年徑流總量控制率優化研究

陳 佳, 郭 渠, 李 瑞, 何慧根

(1.四川省遂寧市氣象局,四川 遂寧 629000；2.重慶市氣候中心,重慶 401147；3.濟南市氣象局,濟南 250102)

引 言

年徑流總量控制率是海綿城市建設中的重要控制指標之一，是徑流總量控制、徑流污染控制和徑流峰值控制等指標的實施載體；是海綿城市建設必要的基礎數據；與設計降雨量為一一對應關系，其大小直接影響城市投資規模與經濟、生態環境效益[1-2]?！逗＞d城市建設技術指南(試行)》(下稱《指南》)明確了我國大陸年徑流總量控制率及其對應的設計降雨量，為我國不同區域海綿城市建設提供了技術保障[3-4]。

2015年我國啟動了第一批海綿城市試點示范建設，隨著試點范圍擴大和相關理論體系不斷完善，《指南》中徑流總量控制指標的局限性突顯。主要表現為:一是海綿城市建設是城市雨水開發管理體系工作，技術規范需結合當地情況作詳細分析[5-9]，需各地因地制宜探索完善年徑流總量控制率實施標準[6]；二是一些海綿城市在綠化用地、居住區、小廣場等規劃設計中，有時需要60%～85%范圍以外的指標，而《指南》中沒有其可查數據，也少有相關文獻；三是《指南》中年徑流總量控制率的計算基本采用1983-2012年氣象觀測資料，由于區域氣候變化存在明顯的階段性特征，有必要采用最新的觀測資料更新年徑流總量控制率。

重慶地處我國西南地區東部，境內地形條件復雜，立體氣候復雜多樣，是全國第一批海綿城市建設試點。重慶為山地試點城市，開展重慶海綿城市建設理論研究將具有重要的示范性和代表性。一些學者優化了重慶市主城區城市綠地布局結構[10-11]，補充了山地海綿城市建設徑流總量控制指標[12]，研究了主城區排水總體規劃技術路線[13]，分析了適合重慶山地海綿城市建設規劃對策[14]。研究認為，重慶海綿城市建設在《指南》指導的同時，還需考慮山地地形、氣候特征和城市總體規劃，以便發揮最佳的建設效益。

本文在《指南》基礎上，采用重慶市主城區北碚、渝北、巴南和沙坪壩4個氣象站1981-2018年日降水數據，根據主城區降水時間和空間分布特征，以及復雜地形等因素，對《指南》中的年徑流總量控制率進行優化，以便為重慶海綿城市建設決策提供可靠依據。

1 資料與方法

本文所用資料為重慶市氣象信息與技術保障中心提供的重慶市主城區北碚、渝北、巴南和沙坪壩站1981-2018年逐日降水數據，以及2013-2018年重慶市主城區225個區域自動氣象站日降水資料，所有資料均經過質量控制。

采用《指南》推薦的方法，在計算年徑流總量控制率對應的設計降雨量時，先扣除站點1981-2018年2 mm及以下降水事件，將降雨量日值按雨量由小到大進行排序，統計小于某一降雨量的降雨總量(小于該降雨量的按真實雨量計算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計算出降雨總量，兩者累計總和)在總降水量中的比率，此比率(即年徑流總量控制率)對應的降雨量(日值)即為設計降雨量[4]。

2 年徑流總量控制率推算

《指南》把我國大陸的年徑流總量控制率分為5個區域，其中重慶東北部屬Ⅳ區，東南部、西部和主城區屬Ⅲ區。按《指南》中各城市年徑流總量控制率的最高和最低限值要求，重慶市主城區年徑流總量控制率取值為75%～85%，《指南》推薦的設計降雨量范圍為20.9～31.9 mm(表1)。表2給出了重慶市主城區北碚、渝北、巴南和沙坪壩站采用1981-2018年數據計算的年徑流總量控制率對應的設計降雨量。從表2可以看出，年徑流總量控制率為75%～85%時，北碚站對應的設計降雨量為23.7～36.5 mm，渝北站為22.2～33.7 mm，沙坪壩站為21.6～32.9 mm，巴南站為19.5～29.3 mm。與《指南》相比，沙坪壩、北碚和渝北站推算的年徑流總量控制率偏大，而巴南站的偏小。

表1 《指南》中重慶地區年徑流總量控制率對應的設計降雨量

由表2還發現，1981-2018年來北碚、渝北、巴南和沙坪壩站大于設計降雨量的年平均降雨場次和超過設計降雨量占總降水量的百分比不同。如，年徑流總量控制率為80%時，北碚、渝北、巴南和沙坪壩站超過設計降雨量的年平均降雨日數分別為8.6、10.1、10.7和9.8日，有42.2%、44.2%、43.9%和43.5%超過設計降雨量的降雨溢流排放；在年徑流總量控制率達到85%時，被溢流排放的降雨量比例分別為36.0%、35.0%、36.4%和35.2%；在年徑流總量控制率達到90%時，被溢流排放的降雨量比例分別為27.6%、24.4%、26.8%和26.2%。根據《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見》文件要求，要達到把70%降水截留下來而不流走，重慶市主城區年徑流總量控制率應在85%～90%為宜。

