姜 昀，張升堂

（山東科技大學 地質(zhì)科學與工程學院，山東 青島 266510）

我國作為發(fā)展中國家，正處于加速城市化時期。城市化是人口向城市集中的過程，同時伴隨著城市規(guī)模的擴大及城市功能的擴展。城市化是人類文明發(fā)展所必需的進程，然而隨著城市建設(shè)與自然環(huán)境的沖突，各種環(huán)境問題隨之出現(xiàn)，其中城市化引起水文循環(huán)改變，進而造成各類水問題和水災害，是其重要表現(xiàn)。認清水文循環(huán)在城市化進程中的演化規(guī)律，有助于解決城市化引起的水災害及水問題。

1 城市水問題

城市的建設(shè)過程本身就是對自然系統(tǒng)的改造，這一改造直接或間接地導致了目前城市主要面臨的3大水問題：城市水資源短缺、水環(huán)境污染及城市洪水災害。

1.1 城市水資源短缺

我國城市水資源十分短缺，每年用水缺口達到5.8×109m3［1］，而過快城市化會加劇城市水資源緊張。一方面，由于城市人口增多、城市規(guī)模擴大，城市用水需求量會隨之增加，對水資源的壓力也就越大。另一方面，城市建設(shè)中地表的硬化導致雨水下滲量減少，地下水得不到充分補給，工業(yè)生產(chǎn)及日常生活對水體的污染，都會導致可利用的清潔水源減少。

1.2 城市水環(huán)境污染

城市化進程的加快導致了城市生活污水和工業(yè)廢水排放量的增加，城市水域便成為了這些污水的排放渠道。目前我國有80%的城市污水未經(jīng)處理就直接排入水域，90%以上的城市水域污染嚴重，近50%的城市供水水源達不到衛(wèi)生飲用水標準。城市河段魚蝦絕跡，部分湖泊富營養(yǎng)化嚴重［2］。

1.3 城市暴雨洪水

近些年如廣州、濟南、鄭州等城市遭受暴雨洪水災害的事件頻繁出現(xiàn)，城市洪澇災害損失也在以前所未有的速度增長［3］，嚴重阻礙了城市的發(fā)展，甚至威脅人類的生命安全。造成此類災害固然有城市排水系統(tǒng)不健全的原因，但究其根源卻是城市化本身所造成的，隨城市化進程不斷加深，地表被不透水的路面、廣場、建筑所覆蓋，下滲減少，徑流明顯增加，從而凸顯了城市防洪體系的脆弱。

2 城市化進程引起的水文演化規(guī)律

水文循環(huán)是指地球上的水在太陽輻射和重力作用下，以蒸發(fā)、降水和徑流等方式進行的周而復始的運動過程。自然條件下的水文循環(huán)能夠維持雨水、地表水、土壤水、地下水的水量轉(zhuǎn)化，從而達到平衡狀態(tài)。城市化對水文循環(huán)的影響是一個綜合過程，主要反映為降水、蒸發(fā)、徑流3個水文要素的改變，導致水量平衡無法維持，產(chǎn)生一些列惡性后果。

2.1 城市化對降水量的影響

城市化從多個方面對氣候產(chǎn)生了影響影響［4-5］，見表1。其中對于氣溫和降水影響最為顯著。由于城市熱島效應、凝結(jié)核效應、阻礙效應，導致城市云霧及降水多。一般認為城區(qū)降水比郊區(qū)增加5%～10%。城市熱島效應使得城市空氣結(jié)層不穩(wěn)定，有利于產(chǎn)生熱力對流，當水汽充足時易形成對流云和對流降雨；大量的城市建筑加大了地表粗糙度，阻礙了降水系統(tǒng)的移動，延長了降雨時間，增大了降雨強度［6］；此外城市建設(shè)及工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量揚塵和顆粒狀污染物作為凝結(jié)核，加速了水分子凝結(jié)，增加了降雨概率［7］。以青島市為例，城市化程度較高，青島市區(qū)、黃島區(qū)、城陽區(qū)、嶗山區(qū)在1～9月份降水量明顯高于其他城市化程度不高的城區(qū)，且高于全市平均水平，見表2。

表1 城市化對氣候的影響（城市與郊區(qū)比較）

表2 青島市各區(qū)2007、2009年1～9月降水總量 單位：mm

2.2 城市化對地面蒸發(fā)量的影響

在城市化過程中，原有的植被、土壤被道路、廣場、建筑等人工陸面所替代，蒸發(fā)的性質(zhì)也產(chǎn)生了改變。由于人工陸面沒有持水能力，相對于土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)其蒸發(fā)持續(xù)時間短。另外，由于城市中的溫度、風速、空氣濕度等控制蒸發(fā)的因子有所改變，蒸發(fā)量也受到影響。綜合來看，城市化后蒸發(fā)量相對于自然條件下有所減少。從城市防洪的角度來講，蒸發(fā)量的減少使得留在地面的雨水增多，使有效降雨量相對增加，從而給城市防洪帶來了壓力。

