［美國(guó)］R.古恩 等

1 概述

在城市化進(jìn)程中，農(nóng)業(yè)用地和林業(yè)用地快速地轉(zhuǎn)化為住宅區(qū)。例如，1997年印第安納州223 km2土地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫亍３鞘谢瘜?duì)水文情勢(shì)的影響包括短期影響和長(zhǎng)期影響。短期影響表現(xiàn)為最大徑流量增加、匯流時(shí)間減少、洪澇量級(jí)和頻率增加、天然河道形狀、形態(tài)以及生物多樣性發(fā)生改變、土壤侵蝕增加。長(zhǎng)期影響可包括年平均徑流量增加，導(dǎo)致地面徑流增加，地下水補(bǔ)給減少。地下水位降低將導(dǎo)致河道基流減少，威脅飲用水供應(yīng)。

評(píng)估城市土地利用變化的水文影響，是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，需要了解水利工程、土地利用變化和政治等相關(guān)情況。小型社區(qū)條件有限，常常無(wú)法解決這樣的問(wèn)題，因?yàn)槭芪刑峁┙鉀Q方案的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員往往只熟悉某一領(lǐng)域的問(wèn)題，而對(duì)其他領(lǐng)域的問(wèn)題則了解有限。選出或者指定的負(fù)責(zé)實(shí)施解決方案的官員必須理解所實(shí)施的方案。

盡管許多社區(qū)可以獲得當(dāng)前及過(guò)去的土地利用情況、土壤及降水、地塊、道路以及排水規(guī)劃等資料，但由于受資料格式的限制，從中獲取有價(jià)值的信息以量化社區(qū)的環(huán)境影響并不容易。

某些社區(qū)采取預(yù)防措施，頒布了關(guān)于新開(kāi)發(fā)活動(dòng)中雨水問(wèn)題的規(guī)定，以解決土地利用變化帶來(lái)的水文影響問(wèn)題。然而，這些規(guī)定中通常只包含一兩種水文特征值。另外，關(guān)于調(diào)節(jié)特定設(shè)計(jì)暴雨的最大徑流量的法令，以及據(jù)此提出的在住宅區(qū)排水口處設(shè)立滯洪洼地等此類(lèi)終端解決方案，僅僅只能解決短期影響問(wèn)題。其他社區(qū)則做出了基于不透水總面積的土地開(kāi)發(fā)的規(guī)定。在上述種種情況中，土地利用產(chǎn)生的水文情勢(shì)變化都沒(méi)有得到充分反映，不利于利用最佳管理措施和低影響開(kāi)發(fā)手段推進(jìn)綜合雨水管理。

因此，就規(guī)劃和立法層面而言，需要一種簡(jiǎn)單直觀(guān)且易于理解的解決方案。這種解決方案，應(yīng)該可容易獲得，量度指標(biāo)簡(jiǎn)單，且指標(biāo)需要資料少，同時(shí)又能夠提供關(guān)于土地利用變化產(chǎn)生的短期和長(zhǎng)期影響的準(zhǔn)確信息。本文提出了兩個(gè)指標(biāo)，作為這一問(wèn)題的解決方案。社區(qū)可以利用這兩個(gè)指標(biāo)確定土地利用的水文影響。本文以實(shí)例介紹了這些指標(biāo)的計(jì)算方法。