表2 1981-2018年重慶市主城區年徑流總量控制率對應的設計降雨量

圖1給出了北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率與設計降雨量的關系曲線。由圖1可見，隨著設計降雨量的增加，年徑流總量控制率均呈對數增加趨勢，在各站設計降雨量相同的條件下，對應的年徑流總量控制率存在差異。年徑流總量控制率在80%以下時，設計降雨量增加趨勢明顯，對控制率的影響較大；控制率達90%之后，設計降雨量增加趨勢減緩，對控制率的影響較小。潘國慶等[15]研究指出，在控制率變化趨緩時，設施規模的擴大將帶來規模綜合效益的下降。如，北碚、渝北、巴南和沙坪壩站的設計降雨量為30 mm時，對應的年徑流總量控制率分別為81.1%、83.0%、86.0%和83.4%；設計降雨量增加至60 mm時，年徑流總量控制率僅分別增加12.9%、11.4%、10.4%和11.4%。由此可看出，設施規模增加1倍時，年徑流總量控制率僅增加12%左右。另外，重慶市主城區暴雨或大雨的雨峰靠前，降水歷時較短且集中，較短時間內易形成雨水匯流，大面積出現地表沖刷的可能性較大[13]。如果控制初期雨水徑流，則控制城市洪澇和雨水徑流污染效果更佳。

圖1 重慶市主城區年徑流總量控制率與設計降雨量的關系曲線

3 年徑流總量控制率優化

《指南》推薦采用長序列的全年日降雨量資料計算年徑流總量控制率對應的設計降雨量，但對于降水年內變化較大的地區，尤其是降水集中于夏季的地區，計算結果可能會降低年徑流總量控制率指標[16]，影響海綿城市建設綜合效益。重慶地處較為復雜的東亞季風區，地形復雜，降水空間分布差異較大[17]，年徑流總量控制率指標應結合實際進行確定。下面將綜合考慮重慶市主城區降雨年內變化、空間分布特點，從時間和空間上對年徑流總量控制率進行優化。

3.1 時間上的優化

圖 2給出了北碚、渝北、巴南和沙坪壩1981-2018年各月平均降水量變化圖。由圖 2可見，各站6月降水量最大，其次是5、7、8、9、10和4月的降水量，12月的最小。從年內降水分布來看，降水量主要集中在4-10月，占全年的85.5%。其中，夏季(6-8月)降水最多，平均達481.2 mm，占全年的42.9%；11月-次年3月降水較少，僅占全年的14.5%。為此，結合重慶市主城區年內降雨變化特點，采用4-10月日降雨資料計算設計降雨量，使年徑流總量控制率指標將更符合重慶市主城區氣候特征。

圖2 1981-2018年北碚站(a)、渝北站(b)、巴南站(c)和沙坪壩站(d)月降水量

經過對北碚、渝北、巴南和沙坪壩站1981-2018年4-10月降雨數據的整理，排除資料中小于2 mm的降雨日，計算出各站年徑流總量控制率對應的設計降雨量(表 3)。在年徑流總量控制率取值范圍為75%～85%時，北碚站對應的設計降雨量范圍為26.5～39.7 mm，渝北站的為24.8～36.9 mm，巴南站的為21.9～32.2 mm，沙坪壩站的為24.0～35.7 mm。與優化前相比，優化后的設計降雨量均偏大(圖 3)。如年徑流總量控制率在85%時，北碚、渝北、巴南、沙坪壩站優化后的設計降雨量分別偏大3.2、3.2、2.9和2.8 mm。這是由于重慶地區降水量和強降雨(日降雨量≥50 mm)日數主要集中于夏半年(4-10月)，而冬半年(11月-次年3月)以小雨和中雨(日降雨量<25 mm)為主，使用4-10月資料提高了強降雨雨量占年總降水量的比例，以致年徑流總量控制率及其對應的設計降雨量增大。

圖3 采用1981-2018年4-10月降水資料計算年徑流總量控制率對應的設計降雨量與1-12月資料計算結果的差值變化

表3 優化后的年徑流總量控制率對應的設計降雨量(使用1981-2018年4-10月降水資料)

3.2 空間上的優化

近年來在全球變暖的氣候背景下，我國各地降水響應有所差異且區域性明顯，給區域城市雨水資源利用及城市防洪治澇帶來了更大的潛在壓力[18-20]。重慶市主城區只采用一個年徑流總量控制率標準，既不利于主城區水資源合理利用和應對氣候變化的潛在風險，也不能顧及降水空間差異對城市排澇風險的可能影響[21-23]。因此，有必要根據主城區降雨氣候特征針對性地優化北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率空間使用范圍。

