張?jiān)讫垼?王 烜， 李春暉， 蔡宴朋， 王慧聰

(1.北京師范大學(xué) 水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100875；2.北京師范大學(xué) 水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100875)

1 研究背景

水域作為人類社會(huì)的重要組成部分，為人類社會(huì)的生產(chǎn)生活提供了多種生態(tài)服務(wù)功能，如行洪除澇、改善人居環(huán)境等。然而，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速，各地區(qū)下墊面發(fā)生著顯著的變化，大量的水體被侵占，隨之引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。其中，由于水域空間缺乏導(dǎo)致對(duì)降水儲(chǔ)蓄能力降低、吸納消解城市洪澇的能力嚴(yán)重不足等問(wèn)題尤為突出，給人類的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失[1-2]。行洪除澇作為區(qū)域水體最重要的功能之一，與人居環(huán)境的維護(hù)密切相關(guān)，同時(shí)也是水安全的核心評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[3]。城市生態(tài)系統(tǒng)行洪除澇功能的正常發(fā)揮需要有一定的水域空間作為支撐。適宜水域率是從某一區(qū)域的現(xiàn)狀和現(xiàn)行有效法律、法規(guī)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，考慮水域的多種功能，提出評(píng)估在自然力與人類活動(dòng)雙重作用下人類社會(huì)和水域自身的協(xié)調(diào)發(fā)展程度的一項(xiàng)指標(biāo)，旨在促進(jìn)人類與自然和諧共處[4]。因此，如何根據(jù)暴雨強(qiáng)度和下墊面特征，結(jié)合現(xiàn)行行洪除澇標(biāo)準(zhǔn)，提出兼顧科學(xué)性和可操作性、基于行洪除澇功能的適宜水域率計(jì)算方法對(duì)于城市水安全管理顯得尤為重要。

我國(guó)在《城市水系規(guī)劃規(guī)范》(GB50513-2009(2016年版))中，提出了針對(duì)城市的適宜水域面積率，對(duì)城市區(qū)位進(jìn)行劃分，分為一區(qū)城市、二區(qū)城市、三區(qū)城市，規(guī)定水域面積率分別為8%～12%、3%～8%、2%～5%。該劃分結(jié)果沒(méi)有充分考慮區(qū)域降水和下墊面結(jié)構(gòu)特征，具有主觀性，不符合實(shí)際水域發(fā)展需要。胡堯文等[5]、王士武等[6]根據(jù)區(qū)域行洪除澇標(biāo)準(zhǔn)，在城市防洪排澇治理時(shí)，對(duì)增加區(qū)域內(nèi)部水域的滯洪澇能力的城區(qū)合理水域率進(jìn)行論證。此外，一些學(xué)者通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬方法來(lái)計(jì)算基于行洪除澇功能的適宜水域率，其中最為常見(jiàn)的是利用MIKE系列軟件進(jìn)行區(qū)域水力學(xué)模擬[3,7]。雖然模型模擬方法具有一定的優(yōu)勢(shì)，但該方法對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的要求較高，并且模型的通用性較差，不適合在全國(guó)范圍內(nèi)推廣?？傮w來(lái)看，目前適宜水域率沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)，定量計(jì)算方法的研究亟待深入。針對(duì)各區(qū)域暴雨強(qiáng)度和下墊面產(chǎn)流量不同的特點(diǎn)，本文提出基于行洪除澇功能的適宜水域率確定方法，并以國(guó)家重點(diǎn)防洪城市安徽省蚌埠市為例進(jìn)行實(shí)證研究。本研究可為制定面向洪澇災(zāi)害防治、人居環(huán)境健康的城市規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)，并為全國(guó)各地區(qū)適宜水域率的研究提供借鑒。

