姜 昀，張升堂

（山東科技大學(xué) 地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510）

我國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，正處于加速城市化時(shí)期。城市化是人口向城市集中的過(guò)程，同時(shí)伴隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大及城市功能的擴(kuò)展。城市化是人類(lèi)文明發(fā)展所必需的進(jìn)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(wèn)題隨之出現(xiàn)，其中城市化引起水文循環(huán)改變，進(jìn)而造成各類(lèi)水問(wèn)題和水災(zāi)害，是其重要表現(xiàn)。認(rèn)清水文循環(huán)在城市化進(jìn)程中的演化規(guī)律，有助于解決城市化引起的水災(zāi)害及水問(wèn)題。

1 城市水問(wèn)題

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

1.1 城市水資源短缺

我國(guó)城市水資源十分短缺，每年用水缺口達(dá)到5.8×109m3［1］，而過(guò)快城市化會(huì)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(kuò)大，城市用水需求量會(huì)隨之增加，對(duì)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(dǎo)致雨水下滲量減少，地下水得不到充分補(bǔ)給，工業(yè)生產(chǎn)及日常生活對(duì)水體的污染，都會(huì)導(dǎo)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(jìn)程的加快導(dǎo)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(guó)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(yán)重，近50%的城市供水水源達(dá)不到衛(wèi)生飲用水標(biāo)準(zhǔn)。城市河段魚(yú)蝦絕跡，部分湖泊富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重［2］。

1.3 城市暴雨洪水

近些年如廣州、濟(jì)南、鄭州等城市遭受暴雨洪水災(zāi)害的事件頻繁出現(xiàn)，城市洪澇災(zāi)害損失也在以前所未有的速度增長(zhǎng)［3］，嚴(yán)重阻礙了城市的發(fā)展，甚至威脅人類(lèi)的生命安全。造成此類(lèi)災(zāi)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(jìn)程不斷加深，地表被不透水的路面、廣場(chǎng)、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(jìn)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(yáng)輻射和重力作用下，以蒸發(fā)、降水和徑流等方式進(jìn)行的周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dá)到平衡狀態(tài)。城市化對(duì)水文循環(huán)的影響是一個(gè)綜合過(guò)程，主要反映為降水、蒸發(fā)、徑流3個(gè)水文要素的改變，導(dǎo)致水量平衡無(wú)法維持，產(chǎn)生一些列惡性后果。

2.1 城市化對(duì)降水量的影響

城市化從多個(gè)方面對(duì)氣候產(chǎn)生了影響影響［4-5］，見(jiàn)表1。其中對(duì)于氣溫和降水影響最為顯著。由于城市熱島效應(yīng)、凝結(jié)核效應(yīng)、阻礙效應(yīng)，導(dǎo)致城市云霧及降水多。一般認(rèn)為城區(qū)降水比郊區(qū)增加5%～10%。城市熱島效應(yīng)使得城市空氣結(jié)層不穩(wěn)定，有利于產(chǎn)生熱力對(duì)流，當(dāng)水汽充足時(shí)易形成對(duì)流云和對(duì)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(dòng)，延長(zhǎng)了降雨時(shí)間，增大了降雨強(qiáng)度［6］；此外城市建設(shè)及工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量揚(yáng)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(yáng)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(jiàn)表2。

表1 城市化對(duì)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(duì)地面蒸發(fā)量的影響

在城市化過(guò)程中，原有的植被、土壤被道路、廣場(chǎng)、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(méi)有持水能力，相對(duì)于土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)其蒸發(fā)持續(xù)時(shí)間短。另外，由于城市中的溫度、風(fēng)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(lái)看，城市化后蒸發(fā)量相對(duì)于自然條件下有所減少。從城市防洪的角度來(lái)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(duì)增加，從而給城市防洪帶來(lái)了壓力。

2.3 城市化對(duì)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(dá)地表時(shí)產(chǎn)流、匯流過(guò)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(dá)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(shí)間縮短，峰量增高，峰值出現(xiàn)時(shí)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(jìn)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(yuǎn)小于自然地表的排水管網(wǎng)（見(jiàn)表3）［9］會(huì)使雨水快速匯集。據(jù)美國(guó)文獻(xiàn)顯示，當(dāng)不透水地面占20%，平均洪水流量為17.8m3/s時(shí)，洪水匯流時(shí)間為3.5h。當(dāng)不透水地面為40%，平均洪水流量為57.8m3/s時(shí)，洪水匯流時(shí)間為0.4h［10］。 這種快速的匯流對(duì)城市低洼地區(qū)造成威脅，同時(shí)當(dāng)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(dǎo)致土壤水和地下水無(wú)法得到補(bǔ)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(yán)重會(huì)導(dǎo)致海水倒灌現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇地下水污染。

