天津城市下垫面降雨损失特性试验研究

杨 巧，汪志荣，潘声远，孙义秋

(天津理工大学 环境科学与安全工程学院, 天津 300384)

1 研究背景

伴随着城市化进程的加快，大面积的弱透水或不透水下垫面代替了原有的自然地表，下垫面的变化使得水文循环过程的降雨、入渗、径流、蒸发等环节发生改变，导致极端暴雨天气频发、区域入渗量减少、下垫面径流系数显著增大[1]，引发洪涝灾害等问题，严重威胁着人类的生命和财产安全[2]。在城市化的背景下，城市水文学成为了研究热点[3-5]，下垫面变化直接影响区域入渗、径流、蒸发等水文循环变化规律[6]，朱琳等[7]结合3S技术分析城市扩张引起的下垫面变化对入渗的影响，结果显示建设用地扩张831 km2,区内降雨入渗量减少约3 000万m3；Kuldip等[8]采用双环法测量透水性路面的透水性随时间的变化规律，发现随着时间的推移，透水性路面的入渗逐渐减小；Chen等[9]采用HEC-HMS模拟研究区域径流，研究表明由于城市下垫面的变化，从2001—2011年，研究区域年径流量增加了10%；童山琳等[10]基于Penman-Monteith-Leuning蒸散发反演模型，研究水田、旱地、草地转变为城市的过程对中蒸发的影响，发现旱地城市化使蒸发增多。

城市下垫面降雨损失特性是城市水文学研究的重要组成部分，大部分学者通过水量平衡的原理，通过径流量去计算降雨损失的大小。杨玉龙等[11]采用人工降雨模拟沥青及水泥路面的产汇流，认为这2种下垫面不透水性，通过观测到路面的产流时间与降雨强度相乘得到降雨损失量，但这部分损失仅为路面产流前的降雨损失，并未研究在降雨过程中的降雨损失。张应亮[12]以降水量与径流量的差值代表建筑屋面的降雨损失，此研究只是针对单一类型的建筑屋面，同样地对于降雨损失的组成没有针对性的研究，对于各部分的降水损失没有定量的计算。城市出现了各种透水性不同的下垫面，如沥青混凝土路面、硬质铺装路面、铺设SBS的建筑屋面等，大多数研究者都将它们视为不透水下垫面[13]，而城市中各类下垫面的径流系数并不为1[14]，因此不能主观地将任何下垫面视为不透水性下垫面。在城市典型下垫面中由于在室外条件下径流数据的测量难度较大，在城市水文相关研究中，径流数据缺失情况较多[15]，一方面造成了计算降雨损失大小的难度，另一方面径流量受降雨条件和下垫面特征的影响较大[16]，因此简单地通过降雨量与径流量的差值计算降雨损失的大小，不能掌握城市下垫面降雨损失的组成、大小及变化特征等降雨损失特性。

本研究选取研究区域典型下垫面，从测量入渗及蒸发这2个重要的降雨损失环节入手，拟采用情景分析的方法，选取5场代表性降雨事件，分析城市下垫面在不同降雨条件下的降雨损失特性，为城市水文学研究提供理论指导，同时对城市雨洪管理也具有重要意义。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区域典型下垫面特征

校园拥有与城市类似

的多种下垫面，是城市的一个典型缩影，因此本研究选取天津市西青区某高校为研究区域。研究区域地势平坦，图1为研究区域遥感影像图，于2018年12月通过无人机技术获取，经ArcGIS软件进行统计分析得到各类下垫面的信息如表1所示。

图1 研究区域遥感影像Fig.1 Remote sensing image of the study area

表1 研究区域下垫面信息Table 1 Information of underlying surface in the study area

研究区域代表性下垫面依次为绿地、道路、水体、建筑屋面、广场、体育场和停车场，因此本研究选取绿地、沥青混凝土路面、铺砖路面、水磨石路面、SBS屋面为典型下垫面，如图2所示。其中沥青混凝土路面基层采用矿料、碎石、砂等组成的混合料，压实厚度不超过100 mm，面层为石油沥青，厚度为2 mm。铺砖路面面层为陶土砖，长为220 mm、宽为110 mm、高为50 mm，基层为压实的土层。

图2 研究区域的5种典型下垫面Fig.2 Five typical underlying surfaces in the study area

2.2 研究方法

作为城市区域的水文循环过程，可以建立区域水量平衡方程，即

P=R+I+E+V+D。

(1)

式中:P为区域降雨量；R为区域径流量；I为区域入渗量；E为蒸发量；V为区域植物截留量；D为洼地蓄水量。

将式(1)无量纲化，则有

即，

α+β+γ+δ+ε=1 。

(2)

