城市化對(duì)水文情勢(shì)的影響淺析

葉志輝

摘要:為了研究城市化對(duì)環(huán)境造成的影響,以觀瀾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,文章對(duì)深圳市城市化前后的水文情勢(shì)的變化進(jìn)行分析,并尋求能夠緩解及解決城市化所帶來(lái)的不利影響。

關(guān)鍵詞:深圳城市化;觀瀾河;水文情勢(shì)

中圖分類號(hào):P33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)21-0078-02

城市化水文效應(yīng)是一個(gè)公眾尚未熟知的概念,它是指在快速城市化區(qū)域,由于屋頂和硬質(zhì)地面等不滲透面積的大幅增加,導(dǎo)致該地區(qū)的雨水匯流特征改變的現(xiàn)象,其表現(xiàn)為洪水總量增多,洪峰流量加大,洪水匯流時(shí)間縮短。簡(jiǎn)單說(shuō)就是城市化產(chǎn)生的不滲透地面把本應(yīng)滲入土中的一部分雨水給截留了,從而更易產(chǎn)生洪災(zāi)。

一、城市化概述

城市化的快速發(fā)展,不但改變了自然地形地貌,以不透水地面鋪砌代替原有的透水土壤和植被,造成下滲與

蒸發(fā)的顯著減少,使同等強(qiáng)度暴雨下增大地表徑流量,增大洪峰流量,增大防洪與排水壓力,另一方面,城市化過(guò)程中工業(yè)化的結(jié)果,產(chǎn)生大量污水,污染河湖等水域,減少了水資源的可利用量,造成供水的不足,又同時(shí)制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

深圳是一個(gè)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人口急劇增長(zhǎng)的新興城市,一方面,隨著城市化進(jìn)程加快、城市范圍的擴(kuò)大,不透水面積增加,使江河水文情勢(shì)和城市地區(qū)的下墊面條件出現(xiàn)較大改變,從而帶來(lái)一系列防洪(潮)新問(wèn)題;另一方面,由于過(guò)去的水文觀測(cè)及研究比較薄弱,歷史資料短缺,無(wú)法為規(guī)劃、設(shè)計(jì)工作提供可靠的數(shù)據(jù)。隨著深圳市科學(xué)技術(shù)的提高,對(duì)水文分析計(jì)算的要求愈來(lái)愈高,《廣東省暴雨徑流查算圖表》已經(jīng)不能滿足深圳市水文計(jì)算要求,主要有以下幾方面的原因:(1)城市面積增加和不透水程度的加強(qiáng),城市化對(duì)局部地區(qū)水文特征產(chǎn)生了愈來(lái)愈明顯的影響;(2)廣東省暴雨徑流查算圖的歷次洪水經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而得的參數(shù)距今已近20年,如今水文地理?xiàng)l件上已發(fā)生較大的變化。

因此,當(dāng)前的水利工作中,迫切需要將城市水文進(jìn)行研究。本次以觀瀾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)流域城市化的影響進(jìn)行了研究,重點(diǎn)選取了觀瀾河流域內(nèi)三種具有代表性的片區(qū)進(jìn)行研究,特點(diǎn)如下:(1)白花河社區(qū):主要表現(xiàn)為片區(qū)內(nèi)大面積魚塘由于城市發(fā)展而變成不透水硬化面積。本次主要研究在大面積魚塘轉(zhuǎn)化后對(duì)地表水文情勢(shì)的影響。(2)崗頭河下雪村片區(qū):該片區(qū)隨著周邊片區(qū)城市化的發(fā)展,下墊面情況變化較大,區(qū)內(nèi)一小(二)型水庫(kù)經(jīng)廢棄改造。本次主要研究在大面積下墊面面積變化的同時(shí),水庫(kù)廢棄對(duì)片區(qū)水文情勢(shì)的影響。(3)油松河龍華新城片區(qū):該片區(qū)城市化主要表現(xiàn)為片區(qū)內(nèi)由于居住人口的增加,大部分面積變成居住用地,硬化面積比重加大。本次主要研究硬化面積的變化對(duì)河道水文情勢(shì)的影響。