2 計(jì)算方法

本研究以不同地區(qū)暴雨強(qiáng)度和下墊面種類產(chǎn)流量不同作為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)造水域行洪除澇的適宜水域率確定方法的理論框架及流程(圖1)。首先，該模型根據(jù)區(qū)域暴雨強(qiáng)度以及各下墊面產(chǎn)流公式，計(jì)算各下墊面條件下的產(chǎn)流特征以及區(qū)域總產(chǎn)流量；其次，根據(jù)當(dāng)前下墊面情景下的總產(chǎn)流量，確定區(qū)域所需排澇能力(q需)；再次，判斷區(qū)域?qū)嶋H所能提供排澇能力(q實(shí))能否滿足所需排澇能力(q需)，如果不能滿足(q需>q實(shí))，則調(diào)整研究區(qū)各類型下墊面所占比例，增加水域面積；最后，確定區(qū)域適宜水域率。該方法概念清晰、計(jì)算簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)，可避免運(yùn)用流域水文模型(如MIKE系列軟件等)時(shí)繁復(fù)的數(shù)據(jù)收集和運(yùn)算，便于相關(guān)管理部門推廣應(yīng)用。

圖1 適宜水域率計(jì)算的理論框架及流程

2.1 暴雨強(qiáng)度計(jì)算

暴雨強(qiáng)度公式用于計(jì)算單位面積上某一歷時(shí)降雨的體積。目前，全國(guó)大部分城市都建立了適應(yīng)于本地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式[8]。本研究利用在城市化區(qū)域排水設(shè)計(jì)中常采用的短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式，設(shè)置不同防洪標(biāo)準(zhǔn)下的降雨情景，為城市洪澇災(zāi)害預(yù)警與預(yù)防提供基礎(chǔ)。短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式如下：

(1)

式中：A1為雨力參數(shù)，mm；C為雨力變動(dòng)參數(shù)；P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min；b為降雨歷時(shí)修正參數(shù)，min；n為暴雨衰減指數(shù)；q為重現(xiàn)期為P年的t時(shí)段內(nèi)平均降水強(qiáng)度，L/(s·hm2)。

2.2 下墊面產(chǎn)流計(jì)算

針對(duì)平原地區(qū)，本研究采用蓄滿產(chǎn)流的方法，對(duì)各下墊面在設(shè)計(jì)暴雨情景下的產(chǎn)流量進(jìn)行計(jì)算。將下墊面劃分為水田、旱地(包括荒地)、水體和建設(shè)用地4類，針對(duì)不同下墊面的產(chǎn)流特點(diǎn)，分別采用以下公式(2)～(6)計(jì)算其產(chǎn)流量。

R水田=P-h田蓄-E水田t,E水田=βE80

(2)

R旱地=α旱地P

(3)

R水體=P-h蓄-E水體t,E水體=γE20

(4)

R建設(shè)=α建設(shè)P

(5)

R總=f水田R水田+f旱地R旱地+f水體R水體+f建設(shè)R建設(shè)

(6)

式中：R水田為水田產(chǎn)流量，mm；P為降雨量，mm；h田蓄為水田滯蓄水深，mm；E水田為水田田間蒸發(fā)量，mm/d；t為排澇天數(shù)；β為水田蒸發(fā)折算系數(shù)；E80為80 cm蒸發(fā)皿水體平均日蒸發(fā)量，mm/d；R旱地為旱地產(chǎn)流量，mm；α旱地為旱地徑流系數(shù)，取0.2；R水體為水體產(chǎn)流量，mm；h蓄為水體滯蓄水深，即汛前預(yù)降水深，mm；E水體為水體蒸發(fā)量，mm/d；γ為水體蒸發(fā)折算系數(shù)；E20為20 cm蒸發(fā)皿水體平均日蒸發(fā)量；mm/d；R建設(shè)為建設(shè)用地產(chǎn)流量，mm；α建設(shè)為建設(shè)用地徑流系數(shù)，取0.75；R總為單位面積總產(chǎn)流量，mm；f水田為水田面積百分比，%；f旱地為旱地面積百分比，%；f水體為水體面積百分比，%；f建設(shè)為建設(shè)用地面積百分比，%。