2.3 城市化對地表徑流的影響

城市化中人工陸面的建設(shè)改變了城市下墊面性質(zhì)，不透水的硬化地面增加而植被、土壤減少。降水到達地表時產(chǎn)流、匯流過程較之前都有巨大改變。產(chǎn)流方面由于硬化地面阻礙了雨水的下滲，表現(xiàn)為徑流系數(shù)增大，地表徑流量增加。據(jù)北美洲安大略環(huán)境部資料，城市化前天然流域的蒸發(fā)量占降水量的40%，入滲地下水量占50%，地表徑流為10%［8］。而城市化后城市不透水面積可達70%～90%，蒸發(fā)和下滲的水大量減少，所產(chǎn)生的徑流明顯增加。匯流方面表現(xiàn)為匯流時間縮短，峰量增高，峰值出現(xiàn)時間提前。目前城市排水理念是希望雨水快速排走，因此排水管網(wǎng)遍布城市，降雨形成的地表徑流快速進入城市排水系統(tǒng)。由于水流速度的大小受制于地表粗糙程度，因此粗糙度遠小于自然地表的排水管網(wǎng)（見表3）［9］會使雨水快速匯集。據(jù)美國文獻顯示，當不透水地面占20%，平均洪水流量為17.8m3/s時，洪水匯流時間為3.5h。當不透水地面為40%，平均洪水流量為57.8m3/s時，洪水匯流時間為0.4h［10］。 這種快速的匯流對城市低洼地區(qū)造成威脅，同時當雨水匯流入河道，又增加了河道防洪壓力。另外由于人工陸面阻礙了雨水的下滲，導致土壤水和地下水無法得到補充，因此城市地下水位下降，容易出現(xiàn)泉水停噴、地面沉降等現(xiàn)象，在沿海地區(qū)如果地下水位下降嚴重會導致海水倒灌現(xiàn)象，進一步加劇地下水污染。

表3 不同地表類型絕對粗糙度

上述3點，直接或間接地造成了城市地表徑流增加，對城市防洪造成巨大壓力。近年來不斷出現(xiàn)的城市內(nèi)澇災害說明了僅僅依靠城市排水系統(tǒng)應對暴雨洪水是不夠的，還應針對引起水文循環(huán)變化的根源作出對策。

3 水文循環(huán)演化的解決對策

3.1 轉(zhuǎn)變城市防洪理念

城市化中水文循環(huán)演化對城市所帶來最直接的威脅是暴雨洪水發(fā)生概率的增加。目前我國城市的暴雨防洪理念是盡可能快速地排出雨水，雨水到達地面快速匯流進入雨水下水口，通過雨水管網(wǎng)迅速匯入外排河流。這種依靠快速排水的防洪理念能夠在一般降雨中發(fā)揮作用，使城市路面保持清潔暢通，然而隨著降雨量的增加，雨水沿管網(wǎng)迅速向低洼地段匯聚，這些地段的管渠經(jīng)常達到滿流狀態(tài)。因此城市低洼處常常出現(xiàn)雨水從下水口涌出的現(xiàn)象，加上地表面的匯流，這些地段會在暴雨過后積水嚴重。同時，雨水管網(wǎng)將雨水過快的排入河流，導致河流洪峰到達提前，洪峰坡度陡漲，對下游河道防洪造成威脅。另外，雨水可以作為一種資源進行利用，在降雨過程中雨水被迅速排走是一種對資源的浪費。解決城市化中的暴雨洪水問題，應轉(zhuǎn)變快速排出雨水這一防洪理念，從以下2個方面著手。

（1）改造城市雨水管網(wǎng)。我國城市多數(shù)采用雨、污分流的排水模式，然而雨水管網(wǎng)的設(shè)計標準陳舊，甚至沿用幾十年前的設(shè)計標準，與城市建設(shè)現(xiàn)狀嚴重不匹配。我國雨水管網(wǎng)較國外狹窄、擁堵，不僅排水能力有限，而且容易積攢垃圾，致使管網(wǎng)阻塞。因此有必要針對我國城市建設(shè)現(xiàn)狀制定新的雨水管網(wǎng)設(shè)計標準，拓寬溝渠，使暴雨中行洪通暢。針對城市低洼地區(qū)積水嚴重的問題，改變目前雨水管網(wǎng)全部貫通的設(shè)計，根據(jù)城市地形劃分區(qū)塊，形成獨立的排水系統(tǒng)，分散排水壓力。

