城市化與城市水文學(xué)面臨的問(wèn)題

張建云

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源及水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

人口和產(chǎn)業(yè)向城市集中，致使城市不斷擴(kuò)張的過(guò)程，稱為城市化.城市化是衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的重要標(biāo)志.但是，城市化的進(jìn)程增大了人類社會(huì)與周圍環(huán)境間的相互作用，將引發(fā)一系列的問(wèn)題，使得城市防洪、供水和水環(huán)境生態(tài)保護(hù)等問(wèn)題越來(lái)越突出［1－3］.

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，目前我國(guó)正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的時(shí)期.人口正在向城市，尤其向大中城市集聚.改革開放初期，我國(guó)人口的城市化率還不到20%(按城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒壤y(tǒng)計(jì))，但是現(xiàn)在已超過(guò)47.5%(據(jù)2011年3月的統(tǒng)計(jì)資料).中國(guó)人口從10億上升到13億，城市人口從2億發(fā)展到現(xiàn)在的6億多，城市人口凈增了4億多.加速推進(jìn)城市化是我國(guó)實(shí)現(xiàn)第三步戰(zhàn)略目標(biāo)的重要戰(zhàn)略措施，因此我國(guó)的城市化進(jìn)程還將進(jìn)一步加快.據(jù)有關(guān)規(guī)劃，在2050年前后，我國(guó)人口達(dá)到高峰時(shí)，總?cè)丝跒?6億左右，屆時(shí)城市化水平將可能超過(guò)60%，全國(guó)將有9.6億以上的人口生活在城市里.隨著城市化進(jìn)程的加快，城市水文效應(yīng)越來(lái)越顯著，城市水問(wèn)題越來(lái)越突出，開展相關(guān)水文研究的需求也越來(lái)越迫切.

城市化的進(jìn)程直接影響到水文要素循環(huán)的各個(gè)方面(見(jiàn)圖1)，城市水文學(xué)的研究頗具挑戰(zhàn)性.

圖1 城市化的水文效應(yīng)Fig.1 Hydrologic effects of urbanization

1 城市水文效應(yīng)對(duì)降水和蒸發(fā)的影響

在現(xiàn)代化的大城市中，除了數(shù)百萬(wàn)人日常生活所散發(fā)出的熱量，還有工業(yè)生產(chǎn)、交通工具散發(fā)的大量熱量.此外，城市的建筑群和柏油路面熱容量大，反射率小，能有效地儲(chǔ)存太陽(yáng)輻射熱.據(jù)估算，城市白天吸收儲(chǔ)存的太陽(yáng)能比鄉(xiāng)村多80%，而晚上城市降溫緩慢［4］.因此，城市化的發(fā)展導(dǎo)致城市中的氣溫高于外圍郊區(qū)，即城市熱島效應(yīng).對(duì)于大型城市，“熱島效應(yīng)”還會(huì)引發(fā)“雨島效應(yīng)”.大城市氣溫高、粉塵大，空氣中的凝結(jié)核多，熱氣上升時(shí)會(huì)引發(fā)周邊郊區(qū)氣流向城市匯聚的運(yùn)動(dòng).上升的熱氣流在高空遭遇強(qiáng)對(duì)流的冷氣團(tuán)，則會(huì)形成暴雨，因此大城市往往更容易成為暴雨襲擊的中心，即城市雨島效應(yīng).

有關(guān)研究表明，城市的熱島效應(yīng)、凝結(jié)核效應(yīng)、高層建筑障礙效應(yīng)等的增強(qiáng)，使城市的年降水量增加5%以上，汛期雷暴雨的次數(shù)和暴雨量增加10%以上［4］.近幾年，一些超大型城市接連被強(qiáng)暴雨襲擊，造成了交通癱瘓和人民生命財(cái)產(chǎn)損失.比如，北京市2011年的6月23日和7月25日接連兩次強(qiáng)暴雨襲擊，特別是6月23日的暴雨，部分地區(qū)1 h降雨量達(dá)128 mm，超過(guò)百年一遇，大量的街道被淹，很多汽車泡在立交橋下，給居民生活帶來(lái)極大的不便.城市洪水災(zāi)害的形成，一方面是強(qiáng)暴雨所致，另一方面也暴露出一些市政排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)不到位、排水能力低下等突出問(wèn)題.此外，由于城市化產(chǎn)生的下墊面硬化將明顯減少流域的蒸散發(fā)量.許有鵬等［5］在南京秦淮河城市化對(duì)水文影響分析中指出，城市化率(不透水率)從4.2%(1988年)到7.5%(2001年)和13.2%(2006年)，流域的蒸散發(fā)量分別減少3.3%和7.2%.

