燕 超，胡海波，徐曉梅，程 浩，許洪嬌

(1.南京林業(yè)大學 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，210037，南京;2.江蘇省水土保持與生態(tài)修復重點實驗室，210037，南京)

城市化的高速發(fā)展，城市建筑密度增加、硬質鋪裝面積擴大以及城市綠地面積不斷緊縮[1]，致使自然界的水呈現(xiàn)出相反的水文特征，導致“逢雨必澇、雨后即旱”的現(xiàn)象時常發(fā)生，這也引發(fā)了城市雨洪、水生態(tài)惡化、水資源緊缺、水環(huán)境污染、水安全缺乏保障等一系列問題[2-4]。

雨水徑流過程對地表狀況具有很高的敏感度，各種因素及其相互的作用，對徑流的影響都不容忽視。國內外在研究中都考慮到了城市下墊面在城市產流過程中的影響，不同的下墊面在產流時，其徑流量的產生、徑流發(fā)生時間和徑流系數(shù)已隨之變化[3,5-8]。產流過程就是指在不同的氣候條件和下墊面條件下，由于降水的發(fā)生從而發(fā)生徑流的過程。這個過程受到下墊面特征和降雨特性及其耦合作用的影響[9]。國內研究多在采用不同性質的下墊面來攔截減緩、存蓄徑流，達到減少城市徑流的目的[2,3,6,10-13]。國外20世紀80年代開始研究徑流的產流機制，并提出了諸多城市雨洪控制理論[14-17]。

筆者對城市典型下墊面(草地、植草磚、透水磚、細粒透水混凝土、粗粒透水混凝土、水泥混凝土和瀝青混凝土)的產流特征進行研究，從下墊面特征、降雨強度和降雨歷時3方面進行比較和分析，以確定這些因素對產流的影響和貢獻。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南京市白馬鎮(zhèn)，處于北亞熱帶向中亞熱帶的過渡區(qū)，四季分明，氣候溫和濕潤、雨量充沛、光照充足、無霜期長、水熱同季，年平均氣溫15.4 ℃，平均日照時間2 240 h，無霜期237 d，多年平均降雨量1 087.4 mm。位于南方紅壤區(qū)，土層深厚，有機質含量高。

試驗樣地為坡度5°、坡向北、規(guī)格2 m×5 m的水量平衡場。場地外圍埂用水泥抹面深入地下至不透水層，頂部高出地面15 cm；導流管半徑5 cm，通過軟管與水土流失自動監(jiān)測系統(tǒng)進水口相連。徑流小區(qū)內土壤自然沉降1 a，小區(qū)內分別鋪上草地、植草磚、透水磚、顆粒粗細不同的新型混凝土材料和水泥混凝土。其中草地、植草磚提前鋪設，徑流小區(qū)中草長勢良好。

2 研究方法

采用模擬降雨系統(tǒng)，設置30、60、80和120 mm/h 4個不同的降雨強度模擬自然降雨。徑流小區(qū)內隨機安放4個雨量筒，離地70 cm，測定降雨強度后取其平均值作為降雨強度。水量平衡場出水口連接水土流失自動監(jiān)測儀，監(jiān)測其徑流情況。根據不同降雨強度產生的不同徑流情況來分析各個不同下墊面的水文效應。

徑流的產生機制主要有超滲產流和蓄滿產流。為確保每次降雨的徑流產生機制一致，每次試驗前提前將試驗地充分浸水至飽和狀態(tài)，薄膜覆蓋，靜置24 h后進行實驗。實驗前在樣地里隨機取6個點量測土壤初始含水量。

主要實驗方法采用對比法。分別進行30、60、80和100 mm/h降雨強度以模擬小雨、中雨、大雨和暴雨，監(jiān)測其徑流情況，觀測對比不同降雨強度與不同下墊面條件下的徑流發(fā)生時間、徑流穩(wěn)定時間和徑流流速，最終分析降雨強度對下墊面水文效應的影響。