該研究將在現(xiàn)有研究工作的基礎(chǔ)上,將整個(gè)流域分為城市區(qū)和山丘區(qū)兩種地貌類型。分析該片區(qū)有關(guān)的水文、洪水特性和下墊面變化狀況,在此基礎(chǔ)上,建立其反映區(qū)域水文特點(diǎn)的水文模型。

城市水文效應(yīng)是城市人類活動(dòng)與水相互關(guān)系的重要問(wèn)題,它對(duì)局部水分循環(huán)和水量平衡有著明顯的影響。又與城市的氣候效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)密切相關(guān)。對(duì)它的研究要涉及多種學(xué)科的理論,為城市建設(shè)服務(wù)打下基礎(chǔ)。

二、觀瀾河流域的水文情況

觀瀾河流域位于深圳市中北部,是東江水系石馬河的上游段,源于大腦殼山,自南向北流經(jīng)布吉街道、平湖街道、龍華街道、觀瀾街道、光明農(nóng)場(chǎng),在觀瀾街道企坪下進(jìn)入東莞市境內(nèi),交界處以上集雨面積189.3km2,河長(zhǎng)22.56km,河流平均比降2.12‰,是深圳市五大河流之一。

流域內(nèi)總的地勢(shì)是南高北低,西高東低,屬丘陵谷地地貌帶。觀瀾河的河谷地貌特征表現(xiàn)為:河谷較順直,谷地平原較窄,河谷橫剖面也較簡(jiǎn)單,無(wú)階地發(fā)育,兩側(cè)的地形面對(duì)稱。

流域中上游土壤為花崗巖風(fēng)化赤紅壤為主,下游為砂頁(yè)巖風(fēng)化赤紅壤為主,局部(白花河下游)分布有片巖及片麻巖。流域土壤大體主要分五類:(1)花崗巖石地紅壤,主要分布在羊臺(tái)山,低山高丘地帶;(2)花崗巖赤紅壤,廣泛分布在流域低丘及臺(tái)地區(qū),風(fēng)化層深厚,含砂量高,淋溶作用強(qiáng)烈;(3)砂頁(yè)巖赤紅壤,主要分布在流域下游及雞公山地帶,土層較薄,夾有半風(fēng)化的母巖碎塊;(4)侵蝕赤紅壤,廣泛分布在流域低丘及臺(tái)地區(qū),成土母質(zhì)以花崗巖風(fēng)化殼為主;(5)河谷沖積田,發(fā)育在河岸沖積平原及沖積階地上,主要有河砂質(zhì)田、河沙泥田和河泥田。

由于中上游森林植被覆蓋較差,近年來(lái)大規(guī)模的開發(fā)建設(shè),水土保持措施不足,造成流域內(nèi)水土流失極為嚴(yán)重。

蓄水工程:觀瀾河流域內(nèi)已建有小(二)型以上蓄水工程28宗。觀瀾河流域地處北回歸線以南,屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。夏季長(zhǎng),冬季不明顯,氣候溫和,光照充足,雨量充沛。夏季受熱帶氣旋控制,盛行東南風(fēng)和西南風(fēng)。二三月份受海洋暖氣流與北方冷空氣影響,多為陰雨天氣;四月份起至六月份為前汛期,以鋒面雨為主;七至九月,太平洋及南海生成的熱帶氣旋和臺(tái)風(fēng),帶來(lái)了大量的水汽,形成熱帶風(fēng)暴雨。臺(tái)風(fēng)是本地區(qū)主要的災(zāi)害性天氣,臺(tái)風(fēng)帶來(lái)暴雨或大暴雨,造成洪水泛濫,人民生命財(cái)產(chǎn)受到威脅。十一月份起西風(fēng)環(huán)流加劇,降水量明顯減少。

據(jù)深圳氣象臺(tái)資料統(tǒng)計(jì),多年平均氣溫為22℃,多年平均雨日140天。多年平均相對(duì)濕度為79%,多年平均氣壓為1010.8mbar。多年平均蒸發(fā)量為1345.7mm,多年平均風(fēng)速為2.6 m/s,多年平均最大風(fēng)速為22.8m/s。