重慶市主城區面積約為5473 km2，包括巴南區、渝北區、九龍坡區、江北區、北碚區、大渡口區、南岸區、沙坪壩區和渝中區，共有4個國家氣象站(北碚站、渝北站、巴南站、沙坪壩站)和225個區域自動氣象站?？紤]到資料的完整性，本文采用4個國家氣象站和159個區域自動氣象站2013-2018年日降水資料，分析重慶市主城區降水的空間分布特征，劃分北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率指標的使用范圍。

由于區域自動氣象站降水觀測資料時間較短(只有6 年)，需分析其時間代表性。表4給出了北碚、渝北、巴南和沙坪壩站2013-2018年和1981-2018年平均降水量。由表4可以看出，4個站1981-2018年平均降水強度小于2013-2018年的平均強度，符合近年來重慶主城區夏季和年降水量增加的事實[24]。圖4給出了重慶市主城區降水量空間分布。由圖4可以看出，重慶市主城區地形復雜，降水具有明顯的局地特征。6月(圖4a)、4-10月(圖4b)和年(圖4c)平均降水量空間分布基本一致，220 mm、960 mm、1150 mm等值線基本沿嘉陵江和長江，形成3個不同降水量級區域，其中長江以南區域的最小，嘉陵江和長江以北區域的次之，嘉陵江和長江之間區域的最大。這與靳俊偉等[13]、郭渠等[25]利用重慶市主城區各區域氣象站逐日降水資料，根據不同短歷時強降水閾值，統計出的降水空間分布特征相同。

表4 北碚、渝北、巴南和沙坪壩站不同時期平均降水量 mm

圖4 重慶市主城區降水量分布

圖5給出了北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率對應的設計降雨量對比。由圖5可以看出，年徑流總量控制率對應的設計降雨量以巴南站的最小，巴南、北碚和渝北站年徑流總量控制率對應的設計降雨量相對于沙坪壩站的差值百分率分別為-7.3%、7.9%和2.3%，其中沙坪壩站與渝北、北碚站的年徑流總量控制率對應的設計降雨量值較為接近。

圖5 北碚、渝北、巴南和沙坪壩站年徑流總量控制率對應的設計降雨量對比

根據北碚、渝北、巴南、沙坪壩站年徑流總量控制率對應的設計降雨量比較結果和主城區降水量空間分布特征，同時考慮城市設計規劃和建設管理及使用上的方便，劃定各站年徑流總量控制率指標使用范圍(圖6)：①嘉陵江和長江之間的區域使用沙坪壩站資料計算的年徑流總量控制率指標，范圍有九龍坡區、沙坪壩區、大渡口區、渝中區和嘉陵江以南的北碚區域。②長江以南區域使用巴南站資料計算的年徑流總量控制率指標，范圍有南岸區和巴南區。③嘉陵江和長江以北的地區使用渝北站資料計算的年徑流總量控制率指標，范圍有江北區、渝北區和嘉陵江以北的北碚區域。④北碚站資料計算的年徑流總量控制率指標不推薦使用。

圖6 重慶市主城區年徑流總量控制率對應的設計降雨量使用范圍分布

4 小 結

(1)基于1981-2018年北碚、渝北、巴南、沙坪壩站逐日降水量數據，采用《指南》推薦方法，建立了各站年徑流總量控制率與設計降雨量的對應關系。隨著設計降雨量的增加，各站年徑流總量控制率呈對數形式增加，即年徑流總量控制率在80%以下時，設計降雨量增加趨勢明顯，控制率達90%之后，設計降雨量增加趨勢減緩。推算的沙坪壩、北碚、渝北和巴南站60%、70%、75%、80%、85%年徑流總量控制率對應的設計降雨量較《指南》中的偏大，而巴南站的則相反。

(2)重慶市主城區降雨量年內分布差異較大，主要集中于4-10月，占全年降水量的85.5%。根據1981-2018年4-10月日降水數據，優化各站年徑流總量控制率對應的設計降雨量，與優化前的相比，各站設計降雨量均增大，徑流控制目標更為嚴格。

(3)重慶市主城區地形復雜，降水局地特征明顯，根據降水空間分布特征和從城市建設規劃和使用上的方便角度，優化了各站年徑流總量控制率指標的使用范圍：渝北站計算的年徑流總量控制率適用于嘉陵江和長江以北的區域，沙坪壩站計算的年徑流總量控制率適用于嘉陵江和長江之間的區域，巴南站計算的年徑流總量控制率適用于長江以南區域，北碚站計算的年徑流總量控制率不推薦使用。