2.3 適宜水域率確定

根據(jù)研究區(qū)單位面積總產(chǎn)流量(R總)，研究區(qū)面積(A)以及作物允許耐淹歷時(shí)確定的排澇天數(shù)(t)，計(jì)算各暴雨情景下區(qū)域所需的排澇能力(q需)。如果區(qū)域所需排澇能力大于實(shí)際所能提供的排澇能力(q需>q實(shí))，就會(huì)出現(xiàn)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。本研究通過(guò)合理調(diào)整各下墊面面積比，從而減少產(chǎn)流量，使所需排澇能力滿足區(qū)域?qū)嶋H所能提供的排澇能力。最終，根據(jù)優(yōu)化后各下墊面的面積比，確定區(qū)域適宜的水域率，公式如下：

q需=

(7)

約束條件：

f水體=1-f水田-f旱地-f建設(shè)，q實(shí)>q需

(8)

式中：q需為區(qū)域所需的排水能力，m3/s；q實(shí)為區(qū)域?qū)嶋H所能提供的排水能力，m3/s；R水田、R旱地、R水體、R建設(shè)分別為水田、旱地、水體、建設(shè)用地單位面積產(chǎn)流量，mm；f水田、f旱地、f水體、f建設(shè)分別為水田、旱地、水體、建住用地面積比例，%；A為區(qū)域面積，m2；t為排澇天數(shù)，主要根據(jù)作物的允許耐淹歷時(shí)確定；k為時(shí)間單位換算系數(shù)，8.64×107。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

蚌埠市地處安徽省東北部(圖2)，位于淮河中游，地勢(shì)相對(duì)平坦，地面高程在20 m左右。境內(nèi)水系縱橫，河網(wǎng)眾多，屬淮河流域內(nèi)的中心城市，同時(shí)也是全國(guó)性綜合交通樞紐城市。由于淮河干流水位較高，同時(shí)內(nèi)河下游地勢(shì)相對(duì)低洼，導(dǎo)致蚌埠市內(nèi)水自排不暢，每年汛期洪水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月(5-9月)。因此，蚌埠市是國(guó)家防汛抗旱指揮部首批確定的全國(guó)25座重點(diǎn)防洪城市之一，暴雨時(shí)極易形成洪澇災(zāi)害，如1950、1954、1956、1965、1972和1991年等均發(fā)生了較為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害[9-10]。蚌埠市包括4區(qū)3縣，總面積為5 952 km2，總?cè)丝?45×104人[11]。淮河流域是我國(guó)各大流域中人口最稠密的地區(qū)和重要的糧食生產(chǎn)基地之一，保障農(nóng)業(yè)安全和人居安全具有舉足輕重的地位。故本研究將蚌埠市作為研究基于行洪除澇功能的適宜水域率的代表性區(qū)域。

圖2 研究區(qū)位置圖

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 蚌埠市暴雨強(qiáng)度情景設(shè)置 根據(jù)蚌埠市暴雨強(qiáng)度公式(公式(1)中取C=0.77，b=12 min，A1=15.27 mm，n=0.774)[12]，計(jì)算不同重現(xiàn)期下1日和3日降雨歷時(shí)平均暴雨強(qiáng)度(圖3)。結(jié)果顯示：不同重現(xiàn)期下平均暴雨強(qiáng)度范圍為4.8～25 L/(s·hm2)。根據(jù)平均暴雨強(qiáng)度以及降雨歷時(shí)，計(jì)算蚌埠市不同重現(xiàn)期下1日和3日降雨歷時(shí)總降雨量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。結(jié)果顯示： 50年一遇1日降雨歷時(shí)下總降雨量為181.54 mm，100年一遇3日降雨歷時(shí)下總降雨量達(dá)到257.17 mm。