式中:α为径流系数;β为入渗损失率；γ为蒸发损失率；δ为植物截留率；ε为洼地蓄水比率。

显然，从总量上看城市区域各下垫面的降雨量主要有5部分的去向，降雨损失主要来源于入渗量、蒸发量、植物截留量以及洼地蓄水量。而从降雨损失的角度看，α=1-β-γ-δ-ε，即区域降雨产生径流系数α，取决于降雨入渗损失率β、降雨过程中的蒸发损失率γ、植物截留率δ和因地势不平而引起的洼地蓄水比率ε。

由于城市下垫面特性差异较大，因此可以根据几种特殊特性的下垫面情况，针对不同透水性的下垫面的水量平衡方程几种假设，如表2所示。

表2显示，城市中除去湖泊等水面只有蒸发损失外，其他各种形式的下垫面基本上都可以归类为以上8种情况，不同区域状况决定了该区域的降雨损失规律各有特点。

表2 几种具有代表性的城市下垫面降雨损失构成Table 2 Composition of rainfall losses in several representative urban underlying surfaces

本研究从测量研究区域典型下垫面入渗及蒸发两部分重要降雨损失环节，通过试验分析进行降雨损失特征，采用情景分析的方法分析各下垫面在不同降雨条件下降雨损失特性，于2020年5月开展入渗试验，结合区域蒸发能力和下垫面具体情况分析不同降雨条件下的降雨损失特性。

2.2.1 入渗损失的测定

本研究选择双环法测量绿地入渗过程，而其他4种下垫面均为硬质下垫面，利用玻璃胶将入渗仪密封在下垫面上，可有效防止侧渗，因此采用单环法测量其入渗过程，实验室内外环截面积分别为0.1、0.5 m2，高度均为20 cm，试验时选择平坦的下垫面，入渗水头设置为5 cm，由马氏瓶供水，保持内外环水位相差在1 cm之内，试验装置如图3所示。考虑下垫面的空间异质性，每种下垫面随机选取3个位置进行实验，取3组数据相同时段的入渗量的平均值为其入渗量，利用Origin软件将各下垫面入渗过程与Philip入渗模型拟合，Phlip入渗模型能较好地表达入渗过程，如式(3)，同时计算出入渗率的变化过程。

图3 试验装置Fig.3 Experimental device

I(t)=at0.5+bt。

(3)

式中:I(t)为入渗量(mm)；a为吸渗率(mm/min)；t为入渗时间(min)；b为稳定入渗率(mm/min)。

2.2.2 蒸发能力的测定

测量入渗过程中，同时利用ADM7A型蒸发器，从入渗开始时往蒸发器中加入1 000 mL水量，入渗试验结束时测量蒸发器中剩余水量，入渗过程中蒸发器中水量差即该下垫面区域蒸发能力，但蒸发能力仅代表下垫面充分供水条件下的可能达到的最大蒸发量，而下垫面在未充分供水的条件下，蒸发量小于蒸发能力，在分析下垫面蒸发损失时结合区域实际降雨条件进行分析。

3 城市下垫面降雨损失特征分析

3.1 下垫面入渗损失特征分析

5种下垫面的入渗过程如图4所示，结果显示在绿地、沥青混凝土路面及铺砖路面的累积入渗量呈逐渐增加的趋势，绿地累积入渗量曲线在入渗前1 h较陡，表明其累积入渗量增加速度较快；而沥青混凝土路面与铺砖路面累积入渗量曲线整体较平缓；水磨石路面与SBS累积入渗量为0。5种下垫面入渗速率呈逐渐减小的趋势，最终趋于稳定；绿地入渗速率曲线显示其入渗速率在入渗前1 h较陡，入渗速率减小较快，随后逐渐趋于平缓，相对于绿地入渗速率曲线，沥青混凝土路面与铺砖路面入渗速率曲线整体趋于平缓。

图4 5种下垫面累积入渗量及入渗速率随时间的变化过程Fig.4 Curves of cumulative infiltration and rate of infiltration over time for the five underlying surfaces

表3为5种下垫面的Philip入渗参数。由表3可以看出，下垫面的初始入渗参数a是决定下垫面的入渗性能的主要指标。a越大则下垫面的透水性越强，反之越弱。下垫面的稳渗率参数b表征了下垫面长时间积水时的入渗能力，b越大，表示下垫面的入渗潜力越大，越小意味着下垫面在入渗后期降雨入渗损失越小。表3显示，绿地初始入渗率为5.28 mm/min分别约为沥青混凝土路面的5倍，铺砖路面的8.66倍；而绿地的稳定入渗率分别为沥青混凝土路面和铺砖路面的1.57倍和2 200倍，这说明沥青混凝土比铺砖路面具有更强的入渗潜力；而水磨石路面及SBS屋面初始入渗率与稳定入渗率均为0，为非常明确不透水性下垫面。