2 城市水文效應(yīng)對(duì)產(chǎn)匯流規(guī)律的影響

城市化使得大片耕地和天然植被為街道、工廠和住宅等建筑物所代替，下墊面的滯水性、滲透性、熱力狀況均發(fā)生明顯的變化，集水區(qū)內(nèi)天然調(diào)蓄能力減弱，這些都促使市區(qū)及近郊的水文要素和水文過(guò)程發(fā)生相應(yīng)變化.

城市化增加了地表暴雨洪水的徑流量.城市化的結(jié)果使地面變成了不透水表面，如路面、露天停車場(chǎng)及屋頂，而這些不透水表面阻止了雨水或融雪滲入地下，降水損失水量減少，徑流系數(shù)顯著提高［6－8］.徑流系數(shù)與不透水面積比例和降水量的關(guān)系如圖2所示，即不透水面積比與徑流深和徑流系數(shù)呈明顯的正相關(guān)關(guān)系.如南京秦淮河流域，城市化率從4.2%增加到7.5%和13.2%的情況下，流域的多年平均徑流深和徑流系數(shù)分別增加 5.6%和 12.3%左右［5］.

另一方面，城市化使得流域地表匯流呈現(xiàn)坡面和管道相結(jié)合的匯流特點(diǎn)，降低了流域的阻尼作用，匯流速度將大大加快.水流在地表的匯流歷時(shí)和滯后時(shí)間大大縮短，集流速度明顯增大，城市及其下游的洪水過(guò)程線變高、變尖、變瘦，洪峰出現(xiàn)時(shí)刻提前，城市地表徑流量大為增加，見(jiàn)圖3.美國(guó)丹佛市的觀測(cè)表明，2 h內(nèi)43 mm的降雨，在草坪、沙土和黏土地帶，徑流系數(shù)(產(chǎn)流/降雨量)為 0.10 ～0.25，鋪路地帶則為 0.90［4］.

城市化將增加城市及其下游的防洪和排澇壓力.我國(guó)660多座城市中，絕大多數(shù)坐落在江河湖海之濱，其中有防洪任務(wù)的占93%，而目前達(dá)到規(guī)定防洪標(biāo)準(zhǔn)的城市只占約33%.我國(guó)城市排澇標(biāo)準(zhǔn)普遍較低，一般不足3～5 a一遇.近年來(lái)，突發(fā)性暴雨頻繁，由于城市發(fā)展，城市內(nèi)澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重.

圖2 徑流系數(shù)－不透水面積百分比關(guān)系(資料來(lái)源:文獻(xiàn)［9］)Fig.2 Relationship between runoff coefficients and impervious area percentages(data from:Reference［9］)

圖3 城市化對(duì)水文過(guò)程的影響Fig.3 Impacts of urbanization on hydrologic processes

3 城市水文效應(yīng)對(duì)城市水資源保障的影響

城市迅速膨脹，人口高度集中，工業(yè)迅速發(fā)展，城市需水量也急劇增加.城市居民用水的消耗定額平均為農(nóng)村居民的5～8倍，新興工業(yè)的耗水量更多，對(duì)水質(zhì)的要求更高，故城市用水量的增長(zhǎng)速度大大超過(guò)了人口增長(zhǎng)的速度［10］.城鎮(zhèn)化水平和人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，城市用水量將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高的需求，見(jiàn)圖4.例如上海1949—1980年間，人口增加了1倍多，用水量增加近6倍［11］.此外，城市快速發(fā)展，人口高度集中于城市，人民生活及工業(yè)產(chǎn)生的污水將惡化城市水質(zhì)，在我國(guó)一些水資源較豐富的地區(qū)，有水質(zhì)型缺水的現(xiàn)象.所以城市化將增加城市水資源保障的風(fēng)險(xiǎn).

我國(guó)本身就是一個(gè)水資源緊缺的國(guó)家，全國(guó)有400多座城市缺水，占城市總數(shù)的2/3，其中100多座嚴(yán)重缺水.2000年山東煙臺(tái)、威海大旱，水庫(kù)干涸，城市供水告急，人均月限供水僅1 t.2006年重慶和四川東部等地發(fā)生了百年不遇的特大干旱，給城市生活帶來(lái)了嚴(yán)重影響.城市供水日益緊張，原來(lái)的地表水源和供水設(shè)施不能適應(yīng)發(fā)展的要求，許多城市超量開采地下水，使地下水資源日趨枯竭，不僅帶來(lái)了水資源危機(jī)，甚至造成地面沉降的危害.為此，不少城市采取遠(yuǎn)距離引水的途徑，以解決城市供水不足的問(wèn)題.

