城市化发展背景下缺资料地区径流量分析

余胜男，樊仕宝，张玉英

(1.深圳市光明区监测预警中心，广东 深圳 518000；2.深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000)

深圳市地处广东省南部，珠江口东岸，东临大亚湾和大鹏湾，西濒珠江口和伶仃洋，南部的深圳河与香港相连，北部与东莞、惠州两城市接壤。深圳作为改革开放先行地，经历了超40年的大规模建设，从一个边陲小镇发展到充满活力和创新力的国际化大都市，是我国快速城市化的典型地区之一。随着社会经济的发展，本地区生产生活需水量连续增长；同时，随着生活水平的进一步提高，人民对美好生活的向往需求逐渐强烈，河湖生态环境需水量也进一步提升，导致深圳总需水量倍增，成为全国严重缺水城市之一[1]。开展区域内径流量分析，对充分发挥本地水资源效益，实现深圳市高效配置生活生产生态用水具有重要意义。然而特定的历史发展原因，导致过去三十多年深圳市水文站点稀少，长系列监测数据大量缺乏[2]，目前径流量计算大多根据省级径流等值线量算[3]，但深圳本土1997km2的市域面积仅为全省的1%，径流等值线的勾画于深圳而言精度较低，因此缺资料地区水资源量存在不确定性。且等值线查算结果统计尺度为年，无法直接获得季、月、旬、日时间尺度的径流资料。本文充分调查收集深圳市城市化发展前的天然状态下短系列历史水文资料，通过一系列的分析，计算出研究区域的径流量及其分布情况，为区域水资源开发利用、缓解水资源短缺局面提供理论技术依据。

1 研究区基本情况

1.1 水文气象基础资料

研究区位于珠江流域东江中下游支流，为河流发源地的短小支流，土地面积168km2，研究区境内现有的流量监测站点建站时间较晚，大多为2018年前后，监测资料数据长度小于10年。但经历史资料调查发现，研究区内下陂水文站有1959年至1968近10年逐日流量、降雨监测数据。研究区内雨量观测站点13个，大部分为气象部门观测站点，观测系列在30年以上的测站仅有1个，即三洲田水库雨量站。本次收集该站点1961—2020年雨量数据。蒸发资料方面，深圳市水文观测蒸发站点较少，大部分站点2010年前后才开始监测蒸发数据，蒸发数据系列长度无法满足使用需求。研究区西南方向约40km处有国家气象站深圳站，本次收集其1961—2020年逐日平均相对湿度、平均气温、日照时数、平均风速资料。

1.2 水文气象资料分析

1.2.1三洲田雨量站资料检验

以三洲田水库雨量站为基本站资料，对1961—2020年的实测降雨量系列进行分析，1961—2020年雨量平均值为2150mm，采用累积平均值过程线对资料“代表性”进行检验，并利用累积距平值[4]、相关系数检验法[5]、Spearman秩次相关检验法[6]和Kendall秩次相关检验法[7]对系列的一致性进行了检验。检验结果表明三洲田水库雨量站年、汛期、非汛期降雨量有一定的上升趋势，但统计变量均未超过95%临界值，趋势并不显著说明通过一致性假设检验。

表1 降雨量趋势显著性检验

1.2.2下陂站水文资料检验

下陂水文站由广东省水文局设立，资料经过严格整编，刊印于《珠江流域水文年鉴》，流量、降雨资料可靠。本次收集下陂水文站上世纪60年代观测资料，属于城市化发展前期，测量点位置未作大的调整，站点控制区域内气候条件基本稳定、人类活动影响较小，资料系列具有一致性。此外，下陂水文站1959—1968年实测降雨资料，平均降雨量为1845mm，最大降雨量为2576.8mm(1964年，丰水年)，最小降雨量为899.6mm(1963年，枯水年)，资料系列涵盖丰水年及枯水年且平均值接近三洲田雨量站长系列多年平均值(2150mm)，其实测资料能反映丰水年、枯水年产汇流过程，资料系列具有代表性。

1.2.3蒸发资料折算分析

为获得长系列逐日蒸发资料，本次收集国家气象站深圳站1961—2020年观测资料，采用蒸发量(E)的经验公式[8]计算研究区逐日蒸发量。

1.3 研究区下垫面情况

研究区在经过多年发展后，城市化增加了房屋和道路等不透水面积及排水设施，下垫面发生较大变化，改变了径流形成的条件。本文对其下垫面情况进行解析，划分生态区(73.81km2)及公园绿地(39.97km2)、水面(2.012km2)、硬化路面及屋面(51.54km2)、非铺砌土路面(0.55km2)等类型。研究区下垫面解析结果如图1所示。

图1 研究区下垫面解析成果示意图

2 NAM模型构建

2.1 模型简介

NAM模型是一个集总参数的概念性水文模型，它模拟的是自然流域的降雨径流[9]。模型将水循环中的土壤状态用数学语言描述成一系列简化的量的形式，分4层蓄水体进行流域产汇流模拟计算，4层蓄水体分别为融雪蓄水层(snow storage)、地表蓄水层(Surface Storage)、浅层蓄水层(Lower Zone Storage)、地下蓄水层(Groundwater Storage)。降水进入地表蓄水层后，先用于植物蒸发和补充地表蓄水层蓄水，当地表蓄水层蓄水超过蓄水能力时，将生成地表径流。