表3 下垫面入渗参数Table 3 Infiltration parameters of underlying surfaces

3.2 蒸发损失特征分析

在各下垫面入渗试验过程中，蒸发器所监测到的蒸发数据，如表4所示，在各下垫面的入渗试验过程中，水磨石路面的路面蒸发量为0，无蒸发损失；而绿地、沥青混凝土、铺砖路面及SBS屋面的蒸发量均不为0，总体来看，各下垫面的蒸发量较小，但在研究城市下垫面的降雨损失过程中，蒸发损失的大小应结合区域的实际情况进行分析。

表4 5种下垫面蒸发量Table 4 Evaporation of the five underlying surfaces

3.3 其他损失特征分析

一般地，城市下垫面的降雨损失除入渗、蒸发外，其他的损失包括植物截留量、洼地蓄水量2部分。城市区域除了绿地(包括树木)外，植物截留量都可以不考虑，若研究区域地势平坦而光滑洼地蓄水量也可忽略不计，如水磨石下垫面。而某些相对粗糙的不透水和弱透水下垫面，如屋面、沥青/水泥混凝土下垫面洼地蓄水量一般都比较小，但应该结合下垫面入渗损失及蒸发损失的大小分析其他降雨损失。而绿地下垫面的植物截留和洼地蓄水损失则不可忽视。

4 城市下垫面在不同降雨条件下的降雨损失特性情景分析

以情景分析的方法，选取研究区域高精度自动气象监测站(TRM-ZS)的5场实测的代表性降雨事件，如表5所示。从各下垫面的入渗特征入手分析在实际的降雨事件中城市下垫面的降雨损失特性。

表5 降雨事件特征Table 5 Characteristics of rainfall events

4.1 绿 地

图5中(a)、(b)、(c)、(e)分别为绿地入渗速率曲线与中雨、大雨、暴雨及特大暴雨事件的降雨强度变化过程的对比图，这4场降雨事件中入渗速率均大于降雨强度，因此入渗损失等于降雨量；而图5(d)中显示此场大暴雨事件中在降雨前50 min入渗速率大于降雨强度，而随着降雨时间的推移，降雨强度大于入渗速率，绿地形成超渗产流，入渗损失占降雨量的比例减小，直到降雨强度小雨入渗速率，入渗速率又由降雨强度控制。

图5 绿地入渗速率与5场降雨事件降雨强度变化过程曲线对比Fig.5 Comparison between infiltration rate of green land and rainfall intensity of five rainfall events

由于绿地在这几场降雨事件的降雨过程中，蒸发损失相对于入渗损失非常小，可忽略不计，且为无植被平坦的下垫面，因此其降雨损失构成比例为形式7，即α=1-β。绿地在大暴雨事件中形成超渗产流，在特大暴雨事件中却没有形成超渗产流，原因是降雨等级是由12 h的降雨量大小去划分，而下垫面形成超渗产流是在各时段的降雨强度大于入渗速率时形成的。

4.2 沥青混凝土路面

同样地，图6中(a)、(b)、(c)图分别为沥青混凝土路面入渗速率曲线与中雨、大雨、暴雨事件的降雨强度变化过程的对比图，这3场降雨事件中入渗速率均大于降雨强度，入渗损失等于降雨量；图6(d)表明此场大暴雨事件中在降雨前约40 min入渗速率大于降雨强度，而随着降雨时间的推移，降雨强度大于入渗速率，下垫面形成超渗产流，入渗损失占降雨量百分比减小，直到降雨70 min后降雨强度小雨入渗速率，入渗速率由降雨强度控制；而图6(e)显示此场特大暴雨事件在降雨前约10 min入渗速率大于降雨强度，随着降雨时间的推移，降雨强度大于入渗速率，下垫面形成超渗产流，入渗损失占降雨量的百分比减小，同样地随着降雨强度的减小，入渗速率在降雨30 min后大于降雨强度，入渗速度由降雨强度控制；对比图6(d)、图6(e)两图，沥青混凝土路面在特大暴雨事件中，形成超渗产流的时间非常短，这对于区域排水管网也造成了较大压力，容易引发区域内涝。

图6 沥青混凝土路面入渗速率与5场降雨事件降雨强度变化过程曲线对比Fig.6 Comparison between infiltration rate of asphalt concrete pavement and rainfall intensity of five rainfall events