2 雨水排水條例

對(duì)于排水系統(tǒng)以及雨水控制設(shè)施，社區(qū)通常都制定了規(guī)劃及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。力求通過(guò)這些條例控制暴雨徑流導(dǎo)致的淹沒(méi)和土地利用變更，使其造成的生命財(cái)產(chǎn)及自然資源損失最小化。為達(dá)成這一目的，在制定這些條例時(shí)應(yīng)尋求維持特定設(shè)計(jì)暴雨開(kāi)發(fā)后最大徑流量不超過(guò)開(kāi)發(fā)前的特定值。例如，印第安納州蒂珀卡努縣制定的綜合雨水管理?xiàng)l例一般條例規(guī)定，10a一遇以及100a一遇設(shè)計(jì)暴雨的開(kāi)發(fā)后下泄量不得超過(guò)2 a一遇及10a一遇的開(kāi)發(fā)前最大徑流量(蒂珀卡努縣)。在實(shí)際應(yīng)用該導(dǎo)則時(shí)，需要透過(guò)下滲、蒸散發(fā)以及雨水收集因素考查自然水平衡，確定其是否合理和/或客觀(guān)。在開(kāi)發(fā)后，利用最佳微觀(guān)管理措施以及低影響開(kāi)發(fā)手段可以獲得與開(kāi)發(fā)前相同的滯洪能力，且不損害地下水與下游水體的自然整體性。其他的縣，包括印第安納州內(nèi)以及其他州的縣，都有類(lèi)似的條例。該條例隱含的主要原則是，開(kāi)發(fā)人必須利用一種預(yù)先確定的方法證明:開(kāi)發(fā)后特定歷時(shí)的100a一遇暴雨的最大徑流量一定不大于10a一遇暴雨的開(kāi)發(fā)前最大徑流量。特定暴雨歷時(shí)是指需要最大攔洪庫(kù)容的暴雨歷時(shí)。該條例要求使用TR－55版提出的方法或者推理公式法確定最大徑流量。然而，關(guān)于最大徑流量的規(guī)定，該條例存在一些局限，它僅僅解決土地利用變化短期影響的問(wèn)題，而且大部分普通公眾也不容易理解這些規(guī)定。

3 長(zhǎng)期水文影響評(píng)估模型(L－THIA)

長(zhǎng)期水文影響評(píng)估模型(L－THIA)是一個(gè)簡(jiǎn)明分析工具，用于估算過(guò)去或者已規(guī)劃的土地利用變化所產(chǎn)生的徑流以及非點(diǎn)源污染。通常情況下，特定事件暴雨是分析土地開(kāi)發(fā)變化影響的依據(jù)。然而，在評(píng)估土地利用變化長(zhǎng)期影響時(shí)，短歷時(shí)暴雨事件的累積影響比罕見(jiàn)大暴雨事件更加合適。L－THIA模型是一種供土地利用規(guī)劃者使用的評(píng)估工具，采用電子表格形式，簡(jiǎn)單且用戶(hù)友好。該模型根據(jù)曲線(xiàn)數(shù)值法，利用研究區(qū)域的土地利用、土壤組合以及長(zhǎng)期氣候數(shù)據(jù)估算長(zhǎng)期年平均徑流量。由于在分析中使用的是多年氣候數(shù)據(jù)，因此，L－THIA模型主要考慮的是平均影響而非極端年份或者極端暴雨事件。由于界面簡(jiǎn)單且需要的數(shù)據(jù)少，因此L－THIA模型易于為各種用戶(hù)使用，可獲得準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。

L－THIA模型已經(jīng)用于估算土地利用變化對(duì)水文和水質(zhì)的影響。例如，利用該模型比較了城市改造與城市擴(kuò)建的長(zhǎng)期效益。學(xué)者比哈杜里等利用該模型分析了城市化對(duì)印第安納州印第安納波利斯附近小鷹河流域的影響。該項(xiàng)研究表明，1973～1981年不透水面積增加18%，導(dǎo)致年平均徑流量增加80%左右，鉛、銅和鋅非點(diǎn)源年平均荷載增加50%以上。另外一項(xiàng)研究也使用了該模型，研究了幾個(gè)住宅區(qū)的徑流及非點(diǎn)源污染變化，以及周邊區(qū)域的重新規(guī)劃對(duì)印第安納州拉斐特市附近一個(gè)住宅區(qū)的影響。有學(xué)者利用L－THIA模型研究了過(guò)去及未來(lái)的城市擴(kuò)張對(duì)區(qū)間水文及區(qū)域水文的影響。L－THIA模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明，非點(diǎn)源污染、徑流量以及養(yǎng)分損失都有所增加。

