確定城市土地利用變化水文影響的兩個指標(biāo)(上)

［美國］R.古恩 等

1 概述

在城市化進程中，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?。城市化對水文情勢的影響包括短期影響和長期影響。短期影響表現(xiàn)為最大徑流量增加、匯流時間減少、洪澇量級和頻率增加、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)。

評估城市土地利用變化的水文影響，是一個復(fù)雜的問題，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，常常無法解決這樣的問題，因為受委托提供解決方案的專業(yè)技術(shù)人員往往只熟悉某一領(lǐng)域的問題，而對其他領(lǐng)域的問題則了解有限。選出或者指定的負(fù)責(zé)實施解決方案的官員必須理解所實施的方案。

盡管許多社區(qū)可以獲得當(dāng)前及過去的土地利用情況、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)于新開發(fā)活動中雨水問題的規(guī)定，以解決土地利用變化帶來的水文影響問題。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)立滯洪洼地等此類終端解決方案，僅僅只能解決短期影響問題。其他社區(qū)則做出了基于不透水總面積的土地開發(fā)的規(guī)定。在上述種種情況中，土地利用產(chǎn)生的水文情勢變化都沒有得到充分反映，不利于利用最佳管理措施和低影響開發(fā)手段推進綜合雨水管理。

因此，就規(guī)劃和立法層面而言，需要一種簡單直觀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)簡單，且指標(biāo)需要資料少，同時又能夠提供關(guān)于土地利用變化產(chǎn)生的短期和長期影響的準(zhǔn)確信息。本文提出了兩個指標(biāo)，作為這一問題的解決方案。社區(qū)可以利用這兩個指標(biāo)確定土地利用的水文影響。本文以實例介紹了這些指標(biāo)的計算方法。

2 雨水排水條例

對于排水系統(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)計標(biāo)準(zhǔn)。力求通過這些條例控制暴雨徑流導(dǎo)致的淹沒和土地利用變更，使其造成的生命財產(chǎn)及自然資源損失最小化。為達成這一目的，在制定這些條例時應(yīng)尋求維持特定設(shè)計暴雨開發(fā)后最大徑流量不超過開發(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條例一般條例規(guī)定，10a一遇以及100a一遇設(shè)計暴雨的開發(fā)后下泄量不得超過2 a一遇及10a一遇的開發(fā)前最大徑流量(蒂珀卡努縣)。在實際應(yīng)用該導(dǎo)則時，需要透過下滲、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。在開發(fā)后，利用最佳微觀管理措施以及低影響開發(fā)手段可以獲得與開發(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，都有類似的條例。該條例隱含的主要原則是，開發(fā)人必須利用一種預(yù)先確定的方法證明:開發(fā)后特定歷時的100a一遇暴雨的最大徑流量一定不大于10a一遇暴雨的開發(fā)前最大徑流量。特定暴雨歷時是指需要最大攔洪庫容的暴雨歷時。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題，而且大部分普通公眾也不容易理解這些規(guī)定。

3 長期水文影響評估模型(L－THIA)

長期水文影響評估模型(L－THIA)是一個簡明分析工具，用于估算過去或者已規(guī)劃的土地利用變化所產(chǎn)生的徑流以及非點源污染。通常情況下，特定事件暴雨是分析土地開發(fā)變化影響的依據(jù)。然而，在評估土地利用變化長期影響時，短歷時暴雨事件的累積影響比罕見大暴雨事件更加合適。L－THIA模型是一種供土地利用規(guī)劃者使用的評估工具，采用電子表格形式，簡單且用戶友好。該模型根據(jù)曲線數(shù)值法，利用研究區(qū)域的土地利用、土壤組合以及長期氣候數(shù)據(jù)估算長期年平均徑流量。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。由于界面簡單且需要的數(shù)據(jù)少，因此L－THIA模型易于為各種用戶使用，可獲得準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

L－THIA模型已經(jīng)用于估算土地利用變化對水文和水質(zhì)的影響。例如，利用該模型比較了城市改造與城市擴建的長期效益。學(xué)者比哈杜里等利用該模型分析了城市化對印第安納州印第安納波利斯附近小鷹河流域的影響。該項研究表明，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、銅和鋅非點源年平均荷載增加50%以上。另外一項研究也使用了該模型，研究了幾個住宅區(qū)的徑流及非點源污染變化，以及周邊區(qū)域的重新規(guī)劃對印第安納州拉斐特市附近一個住宅區(qū)的影響。有學(xué)者利用L－THIA模型研究了過去及未來的城市擴張對區(qū)間水文及區(qū)域水文的影響。L－THIA模型預(yù)測結(jié)果表明，非點源污染、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個評估特征值描述研究區(qū)域的水文情況。一般而言，這4個特征值在規(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個水文評估特征值作為保持開發(fā)前水文條件的參考依據(jù)。其他水文特征值，如徑流歷時以及徑流量數(shù)值等，可用來描述研究區(qū)域的水文情況。

這些特征值易于確定，同時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)為匯流歷時縮短。匯流歷時描述了水從流域中水文意義上的最遠(yuǎn)點匯集到出口斷面所需的時間。實際上，匯流時間從出現(xiàn)超滲降雨開始計算，此時流域內(nèi)的所有部分對匯集點(出口斷面)的流量都有貢獻。