流域內(nèi)降雨量年際、年內(nèi)間分布不均。觀瀾河無(wú)客水經(jīng)過(guò),屬于雨源型河流,其徑流、洪水的形成與暴雨均有重要的關(guān)系。本地區(qū)雨量主要集中在4~9月,往往是由臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的暴雨,一場(chǎng)暴雨即引發(fā)一次洪水,反映在洪水暴漲暴落,徑流、流量變幅大,洪水暴漲暴落等的特性尤為突出。

流域內(nèi)共有高峰、茜坑和甘坑三個(gè)雨量站,臨近流域有石巖雨量站、西瀝雨量站和梅林雨量站。各雨量站情況見表1:

三、城市化對(duì)流域雨洪和流域降水量的影響

(一)城市化對(duì)流域雨洪的影響

城市化對(duì)流域雨洪的影響物理機(jī)制主要有:(1)城市熱島效應(yīng);(2)城市阻礙效應(yīng);(3)凝結(jié)核效應(yīng)。

(二)城市化對(duì)流域降水量的影響

通過(guò)對(duì)流域內(nèi)高峰雨量站1962~2002資料系列的分析,流域年降雨總量并沒(méi)有發(fā)生較大的變化,但降雨天數(shù)及暴雨次數(shù)卻有明顯的增加現(xiàn)象,流域降雨主要是因?yàn)楹Ｑ笏苌矫}抬升影響所致,流域年總降雨量多年來(lái)相差不大,但流域城市化造成城市水面面積減少,城市硬化地面增多,城市凝結(jié)核效應(yīng)增強(qiáng),降雨天數(shù)有明顯增加的趨勢(shì)。具體的流域歷年降雨天數(shù)變化趨勢(shì)與降雨量變化趨勢(shì)見表2:

(三)城市化對(duì)流域雨強(qiáng)的影響

流域由于“熱島效應(yīng)”使空氣層極不穩(wěn)定,以及“阻障效應(yīng)”引起機(jī)械湍流促使城市上空熱力對(duì)流發(fā)展,對(duì)流性降水有所增加,而勢(shì)必對(duì)流形成的雷雨范圍小,雨勢(shì)急,時(shí)間短,造成城市雨強(qiáng)較郊區(qū)大。觀瀾河流域80年代以前,流域年最大1日暴雨量基本上比較均勻,80年代以后,暴雨量變化幅度較大,極不均勻,個(gè)別年份最大暴雨量為其他年份的兩倍。

(四)城市化對(duì)流域洪水的影響

城市化后流域下墊面變化情勢(shì),在深圳90年代初以來(lái),經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,城市化進(jìn)程加快,導(dǎo)致城市硬化面積增多,流域產(chǎn)水量增多,洪峰變大。

城市化影響不僅是表現(xiàn)在流域不透水面積增大,導(dǎo)致流域產(chǎn)水量增多,更主要的是表現(xiàn)在洪水傳播的變化上。城市化進(jìn)程中,河道整治所帶來(lái)的河道糙率減小,截彎取直等因素大大減少了流域匯流時(shí)間,降低了河道的調(diào)蓄能力,導(dǎo)致發(fā)生暴雨時(shí),洪峰明顯提前,若下游不做好洪水疏導(dǎo)措施,則對(duì)沿河的防洪建筑物都是一個(gè)很大的考驗(yàn)。以臨近流域龍崗河為例,該流域經(jīng)過(guò)多年城市化改造,流域內(nèi)河道基本完成防洪改造,斷面規(guī)整,城市化前后洪水過(guò)程變化(如圖1),當(dāng)發(fā)生同等強(qiáng)度的降雨過(guò)程時(shí),由于匯流時(shí)間縮短,洪峰產(chǎn)生時(shí)間提前。