4 方法

4.1 水文特征值

選擇了4個(gè)評(píng)估特征值描述研究區(qū)域的水文情況。一般而言，這4個(gè)特征值在規(guī)劃和流域管理中非常重要，它們分別是匯流時(shí)間、2 a一遇24 h暴雨最大徑流量、10a一遇24 h暴雨最大徑流量、年平均徑流量。在該研究中，根據(jù)雨水管理要求選擇這4個(gè)水文評(píng)估特征值作為保持開(kāi)發(fā)前水文條件的參考依據(jù)。其他水文特征值，如徑流歷時(shí)以及徑流量數(shù)值等，可用來(lái)描述研究區(qū)域的水文情況。

這些特征值易于確定，同時(shí)也方便于提供土地利用變化影響程度的基本信息。例如，匯流歷時(shí)是流域響應(yīng)降雨事件的特征值。土地利用變化使得不透水地面面積增加，導(dǎo)致最大徑流量明顯增加，表現(xiàn)為匯流歷時(shí)縮短。匯流歷時(shí)描述了水從流域中水文意義上的最遠(yuǎn)點(diǎn)匯集到出口斷面所需的時(shí)間。實(shí)際上，匯流時(shí)間從出現(xiàn)超滲降雨開(kāi)始計(jì)算，此時(shí)流域內(nèi)的所有部分對(duì)匯集點(diǎn)(出口斷面)的流量都有貢獻(xiàn)。

人們認(rèn)為，2 a一遇的歷史暴雨資料對(duì)受水河道的自然形狀和形態(tài)有嚴(yán)重影響，使用10a一遇的暴雨事件設(shè)計(jì)過(guò)流能力比較合適，可使洪澇導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失最小化。該研究使用學(xué)者施瓦布等提出的NRCS曲線(xiàn)數(shù)值法計(jì)算最大徑流量。該方法假定暴雨的自然過(guò)程線(xiàn)一般大致呈三角形。最大徑流量由單位洪峰流量、流域面積以及徑流深度確定。由匯流時(shí)間及初損(Ia)與24 h降雨(P)的比值計(jì)算單位洪峰流量。使用學(xué)者施瓦布等提出的公式計(jì)算徑流深度。例如，計(jì)算2 a一遇24 h暴雨的最大徑流量，可使用24 h降雨量。

年平均徑流量比短期大洪峰流量更適合于評(píng)估土地利用和土地開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期水文影響。采用L－THIA模型以及30a的降水量資料計(jì)算年平均徑流量。L－THIA模型計(jì)算得到30a降水資料中每一場(chǎng)暴雨的平均徑流量。然后，L－THIA模型將這30a的計(jì)算結(jié)果取均值，得到年平均徑流量。最終結(jié)果是一個(gè)單一的數(shù)值，用于計(jì)算本文所述的指標(biāo)。分析時(shí)所用的徑流量沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)整，因?yàn)榉治龅哪康木褪顷U明開(kāi)發(fā)的理論影響，開(kāi)發(fā)人向決策人提交的初步研究中，就是這種情況。如上所述，L－THIA模型中使用的計(jì)算程式為NRCS CN法(美國(guó)自然資源保護(hù)局曲線(xiàn)數(shù)值法)。

4.2 指標(biāo)的建立

利用上述4個(gè)水文評(píng)估特征值建立兩個(gè)指標(biāo)，量化土地利用變化對(duì)水文的影響。案例研究中，這兩個(gè)指標(biāo)都被使用。

4.2.1 開(kāi)發(fā)前 －開(kāi)發(fā)后指標(biāo)(PPH)