由于沥青混凝土路面在这几场降雨事件的降雨过程中，蒸发损失相对于入渗损失非常小，可忽略不计，且为无植被平坦的下垫面，因此其降雨损失构成比例为形式7，即α=1-β；总体来讲，当降雨强度大于入渗速率时，下垫面产流，图6(d)和图6(e)中由降雨强度曲线与入渗速率曲线所围成的面积即为径流量，面积越大，入渗损失占降雨量的比例越小。

4.3 铺砖路面

图7中(a)和(b)分别为铺砖路面入渗速率曲线与中雨和大雨事件的降雨强度变化对比，在这两场降雨事件中，入渗速率均大雨降雨强度，入渗损失等于降雨量；图7(c)显示在此场暴雨事件中，在降雨前约15 min，入渗速率大于降雨强度，随着降雨时间的推移，降雨强度大于入渗速率，下垫面超渗产流，入渗损失占降雨量的百分比减小，而随着降雨强度的减小，降雨40 min后入渗速率大于降雨强度，入渗损失由降雨强度控制；图7(d)表明在此场大暴雨事件降雨前约20 min，入渗速率大于降雨强度，入渗损失等于降雨量，在降雨20 min后降雨强度均大于入渗速率，下垫面超渗产流，入渗损失占降雨量的百分比减小；而图7(e)显示在此场特大暴雨事件中降雨约5 min后到降雨35 min之间降雨强度大于入渗速率，下垫面迅速产流，而随着降雨强度的减小，在降雨35 min后入渗速率大于降雨强度，下垫面径流及降雨量通过入渗损失，入渗损失占降雨量的百分比很小。

图7 铺砖路面入渗速率曲线与5场降雨事件降雨强度变化过程曲线对比Fig.7 Comparison between infiltration rate of brick pavement and rainfall intensity of five rainfall events

同样地铺砖路面在这几场降雨事件的降雨过程中，蒸发损失相对于入渗损失非常小，可忽略不计，且为无植被平坦的下垫面，因此其降雨损失构成比例为形式7，即α=1-β；同样地，当降雨强度大于入渗速率时，下垫面产流，图7中的(c)、(d)、(e)图由降雨强度曲线与入渗速率曲线所围成的面积即为径流量，面积越大，入渗损失占降雨量的比例越小。

4.4 水磨石路面

水磨石为不透水性下垫面，无入渗损失，图8中水磨石路面入渗速率与5场降雨事件的降雨强度所围成的面积较大，表明在这5场降雨事件中，水磨石路面产流量较大，虽然在5场降雨事件中，只有在中雨事件中蒸发量为0.1 mm，也不可忽略，且为无植被表面极其光滑的下垫面，因此水磨石路面降雨损失比例为下垫面形式8，即α=1-γ。

图8 水磨石路面入渗速率曲线与5场降雨事件降雨强度变化过程曲线对比Fig.8 Comparison between infiltration rate of terrazzo pavement and rainfall intensity of five rainfall events

4.5 SBS屋面

SBS屋面与水磨石路面一样为不透水性下垫面，无入渗损失，此时其他损失应充分考虑，因此虽然在5场降雨事件中，只有在中雨事件中蒸发量为0.1 mm，也不可忽略，且由于在铺装SBS过程中存在不平整的情况，因此会有少量的降水会停留在下垫面表面，最终通过蒸发损失，因此SBS屋面降雨损失比例为形式6，即α=1-γ。

5 结 论

(1)城市下垫面的降雨损失构成为为本文提出的8种下垫面形式情况。在不同降雨条件下，透水性较强的下垫面的降雨损失入渗损失较大，蒸发及其他损失相对于入渗损失较小，可忽略不计，但透水性较弱或不透水性下垫面入渗损失很小甚至无入渗损失，此时蒸发及其他损失不可忽视。

(2)绿地初始入渗率为5.28 mm/min，分别约为沥青混凝土路面的5倍、铺砖路面的8.66倍；绿地的稳定入渗率为0.22 mm/min，分别为沥青混凝土路面和铺砖路面的1.57倍和2 200倍；而水磨石路面和SBS屋面初始入渗率与稳定入渗率均为0，为不透水性下垫面。

(3)对于透水性下垫面，绿地在大暴雨事件中形成超渗产流，产流时间为40 min；沥青混凝土路面在大暴雨和特大暴雨事件中形成超渗产流，产流时间分别为40、10 min；铺砖路面在暴雨、大暴雨、特大暴雨事件中形成超渗产流，产流时间相对于沥青混凝土路面较短。

(4)对于不透水下垫面，水磨石路面与SBS屋面无入渗损失，蒸发及其他降雨损失也非常小，在降雨过程中产流非常迅速。

由于城市下垫面是由各种单一下垫面组成的复合下垫面，因此，未来的研究中应在单一下垫面的研究工作基础上开展城市复合下垫面的降雨损失特性研究，充实城市水文学理论和实践。