但從水文角度考慮，前者溢流發(fā)生時間提前、洪峰流量大，廣東省綜合單位線法計算結果更貼近實際徑流過程，對于溢流時間的把握相對準確。

4　結論

本文分別采用等流時線法和廣東省綜合單位線法計算了深圳市某流域在最大初雨水條件下徑流過程。采用等流時線法計算河流的徑流過程比采用廣東省綜合單位線方法要簡單、快速。雖然計算出的流量過程線洪峰流量偏大，徑流歷時偏短，但從水質安全角度來看，等流時線法計算的結果對于水質偏安全。廣東省綜合單位過程線法是廣東省水文總站在結合廣東省研究成果的基礎上提出的具有本地特色的綜合單位線方法，在廣東省水利工程計算中應用較多，計算較為詳細，計算結果更貼近實際徑流過程，對于溢流時間的把握相對準確，適用于深圳市降雨徑流過程的計算。

[1]朱冬冬,周念清,江思珉.城市雨洪徑流模型研究概述 [J].水資源與水工程學報, 2011,22(3):132-137.

[2]馬曉宇,朱元勵,梅琨等.SWMM模型應用于城市住宅區(qū)非點源污染負荷模擬計算[J].環(huán)境科學研究,2012,22(1):95-102.

[3]王則一.三峽庫區(qū)中尺度森林流域暴雨水文過程模擬[D].北京林業(yè)大學,2012.

[4]梅立永,趙智杰,黃錢等.小流域非點源污染模擬與仿真研究—以HSPF模型在西麗水庫流域應用為例 [J].農業(yè)環(huán)境科學學報2007,26(1):64-70.

[P66][文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-436-2

彭溢（1984～），女，中級工程師，研究方向為水環(huán)境保護、水污染控制研究。

水污染控制與治理科技重大專項"珠江下游地區(qū)水源調控及水質保障技術研究與示范"課題2009ZX07423-001-3