PPH從年平均徑流量、匯流時(shí)間、2 a一遇24 h暴雨最大徑流量、10a一遇24 h暴雨最大徑流量4個(gè)方面對(duì)比了開(kāi)發(fā)前和開(kāi)發(fā)后的水文條件。經(jīng)比較開(kāi)發(fā)前、開(kāi)發(fā)后水文條件，當(dāng)前變化占開(kāi)發(fā)前水文條件的比例可用下列公式計(jì)算:

式中H為4個(gè)水文評(píng)估特征值中的一個(gè)，post以及pre表示開(kāi)發(fā)前及開(kāi)發(fā)后水文條件的數(shù)值。PPH值接近于零表示開(kāi)發(fā)后水文條件更傾向于未超過(guò)開(kāi)發(fā)前的情況(也就是說(shuō)，土地開(kāi)發(fā)未產(chǎn)生負(fù)面的水文影響)，PPH值越大，表示影響程度越高。為實(shí)施有效雨水管理，在場(chǎng)地規(guī)劃過(guò)程中需要提供土地開(kāi)發(fā)方案，4個(gè)評(píng)估特征值中的單個(gè)PPH值可用來(lái)近似反映土地開(kāi)發(fā)方案的水文響應(yīng)。然而，在該公式中有一種例外情況，即匯流時(shí)間需要使用負(fù)的PPH值，原因是匯流時(shí)間縮短標(biāo)志著產(chǎn)生了負(fù)面的水文影響。負(fù)的PPH值并非一定意味著土地開(kāi)發(fā)沒(méi)有產(chǎn)生負(fù)面水文影響，因?yàn)樨?fù)變化可導(dǎo)致年徑流量減少，從而可能影響基流，最終影響河流生態(tài)以及水資源管理。然而，該指標(biāo)范圍的假定是，相對(duì)于高PPH值，PPH值接近于零為理想情況。

對(duì)于使用該指標(biāo)的框架，也存在一些限制。一個(gè)缺陷是，該方法沒(méi)有考慮住宅開(kāi)發(fā)中的家庭數(shù)量。為了說(shuō)明這一問(wèn)題，可設(shè)想規(guī)劃2 km2農(nóng)田用于開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)商的目標(biāo)是建設(shè)40套房子。如果開(kāi)發(fā)商用2000m2建設(shè)了20套房子，而不是用1000m2建設(shè)了40套房子，那么這種開(kāi)發(fā)的得分較高(即變化百分率較低)。然而，很可能需要另外2 km2農(nóng)田來(lái)建設(shè)剩余的20套房子。將另外2 km2農(nóng)田用于開(kāi)發(fā)，對(duì)水文產(chǎn)生的總體影響會(huì)更大。因此，在使用該指標(biāo)時(shí)需要特別關(guān)注家庭的數(shù)量。該方法的另外一個(gè)缺陷是對(duì)數(shù)值的量級(jí)太敏感。例如，如果某一區(qū)域的年平均徑流由3.0cm變化到3.25 cm，那么該指標(biāo)為8%。另外一種情況是，當(dāng)年平均徑流從8.0cm變化到8.25 cm時(shí)，該指標(biāo)僅為3%。這兩種情況的年平均徑流變化都是0.25 cm，但是指標(biāo)卻不同。然而，這也是合理的，因?yàn)樵撝笜?biāo)值越大，土地利用變化對(duì)水文的影響一定越明顯。

4.2.2 最大值范圍指標(biāo)(EH)

EH比較研究區(qū)域開(kāi)發(fā)后條件下這4個(gè)水文評(píng)估特征值的最小值和最大值。該方法描述了實(shí)際評(píng)估特征值與可能最大評(píng)估特征值(如徑流量)的比。它可以確定開(kāi)發(fā)干擾自然水文情勢(shì)的最大程度，計(jì)算公式如下:

式中H為開(kāi)發(fā)后條件下4個(gè)水文特征值中的一個(gè)特征值。Hmin為開(kāi)發(fā)前條件下的徑流量或者最大徑流量。假定前提是:未經(jīng)開(kāi)發(fā)前土地利用的水文影響最小。Hmax為開(kāi)發(fā)區(qū)域全部被具有水力聯(lián)系的不透水表面覆蓋情況下的徑流量或者最大徑流量。該指標(biāo)表示最大可能的水文影響。與第一個(gè)指標(biāo)類(lèi)似，匯流時(shí)間是一個(gè)例外，公式中的變量需要做相應(yīng)調(diào)整，使Hmin反映全部不透水情況，Hmax反映未開(kāi)發(fā)條件下的匯流時(shí)間。

年平均徑流量以及最大徑流量發(fā)生顯著變化時(shí)，該指標(biāo)的實(shí)際上限為100。產(chǎn)流過(guò)程類(lèi)似于天然條件下的產(chǎn)流過(guò)程，該指標(biāo)的實(shí)際下限為0。計(jì)算值小于假定下限0是可能的，特別是匯流時(shí)間因素，因?yàn)閰R流時(shí)間越短，水文影響就越大。如果采取暴雨控制措施，如濕地、現(xiàn)場(chǎng)生物截留設(shè)施、或者雨水桶等，匯流時(shí)間也會(huì)大于天然水文條件下的上限。

4.2.3 使用指標(biāo)時(shí)的注意事項(xiàng)

水文評(píng)估的目的是確定實(shí)現(xiàn)雨水管理目標(biāo)所需的控制水平。這些指標(biāo)提供了土地利用變化水文影響的總體情況，在沒(méi)有進(jìn)行深入研究之前無(wú)法用于設(shè)計(jì)或者模型應(yīng)用。PPH依據(jù)現(xiàn)有或者規(guī)劃的土地開(kāi)發(fā)方案比較了開(kāi)發(fā)前和開(kāi)發(fā)后的水文條件，包括匯流時(shí)間、2a一遇24h暴雨最大徑流量、10a一遇24 h暴雨最大徑流量、年平均徑流量。EH比較了研究區(qū)域開(kāi)發(fā)后水文條件下水文評(píng)估特征值的可能最小值和最大值。EH的目的是確定某一區(qū)域最大程度開(kāi)發(fā)對(duì)天然水文情勢(shì)的影響程度。

使用時(shí)選擇何種指標(biāo)，取決于社區(qū)的需求以及可以獲得的數(shù)據(jù)。如果目的是概述開(kāi)發(fā)前和開(kāi)發(fā)后條件下水文變化情況，那么應(yīng)用PPH可以獲得所需的控制水平。PPH可用于比較不同區(qū)域的開(kāi)發(fā)，為基于特定區(qū)域確定雨水控制特征值提供決策支持。計(jì)算PPH值時(shí)，主要考慮開(kāi)發(fā)后條件下具有水文聯(lián)系的不透水覆蓋。地理信息系統(tǒng)(GIS)可以用來(lái)快速準(zhǔn)確提取具體土地利用、土壤信息以及類(lèi)似于該研究使用的研究區(qū)域的其他有關(guān)特征。

如果社區(qū)希望采取更為積極的態(tài)度，盡量恢復(fù)天然水文情勢(shì)，那么選擇EH比較好。EH使用了保守的分析方法，以確保實(shí)現(xiàn)雨水管理目標(biāo)。與PPH類(lèi)似，計(jì)算EH開(kāi)發(fā)前和開(kāi)發(fā)后數(shù)據(jù)。然而，EH假定研究區(qū)域開(kāi)發(fā)后總不透水覆蓋具有水文聯(lián)系。使用兩個(gè)指標(biāo)描述研究區(qū)域的水文情況更為完整。不存在確定開(kāi)發(fā)何時(shí)產(chǎn)生負(fù)面影響的指標(biāo)限值。使用者應(yīng)該通過(guò)合理判斷來(lái)確定PPH和EH的高值與低值。經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是將開(kāi)發(fā)后水文特征值的變化控制在開(kāi)發(fā)前水文特征值的10%以?xún)?nèi)。

(未完待續(xù))