實驗采用的下墊面鋪裝材料分別為草地、植草磚、透水磚、細粒透水混凝土、粗粒透水混凝土、水泥混凝土和瀝青混凝土，分別代表不透水下墊面(瀝青混凝土和水泥混凝土)、透水下墊面(草地、植草磚、透水磚、細粒透水混凝土、粗粒透水混凝土)。本次實驗選用的下墊面材料見表1。

表1 不同下墊面類型的材料與特性

3 結果與分析

3.1 同一降雨強度下不同下墊面的徑流系數(shù)

在城市水文效應的研究中，徑流系數(shù)是分析降雨產流量的重要參數(shù)之一[18-19]。城市作為人工建造的區(qū)域，其下墊面具有諸多的復雜性和不確定性，因此其徑流系數(shù)也相應呈現(xiàn)出復雜性與區(qū)域性。在此背景下，為探究在固定降雨歷時的情況下不同下墊面對產流規(guī)律的影響，設置在降雨120 min的情況下，分別模擬草地、植草磚、透水磚、透水混凝土、粗粒透水混凝土、細粒透水混凝土、水泥混凝土和瀝青混凝土的徑流產生，結果如圖1所示。

圖1 不同下墊面類型的徑流系數(shù)Fig.1 Runoff coefficients of different underlying surface types

如圖1所示，在降雨強度、坡度都相同情況下，當降雨強度為30、60和80 mm/h時，不同城市下墊面的徑流系數(shù)大小比較為：瀝青混凝土>水泥混凝土>透水磚>細粒透水混凝土>粗粒透水混凝土>草地>植草磚。其中瀝青混凝土和水泥混凝土徑流系數(shù)接近1，說明當降雨發(fā)生時幾乎無降水損失，徑流轉化率都在0.9以上。這2種下墊面幾乎接近不透水材料。其次透水磚的徑流系數(shù)也隨降雨強度的增大由0.43變化到0.71，降雨發(fā)生時對雨水的調蓄功能明顯強于瀝青混凝土和水泥混凝土，降水發(fā)生時一部分水分就地入滲和存蓄。透水混凝土分為粗粒和細粒2種，從圖2中可以看出，粗粒透水混凝土的徑流系數(shù)小于細粒透水混凝土，主要由于粗粒透水混凝土的粒徑大于細粒透水混凝土的粒徑，同等承雨面積下，粗粒透水混凝土的孔隙度大于細粒透水混凝土，雨水下滲通道較多，孔隙持水量也大。同時，由于粒徑的不同，其地面粗糙度也不同，粗糙的地面可以有效阻滯雨水的匯集，攔蓄雨水，增加雨水的流動行程，減緩徑流速度[20-21]。

植草磚和草地的徑流系數(shù)最小。當普通降雨時，這2種下墊面的徑流系數(shù)只有0.2～0.3，說明有降雨發(fā)生時大多數(shù)的降水沒有轉化為徑流流走。首先，植草磚和草地都屬于城市可透水鋪裝下墊面，雨水可以直接到達土壤；其次地面植物的蒸騰作用，能夠導致深層土壤干燥化，當降水發(fā)生時，提供了充足的雨水存蓄空間與儲水條件；另外，植物對降雨的截留作用不容忽視，植物枝葉和植物根系對雨水的承接，吸附還有攔截，有效減小徑流量和徑流速度，使匯流時間增長，徑流系數(shù)減小。如圖2所示，當降雨強度達到100 mm/h時，草地的徑流系數(shù)小于植草磚，說明在發(fā)生暴雨時，在上述幾種城市下墊面中，草地對徑流的調蓄作用最為突出。

