哈尔滨城市融雪径流模拟及其产汇流空间分布特

1 引言

全球约60%的陆地面积被季节性积雪覆盖，春季融雪形成的融雪径流可为世界约1/6的人口提供水源[1]。进入融雪期，积雪量较大并且很难渗透时，大量的融雪径流将蓄积在地表，形成水池或水泡，大量的径流如果不能及时排出，对人类生活交通、设施维护和城市防洪排涝等带来巨大压力[2]。近年来开展了大量有关城市径流方面的研究工作，对城市规划、防洪防涝和居民生活都有着至关重要的作用。

积雪融化过程模拟已成为水文科学的研究热点。余文君等[3]将具有融雪物理机制的FASST模型与SWAT模型的融雪模块集成在一起，较清晰地反映出黑河山区流域的融雪径流过程，也提高了模拟精度；朱景亮等[4]分析松花江融雪径流变化，得出融雪期增温缓会促进了雪的蒸发，使得春季解冻期径流量的减小这一结论。现阶段，对冰川、山地、河流等融雪径流研究较多，但对于城市不同下垫面融雪径流量差异的研究基本空白，不能满足城市径流管理的需要。

哈尔滨是东北的重要的旅游城市，年平均降雪量为420 mm左右。本研究以哈尔滨市为研究区，以研究区气象数据、遥感影像、数字高程数据、水系分布情况、城市排水管网分布为基础，通过ArcGIS绘制汇水区、获取模型参数，运用SWMM模型模拟哈尔滨市融雪期不同下垫面径流贡献差异及其时空分布特点，为城市融雪径流的科学管理提供研究依据。

2 研究方法

2.1 研究区概况

哈尔滨市地处东北亚中心地带，位于东经125°42′～130°10′、北纬44°04′～46°40′之间，温带季风气候。哈尔滨四季分明，冬季寒冷漫长，每年10月左右降初雪，次年4、5月进入融雪期。

2.2 数据来源

土地分类所用数据依靠2013年遥感信息支持，数字高程由黑龙江省测绘局提供，降雨数据和气象数据取自哈尔滨机场气象站。

2.3 模型参数确定

模型运行时间为2014年11月1日至2015年4月30日，降水数据以每日隔3 h 1次的时间序列输入模型。SWMM模型构建时区分降雨或是降雪主要依靠气候数据变化，因此在输入温度时间序列时每天需要有最低、最高两个温度，雨、雪区分温度设置为0 ℃。子汇水区的面积、宽度、坡度、不透水率和流域河道的长度、形状等数据根据ARCGIS运算获得。查阅SWMM模型用户手册，根据研究区特点，采用霍顿入渗公式。取主城区最大渗入速率25.4 mm/h，最小入渗速率0 mm/h；其他开发程度较小的区域最大渗入速率为80 mm/h，最小入渗速率为3.3 mm/h，衰减系数为4.14。平原洼蓄量取最小值2 mm；曼宁系数为0.15，其他地区为0.17；不渗透性粗糙系数为0.011；自然河道为天然形成的小型河道，其曼宁系数取中间值0.04。

3 结果与分析

3.1 子流域概化

研究区流域总面积4860.718 km2，不透水面积535.21 km2，占总面积的12.5%；透水面积4325.508 km2，占总面积的87.5%。整个汇水区经概化后划分为19个排水单元，7个节点，自然河道1条，6个出水口。具体子流域概化情况见图1。

3.2 城市土地分类

城市中主要承载融雪径流的城市下垫面主要包括道路、绿地、屋顶和冰封水系，其中道路又包括人行道、城市道路与生活区等。在春季，大量积雪融化形成径流量大，在排水管道较为充足的主城区，径流流入排水管道进入污水处理厂，而在管道较少、管径较窄的区域，则形成地表径流，形成地表蓄水或顺着坡度汇入河流[5]。因此在研究区融雪径流模拟将城市下垫面分为6种类型，分别是屋顶、城市道路、绿地、水系、内部道路和人行道。下垫面数据根据全省导航数据提取。

3.3 不同下垫面融雪情况演算

研究区主城区经济较为发达，不透水面积大，而周边区域存在大量农田，渗入损失较大。研究区总降水1.4×108m3，根据不同子汇水区洼蓄情况，取洼地蓄水深度最小值，然而哈尔滨市多数子区域渗透面积较大，可达到总面积的88.11%，因此最终地表蓄水1.79×107m3，占总降水的3.35%，渗透损失占总降水的69.4%，12.8%形成地表径流，蒸发损失为14.38%。

各汇水区运行时运用相同的降水数据和天气条件，因此蒸发条件大致相同，渗入损失根据软件模拟不同汇水区渗入结果根据不同下垫面透水比率核算得出；水系积雪在春季融雪堆积在冰层上，不会产生渗透，因此没有渗透损失，但一般在融雪产生时冰面并没有完全融化，而是在冰面上成径流形式流淌；绿地作为高渗透性的下垫面类型，计算渗入损失时需乘以渗透系数，绿地包括草地、耕地、林地等不同类型，为简化运算，渗透系数取各种不同绿地类型中间值0.88。在计算径流量时，绿地渗透性较高，降雨作用并未完全形成径流，因此计算绿地径流贡献量时需要乘以不渗透率0.12，其他下垫面则利用每个下垫面产生径流和不同下垫面类型所占面积比计算不同下垫面贡献径流量。不同下垫面产生径流见图1。

文章来源：《哈尔滨师范大学社会科学学报》 网址: http://www.hebsfdxshkxxb.cn/qikandaodu/2021/0708/1368.html