3.2.2 各下墊面單位面積產(chǎn)流量 通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，確定蚌埠市E水田= 7 mm/d、E水體=4 mm/d、h田蓄=60 mm、h蓄=600 mm，研究區(qū)主要種植作物小麥耐淹天數(shù)為2 d，則t=2d[13-15]。采用公式(2)～(5)計(jì)算各下墊面單位面積產(chǎn)流量。其中，產(chǎn)流量負(fù)值代表在當(dāng)前暴雨強(qiáng)度和滯蓄水深情景下，下墊面不會(huì)發(fā)生蓄滿產(chǎn)流，相反還具有容納其他下墊面產(chǎn)流量的能力，負(fù)值越小表示剩余容納能力越強(qiáng)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5和6。

圖3 蚌埠市不同重現(xiàn)期1日和3日降雨歷時(shí)下平均暴雨強(qiáng)度

圖4 蚌埠市不同重現(xiàn)期1日和3日降雨歷時(shí)下總降雨量

蚌埠市50年一遇1日暴雨量情景下，單位面積水田、旱地、水體及建設(shè)用地產(chǎn)流量分別為107.5、36.3、-426.5和136.2 mm(圖5)。100年一遇3日暴雨量情景下，蚌埠市單位面積水田、旱地、水體及建設(shè)用地產(chǎn)流量分別為183.2 、51.4、-350.8 和192.9 mm(圖6)。計(jì)算結(jié)果表明：?jiǎn)挝幻娣e的建設(shè)用地和水田產(chǎn)流量較高。因此，理論上預(yù)防暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生最有效的方式是優(yōu)化各下墊面百分比，降低建設(shè)用地和水田面積，同時(shí)增加水體面積，減少區(qū)域總產(chǎn)流量，從而降低洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性和危害性。

3.2.3 蚌埠市單位面積總產(chǎn)流量 以2005年土地利用狀況為例，蚌埠市總面積為5 952 km2，其中水田占18%，旱田及自然保留地占59%，建設(shè)用地占13%，水域面積占10%。根據(jù)各下墊面單位面積產(chǎn)流量特點(diǎn)，根據(jù)公式(6)計(jì)算蚌埠市單位面積總產(chǎn)流量，結(jié)果見(jiàn)圖7。在1日暴雨情景下，10年重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)均不會(huì)發(fā)生蓄滿產(chǎn)流現(xiàn)象。而在3日暴雨情景下，4年重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)不會(huì)發(fā)生蓄滿產(chǎn)流。在蚌埠市50年一遇1日暴雨量標(biāo)準(zhǔn)下，單位面積總產(chǎn)流量為15.8 mm。而在100年一遇3日暴雨量標(biāo)準(zhǔn)下，單位面積總產(chǎn)流量達(dá)53.3 mm。

圖5 蚌埠市不同重現(xiàn)期1日暴雨量下各下墊面單位面積產(chǎn)流量

圖6 蚌埠市不同重現(xiàn)期3日暴雨量下各下墊面單位面積產(chǎn)流量

圖7 蚌埠市不同重現(xiàn)期1日和3日暴雨量下單位面積總產(chǎn)流量

3.2.4 蚌埠市適宜水域率 將蚌埠市50年一遇1日暴雨2 d排到作物耐淹深度以下和100年一遇3日暴雨2 d排到作物耐淹深度以下情景作為排澇標(biāo)準(zhǔn)。以2005年為例，采用式(7)計(jì)算蚌埠市不同排澇標(biāo)準(zhǔn)下所需的排水能力結(jié)果見(jiàn)表1、圖8。其中，50年一遇1日暴雨2 d排完所需的區(qū)域排澇能力為545.3 m3/s，而100年一遇3日暴雨2 d排完所需的排澇能力為1 836.1 m3/s。因此，在該排澇標(biāo)準(zhǔn)下，2005年蚌埠需要的排澇能力為545.3～1 836.1 m3/s。而蚌埠市實(shí)際排澇能力僅為129.89 m3/s，其中排水管網(wǎng)排水能力為87.4 m3/s，電排能力為42.49 m3/s。因此，2005年的實(shí)際排澇能力無(wú)法滿足當(dāng)年土地利用條件下所產(chǎn)生的徑流量。

