济南市不同下垫面产汇流特性试验研究

济南市不同下垫面产汇流特性试验研究

张克峰^[1]，陈淑芬，李振

作者简介:张克峰（1964－），男，山东鱼台人，山东建筑大学教授，工学博士。

（山东建筑大学市政与环境工学院，山东济南250101）

【摘　要】雨水利用是实现可持续水资源的有效手段，但随着城市化的发展，出现不同材质屋面、路面等各种人工下垫面，雨水利用条件发生很大变化。利用自行设计的模拟降雨产汇流试验装置，对济南不同下垫面进行了多场降雨试验研究，初步得出产汇流影响因素与径流系数的函数关系，为济南市雨水利用提供依据。

【关键词】济南，模拟降雨，下垫面，产汇流

Experimental Study on Runoff－producing and Flow Concentration Characteristics of

different Underlying Surfaces in Jinan

Zhang Ke－feng，Chen Shu－fen，Li Zhen

（School of Municipal and Environmental Shandong Jianzhu University，Jinan，250101，Jinan China.）

【Abstract】Rainwater utilization is an effective way to implement sustainable water resource，but with the developing of urbanization，various kinds of artificial underlying surfaces such as different material quality covering of roof、road and so on，which have been appeared，a great change of the condition of rainwater utilization has been taken place.Using the test unit of imitation rainfall which is designed and built by ourselves，lots of experimental study on rainfall of different Underlying Surfaces in Jinan，preliminarily obtain the functional relation about the influencing factor of runoff－producing and flow concentration and runoff coefficient，which can offer basis for rainwater utilization of Jinan.

【Key words】Jinan，Imitation rainfall，Underlying surface，Runoff－producing and Flow Concentration

引　言

21世纪是城市化的世纪。城市化，是人类共同关注的主题^［1］。预计到2030年，全球的城市化水平将达到602%^［2］。中国城市的飞速发展更是吸引着全世界的目光，预计到2030年城市化率达到48.26%^［3］。随着我国城市化速度的加快，出现不同材质屋面、路面等各种人工下垫面，雨水利用条件发生了很大变化。

雨水是一种最根本、最直接、最经济的水资源，对补充地下水源、改善及保护生态环境起着极为关键的作用^［3］。因此为了加强济南城区雨水利用，本试验研究济南市不同下垫面的产汇流特征，分析影响济南市不同降雨条件对径流系数的影响等，对于提高雨水利用率，减少地表径流、防止土壤侵蚀和搞好生态环境建设等方面具有重要的理论意义和现实意义。

1.试验方案

用设计的模拟降雨产汇流装置来研究济南市不同下垫面的产汇流特性，分析了不同下垫面的降雨量—径流系数的关系。

1.1　下垫面模型设计

城市化的发展使水循环的下垫面发生变化，楼房、道路、广场等大量人工建筑使透水地面减少，不透水地面增加，从而导致地表径流系数加大。本试验对济南市城区主要的3种下垫面进行试验研究。分别是:SBS（屋面防水材料）、不透水地砖（人行道铺设材料）及草地。各下垫面长宽均为1m×1m，铺设在试验装置内，坡度可以根据试验要求进行调节。下垫面放在经过筛选的土壤垫层上，垫层厚度为80cm，可测定透水性较好的下垫面如透水砖，草地等的入渗特性；而对于不透水的下垫面SBS和不透水砖等，降雨后大部分雨水将会产生径流而通过集流槽被收集起来，从而可测定不同降雨条件的降雨量径流量的关系以及径流系数的变化等一系列的产汇流特性。示意图见图1。

图1　下垫面铺设示意图

Fig.1　The schematic diagram of underlying surface laying

1.2　模拟降雨装置设计

设计的模拟降雨入渗装置如图2所示，该装置由模拟降雨单元、支架、土壤入渗及下垫面试验模型三部分组成，支架用角钢和槽钢焊制，长宽各为10m、高30m。

模拟降雨单元采用的是管网式降雨模拟器，即在平行的PVC细管上钻一些小孔，让水从孔中喷出，以雨滴的形式降落在地面。该装置4用PVC管钻孔制成，放置于支架5的顶部，喷孔直径05mm，相邻喷孔间距75mm。由潜水泵供水，潜水泵的电源经过稳压器，以保证供水压力稳定；雨强值通过流量计3监测。调节供水管管上的控水阀门2，可以调整雨强的大小。

