中国典型城市小区尺度下垫面对径流过程的调控特征与空间差异

Regulation characteristics of underlying surface on runoff regime metrics and their spatial differences in typical urban communities across China

城市下垫面对径流过程的调控特征及其空间差异是城市化水文效应关注的热点.现有研究受基础资料和模型发展等制约,城市复杂下垫面影响下降雨-径流过程模拟和径流过程特征指标变化机制辨识仍需加强.本文采用时变增益水文非线性产流模型耦合排水管网水动力模型,实现了对城市多种下垫面类型和汇流方式下降雨-径流过程的耦合模拟.在此基础上,以不同下垫面和排水管网等条件的四座城市(北京、深圳、武汉和重庆)典型小区为例,通过相似性检验和秩次分析等探索了下垫面对径流过程特征指标(径流系数、年径流总量控制率、洪水时间尺度及峰现时间延迟等)的影响、空间差异及关键影响因子,并量化其贡献.结果表明:耦合模型对各小区场次径流过程的模拟效果明显优于国内外使用广泛的暴雨洪水管理模型(SWMM).60%场次(12/20)的综合模拟精度提高了4~86%;特别是对模型偏差的改善效果最好,其次为效率系数.除径流系数外,各地块年径流总量控制率、标准化洪水时间尺度和峰现时间延迟占比存在显著的空间差异,其差异性指数分别为0.43、0.22和0.16(p<0.05).显著性影响因子包括排水管网系统的管道长度(r=0.51)和下垫面类型中林地(r=0.56)、海绵措施(r=0.52)、草地(r=0.48)和不透水地表(r=0.46)面积占比;其中排水管网和下垫面类型的贡献率分别为4.27%和37.83%.下垫面类型对径流过程的调控占主导,其中北京以草地调蓄为主,表现为延迟和削减洪峰,对径流总量有一定削减作用;深圳调控并不显著,表现为以不透水地表产生的尖瘦型径流过程;武汉以林地调蓄为主,表现为削减径流总量和延迟洪峰;重庆以水域调蓄为主,表现为削减径流总量和洪峰流量.本文可为拓展城市化径流效应研究、海绵城市建设效果评估等提供理论和技术支持,也为中国城市水文模型的发展提供参考借鉴.