3.2 降雨強度對徑流系數(shù)的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，降雨強度的變化對城市透水鋪裝的產流影響較大，主要體現(xiàn)在徑流系數(shù)變化方面，當降雨強度較小時，城市透水鋪裝的徑流系數(shù)普遍較?。坏斀涤陱姸仍龃髸r，城市透水鋪裝的徑流系數(shù)呈較快上升趨勢，除草地與植草磚外，其他透水鋪裝的徑流系數(shù)均超過0.6，相比于不透水鋪裝(水泥混凝土和瀝青混凝土)，仍可減少30%的徑流產生。

如圖2所示，當降雨強度設計為30、60、80和100 mm/h時，各類鋪裝的徑流系數(shù)也發(fā)生較大的改變，尤其是城市硬質透水鋪裝，在低降雨強度(30 mm/h)下，對于徑流的削減能力突出，徑流系數(shù)在0.20～0.43之間，但隨著降雨強度的增加，單位時間內的降雨量遠超過雨水下滲量，產流量不斷增大[22]，在暴雨強度下，各類透水鋪裝中最大徑流系數(shù)達到0.71。值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的城市硬質鋪裝(水泥混凝土和瀝青混凝土)的徑流系數(shù)受降雨強度影響較小。主要是由于二者幾乎屬于不透水地面，當降雨發(fā)生時可以很快產生徑流并且降水損失較少，所以徑流系數(shù)與降雨強度變化關系不太明顯，徑流系數(shù)基本在0.9以上。

圖2 不同下墊面類型下徑流系數(shù)隨降雨強度的變化Fig.2 Variation of runoff coefficient with rainfall intensity under different underlying surface types

在影響徑流系數(shù)突變的降雨強度研究中發(fā)現(xiàn)受下墊面性質影響，不同下墊面徑流系數(shù)發(fā)生突變的降雨強度存在差距。植被覆蓋的下墊面(草地和植草磚)徑流系數(shù)隨降雨強度變化呈線性變化，無明顯突變過程。硬質鋪裝中透水磚在降雨強度由30 mm/h 變化至60 mm/h時，徑流系數(shù)發(fā)生較大的變化；細粒混凝土與粗?；炷猎诮涤陱姸?60 mm/h 于較低水平，降雨強度在60～80 mm/h時，徑流系數(shù)變化增大。

為了進一步定量化研究降雨強度對不同下墊面徑流系數(shù)的影響，本研究對每種下墊面徑流系數(shù)變化增幅k進行量化，其中草地的k值最小，說明降雨強度的變化對草地的徑流系數(shù)影響最小，草地的雨水下滲能力最好。其他幾種下墊面的k值比較為細粒透水混凝土<粗?；炷?植草磚<透水磚。所以，得出在相同的降雨歷時下，降雨強度變化對城市透水鋪裝徑流系數(shù)的影響力為草地<細粒透水混凝土<粗?；炷?植草磚<透水磚。而徑流系數(shù)與降雨強度大小呈正相關關系，是由于當降雨強度較大時，表層土壤在短時間內達到飽和狀態(tài)，雨水來不及入滲便匯集形成徑流。降雨強度越大，徑流系數(shù)越大。

3.3 降雨歷時對徑流系數(shù)的影響

降雨發(fā)生時，徑流系數(shù)隨降雨歷時改變，主要由于當降雨強度一定時，降雨時間的增加，導致降雨區(qū)域的降雨總量增加，降雨量的增加，土壤水分含量也急劇上升，必然帶來水分下滲能力的下降。而且大量的降水也會帶來地表雨水的積聚，此時地表粗糙度降低，徑流的阻滯、調蓄作用也相應減小。所以設計不同下墊面條件、相同降雨強度、相同坡降情況下徑流系數(shù)隨降雨歷時關系的實驗。圖3為7種下墊面在降雨強度(30 mm/h)和地面坡降(5°)不變的條件下，徑流系數(shù)隨降雨歷時的變化曲線關系。