管网式模拟降雨器，降雨范围达到了03～40mm/min。该降雨模拟装置当雨强大于1.25mm/min以后，雨滴粒径的大小基本趋于稳定，其最大粒径范围在2～3mm之间，中值粒径范围在1.2～30 mm之间，雨滴最大粒径不超过3 mm。当雨强大于1.76 mm/min时，中值粒径对应的雨滴击溅速度达到或超过了雨滴终点速度的95%。试验校验的结果显示，均匀度可以达到80%以上。

1供水管（接水泵）　2控水阀　3流量计　4管式模拟降雨装置　5支架　6下垫面7径流收集槽　8控水阀　9入渗收集管　10阀门　11径流收集管图2　试验装置示意图Fig.2　Sketch of test device

2.试验结果

产汇流过程实质上是在不同气候和下垫面条件下，由降雨形成径流的过程，该过程受到了降雨特性和下垫面特征及其耦合作用的影响^［4］。不同下垫面在不同的降雨场次中径流系数都有差异，影响因素众多，例如降雨量、降雨强度、降雨历时、土壤前期含水量、覆盖度等。降雨量是一个能综合反映降雨历时、雨强的影响，与径流系数的相关性好，而且资料中容易得到的参数，能够为计算径流系数提供方便，因此，本试验对不同下垫面的降雨量～径流关系作物理分析，找出其关系曲线，做方程拟合。

2.1　SBS的降雨量与径流系数关系分析

表1反映了SBS降雨量与径流系数之间的关系及拟合公式和相关性，图3是试验中实测值和拟合值对比图。此时假设流量无穷大时，径流系数为1。

表1　SBS降雨量～径流系数关系

Table 1　Relationship of precipitation and runoff coefficient of SBS

图3　SBS实测值与拟合值对比图

Fig.3　Comparison of measured value and simulated value of SBS

2.2　不透水砖的降雨量与径流系数关系分析

表2反映了不透水砖降雨量与径流系数之间的关系及拟合公式和相关性，图4是试验中实测值和拟合值对比图。

表2　不透水砖降雨量～径流系数关系

Table 2　Relationship of precipitation and runoff coefficient of impervious bricks

图4　不透水砖实测值和拟合值对比图

Fig.4　Comparison of measured value and simulated value of impervious bricks

2.3　草地的降雨量与径流系数关系分析

表3反映了草地的降雨量与径流系数之间的关系及拟合公式和相关性，图5是试验中实测值和拟合值对比图。

表3　草地的降雨量与径流系数关系

Table 3　Relationship of precipitation and runoff coefficient on grassland

图5　草地实测值和拟合值对比图

Fig.5　Comparison of measured value and simulated value of grassland

3.分析与结论

通过试验研究与分析，拟合出3种下垫面的降雨量—径流系数的关系，如表4所示。由表4可以看出，A、B值越大说明产生的径流越小，下渗越多，故从定量的分析也可以看出，草地下渗能力最强，SBS的透水性最差。这一相关性分析和拟合公式的确定对进一步进行次降雨的径流系数，径流量等参数的计算提供了简便而实用的计算方法。

在研究影响下垫面产汇流特性的试验过程中，雨型是一个重要的影响因素，但由于时间及试验条件等的限制，没有做雨型对产汇流特性影响的试验分析，今后应加强这方面的补充研究，以便全面准确地反映济南市不同下垫面在不同降雨特性条件下的产汇流规律。

表4　不同下垫面降雨量—径流系数试验数据

Table 4　The experimental data of precipitation and runoff coefficient of different underlying surface

（中译英:付恒阳，王金凤检）

参考文献（Reference）

［1］林冰.大连市降雨特性与雨水资源化的研究［D］.大连理工大学2006，6:7～8.

Lin Bing.Study on rainfall characteristics and rainwater resources in Dalian［D］.Dalian University of Technology，2006，6:7～8.

［2］Population Division Department of Economic and Social Affairs Nations Secretariat，World Urbanization Prospects:The 2001 Revision，Data Tables and Highlights，20 March 2002.

［3］游春丽.城市雨水利用可行性研究［D］.西安建筑科技大学2006，5:7～8.

You Chun－li.Study on the feasibility of rainwater utilization of urban［D］.Xi＇an University of Architecture＆Technology200657～8.

［4］芮孝芳.产汇流理论［M］.水利水电出版社，1995

Rui Xiao－fang.Theory of runoff－producing and flow concentration［M］.Water conservancy and hydropower publishing house，1995

【注释】

[1]基金项目:山东省重大专项（2005GG21006001），山东省资源节约型社会科技支撑体系建设专项计划项目（2008JY01）。