人們認(rèn)為，2 a一遇的歷史暴雨資料對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)計過流能力比較合適，可使洪澇導(dǎo)致的財產(chǎn)損失最小化。該研究使用學(xué)者施瓦布等提出的NRCS曲線數(shù)值法計算最大徑流量。該方法假定暴雨的自然過程線一般大致呈三角形。最大徑流量由單位洪峰流量、流域面積以及徑流深度確定。由匯流時間及初損(Ia)與24 h降雨(P)的比值計算單位洪峰流量。使用學(xué)者施瓦布等提出的公式計算徑流深度。例如，計算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估土地利用和土地開發(fā)的長期水文影響。采用L－THIA模型以及30a的降水量資料計算年平均徑流量。L－THIA模型計算得到30a降水資料中每一場暴雨的平均徑流量。然后，L－THIA模型將這30a的計算結(jié)果取均值，得到年平均徑流量。最終結(jié)果是一個單一的數(shù)值，用于計算本文所述的指標(biāo)。分析時所用的徑流量沒有經(jīng)過調(diào)整，因為分析的目的就是闡明開發(fā)的理論影響，開發(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模型中使用的計算程式為NRCS CN法(美國自然資源保護局曲線數(shù)值法)。

4.2 指標(biāo)的建立

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

4.2.1 開發(fā)前 －開發(fā)后指標(biāo)(PPH)

PPH從年平均徑流量、匯流時間、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個方面對比了開發(fā)前和開發(fā)后的水文條件。經(jīng)比較開發(fā)前、開發(fā)后水文條件，當(dāng)前變化占開發(fā)前水文條件的比例可用下列公式計算:

式中H為4個水文評估特征值中的一個，post以及pre表示開發(fā)前及開發(fā)后水文條件的數(shù)值。PPH值接近于零表示開發(fā)后水文條件更傾向于未超過開發(fā)前的情況(也就是說，土地開發(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。為實施有效雨水管理，在場地規(guī)劃過程中需要提供土地開發(fā)方案，4個評估特征值中的單個PPH值可用來近似反映土地開發(fā)方案的水文響應(yīng)。然而，在該公式中有一種例外情況，即匯流時間需要使用負(fù)的PPH值，原因是匯流時間縮短標(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發(fā)沒有產(chǎn)生負(fù)面水文影響，因為負(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，相對于高PPH值，PPH值接近于零為理想情況。

對于使用該指標(biāo)的框架，也存在一些限制。一個缺陷是，該方法沒有考慮住宅開發(fā)中的家庭數(shù)量。為了說明這一問題，可設(shè)想規(guī)劃2 km2農(nóng)田用于開發(fā)。開發(fā)商的目標(biāo)是建設(shè)40套房子。如果開發(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)田來建設(shè)剩余的20套房子。將另外2 km2農(nóng)田用于開發(fā)，對水文產(chǎn)生的總體影響會更大。因此，在使用該指標(biāo)時需要特別關(guān)注家庭的數(shù)量。該方法的另外一個缺陷是對數(shù)值的量級太敏感。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，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，因為該指標(biāo)值越大，土地利用變化對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)域開發(fā)后條件下這4個水文評估特征值的最小值和最大值。該方法描述了實際評估特征值與可能最大評估特征值(如徑流量)的比。它可以確定開發(fā)干擾自然水文情勢的最大程度，計算公式如下:

式中H為開發(fā)后條件下4個水文特征值中的一個特征值。Hmin為開發(fā)前條件下的徑流量或者最大徑流量。假定前提是:未經(jīng)開發(fā)前土地利用的水文影響最小。Hmax為開發(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。與第一個指標(biāo)類似，匯流時間是一個例外，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反映未開發(fā)條件下的匯流時間。

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

4.2.3 使用指標(biāo)時的注意事項

水文評估的目的是確定實現(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，在沒有進行深入研究之前無法用于設(shè)計或者模型應(yīng)用。PPH依據(jù)現(xiàn)有或者規(guī)劃的土地開發(fā)方案比較了開發(fā)前和開發(fā)后的水文條件，包括匯流時間、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)域開發(fā)后水文條件下水文評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)域最大程度開發(fā)對天然水文情勢的影響程度。

使用時選擇何種指標(biāo)，取決于社區(qū)的需求以及可以獲得的數(shù)據(jù)。如果目的是概述開發(fā)前和開發(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。計算PPH值時，主要考慮開發(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)可以用來快速準(zhǔn)確提取具體土地利用、土壤信息以及類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，那么選擇EH比較好。EH使用了保守的分析方法，以確保實現(xiàn)雨水管理目標(biāo)。與PPH類似，計算EH開發(fā)前和開發(fā)后數(shù)據(jù)。然而，EH假定研究區(qū)域開發(fā)后總不透水覆蓋具有水文聯(lián)系。使用兩個指標(biāo)描述研究區(qū)域的水文情況更為完整。不存在確定開發(fā)何時產(chǎn)生負(fù)面影響的指標(biāo)限值。使用者應(yīng)該通過合理判斷來確定PPH和EH的高值與低值。經(jīng)驗規(guī)則是將開發(fā)后水文特征值的變化控制在開發(fā)前水文特征值的10%以內(nèi)。

(未完待續(xù))