城市缺水除了資源性稟賦差外，還有用水浪費(fèi)、用水效率低、管道滲漏嚴(yán)重等問(wèn)題也十分突出.應(yīng)該加快節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，提高污水處理和中水利用水平，加強(qiáng)供水管網(wǎng)改造，提高城市供水保障能力.

圖4 全國(guó)城市用水量(資料來(lái)源:中國(guó)水資源公報(bào))Fig.4 Urban water consumption of China(data from:China Water Resources Bulletin)

4 城市化進(jìn)程對(duì)水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響

城市工業(yè)廢水和生活污水向河流排放帶來(lái)的城市化環(huán)境效應(yīng)，導(dǎo)致城市水體污染普遍嚴(yán)重，突發(fā)性水污染事件頻繁發(fā)生［12］.據(jù)世界銀行統(tǒng)計(jì)，世界20個(gè)污染最嚴(yán)重的城市中，中國(guó)有16個(gè);全國(guó)2/3污廢水未經(jīng)處理直接排入水體，90%城市地表水域受到不同程度的污染.中國(guó)特大水污染事件，多數(shù)來(lái)源于城市，同時(shí)對(duì)城市的威脅也最大.如2005年，松花江重大水污染事件是吉林市化工廠爆炸所引起的，2007年的太湖藍(lán)藻爆發(fā)也是周圍城市污水超標(biāo)帶來(lái)的富營(yíng)養(yǎng)化，2009年江蘇鹽城化工廠污染自來(lái)水事件和2010年福建紫金礦業(yè)污染事件等是近幾年接連發(fā)生的城市水資源嚴(yán)重污染事件.

另一方面，工業(yè)廢氣向大氣排放后形成的酸雨，使天然水體受到污染，生態(tài)平衡遭到破壞，嚴(yán)重危及工業(yè)生產(chǎn)和人民生活.此外，枯水季節(jié)，通常河川徑流減少，稀釋能力削弱，水質(zhì)更趨惡化.在城市化水平較高的地區(qū)，其下游水體一般都受到污染.天然水體水質(zhì)惡化更加劇了城市水資源的緊缺.

5 城市水文學(xué)需要研究的問(wèn)題

城市化的發(fā)展影響到城市的防洪、水資源保障和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)等方面.因此，從學(xué)科發(fā)展以及應(yīng)用的角度，當(dāng)前城市水文學(xué)應(yīng)該加強(qiáng)以下3方面的研究工作.

(1)城市極端暴雨的成因分析.對(duì)近幾年一些城市出現(xiàn)的強(qiáng)暴雨過(guò)程，科學(xué)地定量分析這些過(guò)程中由氣候系統(tǒng)自然規(guī)律、全球變暖和城市熱島效應(yīng)各種影響的大小;分析熱島效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，為研究制定減緩熱島效應(yīng)的城市規(guī)劃及措施提供技術(shù)支持.

(2)城市暴雨洪水計(jì)算方法研究.城市化帶來(lái)的下墊面變化，導(dǎo)致了流域產(chǎn)匯流規(guī)律的顯著變化，使得產(chǎn)流系數(shù)大大提高，匯流速度明顯加快.因此相比城市化之前，徑流量大，洪峰流量大，過(guò)程尖瘦.為了提高城市設(shè)計(jì)洪水的可靠性，要開展大量的水文實(shí)驗(yàn)，分析提出不同土地利用(如柏油、水泥、草坪磚、綠地、樹林、建筑等)和不同地形地勢(shì)等條件下的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及其主要參數(shù)值(或取值范圍).

(3)雨洪資源化應(yīng)用方法和技術(shù)研究.一是洪水資源可利用量計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)研究.通過(guò)洪水資源利用與防洪安全、河流健康和生態(tài)環(huán)境的作用機(jī)理分析，提出面向調(diào)度的洪水資源可利用量計(jì)算方法，為洪水資源的調(diào)度利用提供基礎(chǔ);二是研究雨洪－地下水水量的轉(zhuǎn)化與交換機(jī)理，開發(fā)新型地下儲(chǔ)水空間雨洪回灌促滲技術(shù)，為地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用工程提供技術(shù)支撐，等等.

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