在區(qū)域?qū)嶋H排澇能力不變的前提下，根據(jù)單位面積的水田和建設(shè)用地產(chǎn)流量較大的特點(diǎn)，本研究通過(guò)降低水田面積和增加水體面積的方法，降低區(qū)域產(chǎn)流量，來(lái)滿足區(qū)域的實(shí)際排水能力。在50年一遇1日暴雨情景下，需將水田面積減少2.5%，同時(shí)水體面積增加2.5%(水體面積達(dá)12.5%)，區(qū)域所需排水能力將下降到85.5 m3/s(小于實(shí)際排澇能力129.89 m3/s)。而在100年一遇3日暴雨情景下，需將水田面積減少9.5%，同時(shí)水體面積增加9.5%(水體面積達(dá)19.5%)，區(qū)域所需排水能力將下降到88.7 m3/s。因此結(jié)果表明：在50年一遇1日暴雨和100年一遇3日暴雨標(biāo)準(zhǔn)下，蚌埠所需的水域率閾值范圍為12.5%～19.5%。

表1 蚌埠市不同排澇標(biāo)準(zhǔn)下所需排澇能力 m3/s

圖8 蚌埠市不同排澇標(biāo)準(zhǔn)下所需排澇能力

3.2.5 適宜水域率合理性分析 根據(jù)國(guó)內(nèi)關(guān)于水域率的相關(guān)研究成果[4,16-17]，不同區(qū)域的適宜水域率存在顯著差異。在我國(guó)水資源較為豐富的長(zhǎng)江以南地區(qū)(廣州、湖南、浙江、福建、海南等)，所需的水域面積較大，應(yīng)保持在15%～25%；在水資源量中等的長(zhǎng)江和淮河之間的中東部地區(qū)(湖北、安徽、江蘇等)，水域率建議保持在10%～15%；在水資源較為短缺的黃河與淮河之間的中東部地區(qū)以及東北地區(qū)，水域率應(yīng)在5%～10%；而在水資源相對(duì)短缺的華北地區(qū)，水域率建議保持在1%～5%。本文研究結(jié)果與上述全國(guó)水域率建議標(biāo)準(zhǔn)基本吻合，而計(jì)算中充分考慮了區(qū)域的除澇標(biāo)準(zhǔn)、暴雨強(qiáng)度和下墊面產(chǎn)流量，較好地體現(xiàn)了區(qū)域下墊面結(jié)構(gòu)的差異和不同的暴雨特征，因而更加客觀、合理。

4 結(jié) 論

針對(duì)近年來(lái)洪澇災(zāi)害頻繁，本文探究了不同暴雨量和下墊面條件下基于行洪除澇功能的適宜水域率，提出易于在全國(guó)推廣和使用的基于行洪除澇功能的適宜水域率計(jì)算方法。同時(shí)本文以蚌埠市作為研究區(qū)進(jìn)行實(shí)證研究，得出以下結(jié)論：

(1)本研究所建立的基于行洪除澇功能的適宜水域率計(jì)算方法，考慮了各區(qū)域暴雨強(qiáng)度不同和各下墊面條件的產(chǎn)流量不同的特點(diǎn)，使計(jì)算結(jié)果可行、實(shí)用性強(qiáng)并且易于操作，可為全國(guó)各地區(qū)適宜水域率的研究提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒，對(duì)區(qū)域洪澇災(zāi)害預(yù)防具有重要意義。

(2)蚌埠市各類型下墊面具有不同的產(chǎn)流特點(diǎn)，其中單位面積的建設(shè)用地和水田產(chǎn)流量較高。在蚌埠市50年一遇1日暴雨量和100年一遇3日暴雨量情景下，單位面積總產(chǎn)流量分別為15.8、53.3 mm，所需的排澇能力分別為545.3、1 836.1 m3/s，遠(yuǎn)大于蚌埠市所能提供的排澇能力。城市規(guī)劃中可通過(guò)降低水田面積和增加水體面積的方法，降低洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性和危害性，確定蚌埠市所需的水域率閾值范圍為12.5%～19.5%。