2.2 模型适应性分析及参数优选

研究区地处我国南方珠江三角洲湿润地区，气候暖热，降水丰沛，年际变差较大，其生态区(73.81km2)流域植被覆盖较好，表土的下渗能力很强，流域内壤中流和地下径流丰富，地下水埋深较浅，具有蓄满产流的特点。生态区位于深圳市生态控制线范围内，满足自然流域的特征，因此选用适合于本地区的NAM模型进行分析。

模型率定期为城市化前的1959—1968年，采用下陂水文站实测降雨、实测径流以及深圳气象站同期计算蒸发数据，将降雨、蒸发资料系列作为模型的输入条件，给定模型地表和根区储水层含水量，坡面流和壤中流，地下水埋深初始条件，以模拟径流过程与实测径流过程之间总水量平衡、径流过程线形状相似作为目标函数，调整优化模型参数[10]，直至模型效果收敛为止，对应参数即为模型参数优选成果。

2.3 模型拟合效果

2.3.1模型模拟结果

采用 NAM 模型对下陂站1959—1968年10年模拟径流深与实测年径流深对比，最大相对误差为-17%，平均相对误差-1%，结果见表2。10年实测平均年径流系数为0.505，和模拟平均年径流系数为0.512基本一致，结果见表3。模型模拟过程及实测过程对比如图2所示，模型模拟累积过程及实测过程对比如图3所示。

图2 下陂站NAM模型模拟过程及实测过程图

图3 下陂站NAM模型模拟累积过程及实测过程图

表2 下陂站NAM模型模拟径流深结果统计表

表3 下陂站NAM模型模拟径流系数统计表

2.3.2模型评定

根据GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》[11]，在调试参数时，拟合精度以两种目标函数表达，即确定性系数准则和合格率准则。预报项目的精度按合格率或确定性系数的大小分为3个等级，预报项目精度等级规定确定见表4。

表4 研究区生态控制区年设计径流深成果表

表4 预报精度等级表

下陂站1959—1968年模型模拟径流深总体相对误差在5%以内，最大相对误差为1967年16.8%，其余年份最大相对误差基本在10%左右，均小于20%，所以模型合格率指标评定为甲级。经计算，模型确定性系数为0.76，由表4可知，模型确定性系数指标评定为乙级。综上可知，模型模拟结果好，对研究区缺实测径流资料的情况，可用于生态区天然条件下降雨～径流分析计算。

2.4 模型预测结果

应用率定的模型参数，将1961—2020年蒸发资料及三洲田雨量站的逐日雨量资料作为模型输入，计算得到的1961—2020年径流深系列，采用P-III型曲线适线，年径流深频率曲线如图3所示，径流深统计参数及成果见表5。同时，根据《广东省水文图集》，查得坪山河流域多年平均年径流深1100mm，径流统计参数Cv=0.38，Cs=2Cv，可计算各个频率下的设计径流深，可知本次模拟计算值与水文图集查图成果基本一致，本次径流分析成果合理，本次采用模拟计算成果。

3 研究区产流特性分析

应用NAM模型模拟了研究区生态控制区域内的长系列径流过程，将模型模拟历年径流量逐旬分析可知，4—10月径流量占比与降雨量全年比重占比相当，约为全年的90%，说明深圳河道雨洪同期的规律明显，年内各旬占比见表6。

表6 多年平均年内各旬月径流深、降雨统计表

另外，研究区为河流发源地的短小支流，河道属于雨源型河流，一场降雨一场洪水过程，产汇流时间均在1d内。

4 径流量分析

4.1 城市建设区径流量

研究区建城区下垫面发生较大变化，城市产汇流机理相对天然状态下有较大结构调整，根据GB 50014—2021《室外排水设计规范》[12]中对各种下垫面径流系数的参考界定，公园绿地(径流系数0.15)、水面(径流系数1)、硬化路面及屋面(0.9)、非铺砌土路面(0.35)，由于城市相对硬化下垫面产流、管网汇流后其产汇流时间小于24h，故利用三洲田水库逐日降雨量乘对应径流系数可计算各下垫面逐日产流量。

4.2 研究区径流总量

将各分区内径流量成果求和得到研究区多年平均径流量为18622万m3，其中建城区和生态区径流量具体见表7。

5 结语

城市化发展背景下缺资料地区水资源量分析计算问题是现今许多城市面临的难题，本文充分考虑深圳市一半山水一半城，以及研究区位于东江中下游支流的上游河源段，无过境水，流域面积小、比降大，产汇流时间不超过24h等典型特征后，将缺资料地区水资源量划分为生态区及建成区来计算，从而获得逐日区域径流量。该数据对于河道生态环境景观用水平衡分析具有重要意义。本文对于生态区径流量计算中，经模拟值与实测值、《广东省水文图集》误差分析论证模型合理性，但建城区下垫面径流系数采用的是GB 50014—2021中的数值，对于研究区域需结合未来深圳市水文站网建设逐步完善后进一步率定。