(五)城市化對(duì)流域水環(huán)境的影響

城市化是一個(gè)復(fù)雜的空間形態(tài)變化和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程。我國(guó)城市化水平總體來(lái)說(shuō)不高,但發(fā)展速度較快,尤其是改革開發(fā)以來(lái),發(fā)展速度已接近發(fā)展中國(guó)家的平均水平。如此快的增長(zhǎng)速度帶來(lái)了人口的迅速增長(zhǎng),工業(yè)化進(jìn)程加快,但與此同時(shí)也帶來(lái)大量的生活污染、工業(yè)污染,加重了環(huán)境的承受壓力,污染治理措施的滯后和人們環(huán)境意識(shí)的薄弱更是造成現(xiàn)在環(huán)境及水體嚴(yán)重污染的最主要原因。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù),觀瀾河溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、非離子氨、揮發(fā)酚、石油類和總磷的年均值超過(guò)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),懸浮物、亞硝酸鹽氮、總汞、總鎘和六價(jià)鉻的監(jiān)測(cè)值也出現(xiàn)超標(biāo),水質(zhì)類別為劣Ⅴ類。城市化所帶來(lái)的水環(huán)境污染問(wèn)題較為嚴(yán)重。

針對(duì)城市化后,造成流域暴雨量增加、洪峰流量增加、流域產(chǎn)匯流時(shí)間提前、流域水環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻等問(wèn)題,為城市河流防洪排澇帶來(lái)了大量的難題,但同時(shí)也為河道水環(huán)境綜合整治帶來(lái)很大的考驗(yàn)和契機(jī)。

1.針對(duì)城市化后流域暴雨量的增加。針對(duì)城市化后,熱島效應(yīng)、降雨凝結(jié)核增多等問(wèn)題造成流域降雨量增多,雨強(qiáng)增大,解決的方法主要有:(1)增加城市植被覆蓋率,以增強(qiáng)空氣質(zhì)量,增加空氣中的負(fù)離子濃度,減少空氣塵埃數(shù)量,致使降雨凝結(jié)核減少,降低降雨次數(shù);(2)增加城市水面面積的總量,提高城市水面率,從而使流域降雨強(qiáng)度減小。

2.針對(duì)城市化后洪峰流量增加,流域產(chǎn)匯流時(shí)間提前。針對(duì)城市化后,不透水硬化地面的增加,下墊面情況變化造成流域產(chǎn)匯流時(shí)間縮短,洪峰流量增加,根據(jù)各河道實(shí)際情況,采取不同的工程措施:(1)對(duì)條件允許的河道進(jìn)行拓寬加高,提高河道防洪能力,從根本上解決河道防洪隱患;(2)對(duì)穿過(guò)城市人口密集區(qū)的河道,無(wú)條件拓寬或加高的,在流域內(nèi)尋求合適的地區(qū)建立多功能滯洪區(qū)等工程措施減輕河道的防洪壓力。

3.針對(duì)城市化后帶來(lái)的水環(huán)境問(wèn)題。針對(duì)城市化后所引起的人口數(shù)量增加,環(huán)境自凈能力減弱,周邊環(huán)境特別是水環(huán)境日益惡化等問(wèn)題,主要還是依靠在努力提高片區(qū)流域截污治污的工程措施外,提高經(jīng)濟(jì)集約化程度,增加科技含量,提高原料利用率,降低污染排放量,同時(shí)還要通過(guò)宣傳環(huán)保知識(shí),培養(yǎng)和提高公民的環(huán)保意識(shí)。

4.多功能調(diào)蓄湖雨洪利用。建立多功能調(diào)蓄湖,在雨季可起流域調(diào)蓄洪水的作用,延緩流域匯流時(shí)間,起到削峰滯洪的作用;在非雨期可利用湖泊蓄水庫(kù)容,蓄引境外水量或雨洪資源,提高片區(qū)供水保證率需或僅作為湖區(qū)內(nèi)部綠化、景觀用水。

在經(jīng)濟(jì)化和科技化的時(shí)代,我們不僅要加快前進(jìn)的步伐,也要想到其對(duì)環(huán)境所造成的影響。在觀瀾河流域的水文數(shù)據(jù)上表明,深圳在城市化同時(shí),也帶來(lái)了很多的對(duì)環(huán)境上的影響。如果我們不認(rèn)真地分析和思考,解決相應(yīng)的突發(fā)性問(wèn)題,那么就會(huì)帶來(lái)很多不必要的損失,更有可能帶來(lái)無(wú)盡的災(zāi)難。所以,在能適應(yīng)新的水文情勢(shì)的水文分析方法面世之前,對(duì)城市化水文影響的分析和討論是非常有必要和值得堅(jiān)持的。