（2）進行雨水收集。城市不透水的地面、雨水管網(wǎng)都可作為雨水收集系統(tǒng)的一部分，為雨水收集提供了可行條件?？稍诠芫W(wǎng)中設(shè)置一定數(shù)量配套的攔污網(wǎng)、過濾網(wǎng)及蓄水池，雨水經(jīng)過初步過濾進入蓄水池，在蓄水池中經(jīng)過進一步沉淀，可以作為市政用水應用于一些對水質(zhì)要求不高的工作。這些雨水也可通過進一步凈化處理實現(xiàn)更多的利用價值。另外，可借鑒一些發(fā)達國家的成功經(jīng)驗，利用建筑物的屋頂進行雨水收集。雨水收集工作不僅能夠緩解城市用水短缺，而且能夠有效減少地面和雨水管網(wǎng)中的流量，減輕城市防洪壓力。

3.2 還原城市陸面

水文循環(huán)演化的根源是人類對陸面的改造，還原城市陸面可從根本上解決由于水文循環(huán)改變而產(chǎn)生的城市水問題。所謂還原城市陸面，是指對城市中不透水的路面、廣場、建筑等進行改造或減少其面積，使地表覆蓋面具備自然條件下的陸面屬性，使水文循環(huán)接近平衡狀態(tài)，實現(xiàn)城市水循環(huán)的生態(tài)化。主要措施有：

（1）增加植被覆蓋率。綠色植物不僅可以美化城市、凈化空氣，而且能夠含蓄水源，其自身的吸水能力及蒸騰作用為大氣水、地表水、土壤水之間的轉(zhuǎn)換建立了橋梁，使原本因不透水層阻隔而難以實現(xiàn)的水量交換重新進行。同時，高大樹木對雨水起到截留作用，減少到達地面的降雨量；灌木和草坪增加了地表粗糙度，可減緩地表匯流速度。

（2）鋪設(shè)透水地面。隨著材料科學的進步，既能滿足路面鋪設(shè)要求，又具備滲透能力的路面材料已經(jīng)問世。使用這類材料替換不透水地面，使雨水到達地表后向下滲透，既能夠減少地表徑流，又可以補充地下水。這類地面材料能夠在廣場、停車場等場所大面積應用，是城市陸面向生態(tài)化還原的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

城市化進程改造了自然界的陸面性質(zhì)，使水文循環(huán)條件產(chǎn)生改變，研究表明城市化后降水量有所增加，降暴雨的幾率增大，蒸發(fā)量減少，地表徑流量顯著增加。這些改變給城市帶來了巨大影響，尤其對城市防洪提出了更嚴峻的考驗。解決城市暴雨洪水首先應轉(zhuǎn)變目前快速排出雨水的防洪理念，對雨水管網(wǎng)進行合理改造，并增加蓄水功能，進行雨水收集，對雨水進行資源化利用，既減輕了防洪壓力，又能夠緩解城市供水壓力。從根本上解決水文循環(huán)演化問題的方法是對城市陸面進行還原，增加植被覆蓋率和鋪設(shè)透水地面使其具備與自然界陸面類似的性質(zhì)，使水文循環(huán)暢通進行。

［1］車武，李俊奇，張雅君.中國的水資源危機及其對策［J］.北京建筑工程學院學報，2000， 16（4）： 4－7.

［2］左其亭.城市水資源承載能力［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［3］石勇，許世遠，石純，等.洪水災害脆弱性研究進展［J］.地理科學進展，2009（1）：41－46.

［4］Karl T R，Diaz H F，Kukla G.Urbanization： Its Detection and Effect in the United States Climate Record［J］.Journal of Climate，1988，11（1）： 1099－1123.

［5］郭凌曜.城市化對局地氣候的影響分析［J］.氣象與環(huán)境科學，2009，32（3）：37－42.

［6］李養(yǎng)龍，趙凱，金林，等.城市化發(fā)展面臨的水文問題［J］.山西水利科技，2001（4）：86-88.

［7］薛麗芳，譚海樵.城市化進程中的洪澇災害與雨水水文循環(huán)修復［J］.安徽農(nóng)業(yè)科技，2009，37（23）：11058-11061.

［8］楊士弘.城市生態(tài)環(huán)境學［M］.北京：科學出版社，2004.

［9］王紫霞，程偉平.城市水牢災害的生態(tài)機理分析和思考［J］.浙江大學學報（工學版），2002（5）：582－587.

［10］劉妮，王煒.城市快速發(fā)展對城市防洪的影響與對策［J］.山西建筑，2009，35（25）：361－362.