圖3 不同下墊面類型的徑流系數(shù)隨降雨歷時的變化Fig.3 Variation of runoff coefficient with rainfall duration under different underlying surface types

從圖3可以看出，隨著降雨歷時的增加，透水下墊面的徑流系數(shù)呈現(xiàn)出先快速增長后逐漸平緩的變化趨勢。其中，草地與植草磚的變化趨勢一致，都在降雨發(fā)生60 min中徑流系數(shù)增幅減緩，且徑流系數(shù)低于0.3，說明此時降雨量與下墊面下滲阻滯量趨于平衡，產生的徑流也趨于穩(wěn)定，這也證實了城市中以草地為主的綠地對內澇的緩解有著積極的作用。透水磚、粗粒透水混凝土和細粒透水混凝土在降雨發(fā)生40 min后徑流系數(shù)增幅減緩，但整體增幅仍處于較高水平，但徑流系數(shù)整體處于較低水平，這對城市內澇的預防有著積極的作用。

同一降雨強度條件下，水泥混凝土和瀝青混凝土的徑流系數(shù)明顯高于其他5種下墊面。當降雨剛發(fā)生時，水泥混凝土和瀝青混凝土就以極快的速度達到穩(wěn)定值并穩(wěn)定下來，徑流系數(shù)增長速度越快，達到穩(wěn)定的時間越短，相應的最大徑流系數(shù)數(shù)值越大。這是由于水泥混凝土和瀝青混凝土接近不透水面，下滲水分較少，降水可以很快匯集并產生地表徑流。所以在一場降雨中，城市不透水下墊面的徑流系數(shù)處于較高水平且隨降雨歷時的變化不明顯。

與不透水下墊面相比，城市透水下墊面在一場降雨中的徑流系數(shù)變化較為明顯，無論是草地、植草磚、透水磚、細?；炷梁痛至；炷?，其徑流系數(shù)在前20 min呈快速增長趨勢，之后增長趨勢減緩，但隨著降雨歷時的增長，徑流系數(shù)的變化仍然較為明顯。當降雨到一定時間，徑流系數(shù)趨于平緩，說明此時的降雨速率與降雨量和土壤水分入滲速度等影響徑流的因素達到平衡狀態(tài)，但此時的徑流系數(shù)接近0.3～0.5。所以，在一場降雨中，當降雨歷時較短時，城市透水下墊面對于減緩城市地表徑流有很大作用，隨著降雨時間的增長，也將產生一定的徑流，但其產生的徑流仍小于城市不透水鋪裝產生的徑流，對于緩解城市內澇具有積極作用。

4 結論

1)在不同下墊面徑流系數(shù)的表現(xiàn)方面，透水下墊面的徑流系數(shù)小于不透水下墊面。其中草地在不同降雨強度和降雨歷時下的徑流系數(shù)最低，在0.20～0.40之間；不透水下墊面的徑流損失小，徑流系數(shù)在0.95～0.99之間。

2)在徑流系數(shù)變化方面，隨著降雨強度和降雨歷時的變化，不透水下墊面徑流系數(shù)無明顯變化，而透水下墊面中透水磚的徑流系數(shù)變化最大，徑流系數(shù)范圍在0.43～0.71之間。

3)在不同下墊面徑流系數(shù)的變化特征方面，透水下墊面在降雨強度和降雨歷時變化時，其徑流系數(shù)會呈現(xiàn)出明顯的突變區(qū)間。研究表明，當降雨發(fā)生40 min后，透水下墊面的徑流系數(shù)增幅減緩，而當降雨強度大于60 mm/h時，徑流系數(shù)會發(fā)生較大的增長。

基于上述研究成果，建議在防止城市內澇、建設生態(tài)城市和海綿城市中優(yōu)先選用各類透水下墊面，增加城市草地覆蓋率，增加城市透水鋪裝率，道路優(yōu)先選用透水混凝土，加強透水鋪裝排水效率，從根源減少城市徑流的產生。