表3 不同地表類(lèi)型絕對(duì)粗糙度

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

3 水文循環(huán)演化的解決對(duì)策

3.1 轉(zhuǎn)變城市防洪理念

城市化中水文循環(huán)演化對(duì)城市所帶來(lái)最直接的威脅是暴雨洪水發(fā)生概率的增加。目前我國(guó)城市的暴雨防洪理念是盡可能快速地排出雨水，雨水到達(dá)地面快速匯流進(jìn)入雨水下水口，通過(guò)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(dá)到滿(mǎn)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(huì)在暴雨過(guò)后積水嚴(yán)重。同時(shí)，雨水管網(wǎng)將雨水過(guò)快的排入河流，導(dǎo)致河流洪峰到達(dá)提前，洪峰坡度陡漲，對(duì)下游河道防洪造成威脅。另外，雨水可以作為一種資源進(jìn)行利用，在降雨過(guò)程中雨水被迅速排走是一種對(duì)資源的浪費(fèi)。解決城市化中的暴雨洪水問(wèn)題，應(yīng)轉(zhuǎn)變快速排出雨水這一防洪理念，從以下2個(gè)方面著手。

（1）改造城市雨水管網(wǎng)。我國(guó)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)陳舊，甚至沿用幾十年前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，與城市建設(shè)現(xiàn)狀嚴(yán)重不匹配。我國(guó)雨水管網(wǎng)較國(guó)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(duì)我國(guó)城市建設(shè)現(xiàn)狀制定新的雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，拓寬溝渠，使暴雨中行洪通暢。針對(duì)城市低洼地區(qū)積水嚴(yán)重的問(wèn)題，改變目前雨水管網(wǎng)全部貫通的設(shè)計(jì)，根據(jù)城市地形劃分區(qū)塊，形成獨(dú)立的排水系統(tǒng)，分散排水壓力。

（2）進(jìn)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。可在管網(wǎng)中設(shè)置一定數(shù)量配套的攔污網(wǎng)、過(guò)濾網(wǎng)及蓄水池，雨水經(jīng)過(guò)初步過(guò)濾進(jìn)入蓄水池，在蓄水池中經(jīng)過(guò)進(jìn)一步沉淀，可以作為市政用水應(yīng)用于一些對(duì)水質(zhì)要求不高的工作。這些雨水也可通過(guò)進(jìn)一步凈化處理實(shí)現(xiàn)更多的利用價(jià)值。另外，可借鑒一些發(fā)達(dá)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)，利用建筑物的屋頂進(jìn)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(lèi)對(duì)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(wèn)題。所謂還原城市陸面，是指對(duì)城市中不透水的路面、廣場(chǎng)、建筑等進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)的水量交換重新進(jìn)行。同時(shí)，高大樹(shù)木對(duì)雨水起到截留作用，減少到達(dá)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(xué)的進(jìn)步，既能滿(mǎn)足路面鋪設(shè)要求，又具備滲透能力的路面材料已經(jīng)問(wèn)世。使用這類(lèi)材料替換不透水地面，使雨水到達(dá)地表后向下滲透，既能夠減少地表徑流，又可以補(bǔ)充地下水。這類(lèi)地面材料能夠在廣場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)等場(chǎng)所大面積應(yīng)用，是城市陸面向生態(tài)化還原的關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)

城市化進(jìn)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(lái)了巨大影響，尤其對(duì)城市防洪提出了更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。解決城市暴雨洪水首先應(yīng)轉(zhuǎn)變目前快速排出雨水的防洪理念，對(duì)雨水管網(wǎng)進(jìn)行合理改造，并增加蓄水功能，進(jìn)行雨水收集，對(duì)雨水進(jìn)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(wèn)題的方法是對(duì)城市陸面進(jìn)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(lèi)似的性質(zhì)，使水文循環(huán)暢通進(jìn)行。

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