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水 利 学 报

2021 年 3 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 3 期

文章编号：0559-9350（2021）03-0333-08

城市屋顶降雨径流过程单位线模型研究

申红彬 ，徐宗学 ，李灵军 ，郝秀平 1
4
3
1，2
（1. 华北水利水电大学，河南 郑州 450045；
2. 北京市水科学技术研究院 北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100048；
3. 北京师范大学 水科学研究院 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875；
4. 水利部综合事业局，北京 100053）

摘要：城市屋顶按透水性质可分为不透水与绿色（渗透）屋顶。对于绿色屋顶，基于土壤水饱和下渗理论，考虑基
质土壤层厚度有限性及表面积水深影响，推导建立了降雨径流过程的单位线模型，再联合不透水屋顶降雨径流过
程单位线模型，共同构成城市屋顶降雨径流过程的单位线模型，并建立了统一的数学方程表达形式，参数包括响
应速率与径流（产流）起始时间。其中，对于不透水与绿色屋顶，模型响应速率参数分别为坡面汇流时间的倒数与
基质土壤层稳渗时间的倒数。根据不透水与绿色屋顶降雨径流过程实际监测数据，分别采用单位线模型进行了模
拟，取得了良好的模拟效果。模型参数比较分析表明，绿色屋顶降雨径流削减效应主要依赖于基质土壤层的雨水
蓄存作用，增大基质土壤层厚度可以增大雨水渗蓄量，并有效削减径流前期峰值，但对后期峰值的削减效应有所
减弱，并会延长表面积水的排水时间。
关键词：不透水屋顶；绿色屋顶；降雨径流过程；单位线；模型；参数
中图分类号：TV124；TU992 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200328

1 研究背景

城市屋顶是城市地表中一种重要的类型单元，按透水性质总体可以划分为不透水屋顶与绿色（渗
透）屋顶。单位线法作为一种重要的概念性水文模型，较早就应用于城市地表（包括不透水屋顶）降雨
径流过程的模拟 ［1-2］ ，径流输出对降雨输入的函数响应关系明确。不过，对于绿色屋顶降雨径流过程
的模拟，现今单位线法尚少有涉及。如今，对于绿色屋顶降雨径流过程的模拟，主要基于描述土壤
水下渗的 Richards 方程进行数值模拟，相关模型有 Hydrus-1D、SWMM-2D 等 ［3-5］ ，涉及参数较多，求
解过程复杂，难以直观反映出径流结果和降雨条件之间的响应关系。
鉴于 Richards 方程的复杂性，不少学者提出了不同的简化方程 ［6-8］ ，但这些方程均以假设下渗土
柱为半无限长作为定解条件，并多忽略下渗土柱表面积水变化的影响，主要关注土柱内土壤水长时
间的下渗过程。然而现实中绿色屋顶用于雨水渗蓄的基质土壤层的厚度是有限的 ［9-10］ 。如果降雨强度
比较小，绿色屋顶在有限厚度的基质土壤层达到饱和前不会产生径流，基质土壤层达到饱和后的渗
流经排水层排出的过程即为径流过程，且该径流（渗流）过程更易受到基质土壤层表面降雨（积水）过
程变化的影响。因此，基于绿色屋顶基质土壤层厚度有限性的特点，结合土壤下渗简化模型，考虑
表面降雨（积水）过程变化对径流（渗流至排水层出流）过程的影响，能否建立反映降雨-径流响应关系
的单位线模型，就成为一个有待研究的问题。通过建立绿色屋顶降雨径流过程的单位线模型，再联

收稿日期：2020-05-11；网络首发时间：2020-10-26
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20201026.1118.001.html
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基金项目：城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室开放基金项目（HYD2019OF02）；国家科技重大科技专项课题
（2013ZX07304-001）
作者简介：申红彬（1981-），博士，讲师，主要从事水文学、河流动力学研究。E-mail：hongbinshen 2012@163.com
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