城市化對水文循環(huán)的影響與對策研究

徐 雷

(白城市水利勘測設(shè)計院，吉林 白城 137000)

在我國城市化建設(shè)過程中，水資源安全問題開始顯現(xiàn)，并有日益嚴重的發(fā)展趨勢。各級政府及相關(guān)部門為此制定了各項工程方案和解決措施。有關(guān)研究顯示，城市建設(shè)對水循環(huán)的干擾導(dǎo)致了一些洪澇災(zāi)害的發(fā)生和水質(zhì)污染事件的出現(xiàn)。在水文循環(huán)具有的自我調(diào)節(jié)能力達到極限以后，將會引發(fā)水文生態(tài)功能退化。

1 城市規(guī)劃中引入健康水文循環(huán)的意義

所謂水文循環(huán)，指的是一種自然生態(tài)演化過程，這一過程具有十分復(fù)雜的特點。水文循環(huán)的主要空間載體為大小河流、湖泊、各類濕地和水塘、溪流、河谷地以及河漫灘等地表水文環(huán)境。河流中水的流動起源于重力作用，在重力作用下，河水由高向低流淌在起伏不平的的地表，并對自然形成的河堤、河床和河漫灘等產(chǎn)生沖擊效應(yīng)。這種沖擊力同與此相伴的泥沙淤積，以及河水自身具有的下切力和側(cè)蝕力共同作用之下形成一種平衡，構(gòu)成了河流邊界。各類溪流、湖泊、濕地和水塘等水文要素則是以吸納雨水，同干流水體進行相互補給和調(diào)蓄，使地表的自然水體達到一種平衡，處于自然演化中的水文環(huán)境和水文循環(huán)系統(tǒng)表現(xiàn)為一種正常平衡狀態(tài)［1］。但在我國進行的大規(guī)模城市化建設(shè)過程中，水文循環(huán)系統(tǒng)在很短的時間里受到了規(guī)模較大的干擾，這種城市化建設(shè)過程對降雨系統(tǒng)、河流水系及相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾就形成了水文效應(yīng)。水文效應(yīng)將引發(fā)水質(zhì)出現(xiàn)惡化、洪澇等災(zāi)害頻繁出現(xiàn)、河水出現(xiàn)斷流、水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危機等一系列問題。研究者和工程技術(shù)人員想利用工程策略來解決上述問題，取得的效果并不顯著。故此，本文著眼于低影響角度，在城市規(guī)劃領(lǐng)域引進健康水文循環(huán)這一理念，該理念是在城市化建設(shè)中，將水文循環(huán)的修復(fù)作為目標，對城市化建設(shè)中可能出現(xiàn)的水文效應(yīng)采取相應(yīng)對策，以期尋找出其產(chǎn)生癥結(jié)，并從根本上進行解決。

2 城市化對水文循環(huán)擾動作用解析

2.1 城市化隔斷承接雨水下墊面條件

在未經(jīng)開發(fā)的自然地表，通過土壤層及透水層之后、雨水得到過濾凈化貯藏于地表，或滲入淺水層，最終溢出變成溪水的基流，形成了一個地表漫流過程。這一過程為環(huán)境帶來了許多益處。如滲入土壤的水促進了植物發(fā)育和生長;雨水的滲透要經(jīng)土壤顆粒的過濾，有利于去除地表徑流中存在的雜質(zhì)，保證了溢出的基流的健康水質(zhì);雨水滲入淺水層為地下水提供了必要的補給，形成了人類的重要水源;雨水溢出所形成的地表漫流有利于緩和洪水的強度。在大規(guī)模城市化建設(shè)中，城市的面積在快速膨脹，使承接雨水的下墊面受到了大規(guī)模的干擾而出現(xiàn)變化。各類建筑的屋頂、經(jīng)過鋪裝的廣場、柏油馬路、以及通過人工整理的密實地表等不透水平面截斷了雨水的正常滲透和貯藏過程，并阻斷了地表漫流，日益光滑的地表也削弱了其控制地表漫流速度的功能。統(tǒng)計資料顯示，下墊面條件的變化導(dǎo)致了徑流總量上升、徑流速度在提高，在大量雨水的沖刷下又將導(dǎo)致水土流失。而汛期的洪水匯集周期在日益縮短，洪峰值在日益升高，當出現(xiàn)各水洪峰聚集，極有可能造成洪災(zāi)。我國目前的洪水位在逐年上升，而預(yù)防洪水的設(shè)施建設(shè)的出現(xiàn)滯后，特別是廣大農(nóng)村村鎮(zhèn)地區(qū)，將帶來極為嚴重的內(nèi)澇災(zāi)害。而近年出現(xiàn)的氣候異常變化造成暴雨頻現(xiàn)，初始沖刷所構(gòu)成的污染日益擴大，在客觀上阻礙了雨水正常入滲土壤，使雨水得不到天然凈化。

2.2 城市化打破水文環(huán)境地景格局特征

大規(guī)模的城市化建設(shè)對地表結(jié)構(gòu)帶來干擾，導(dǎo)致地表結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生變化，直接影響到與之相關(guān)的生態(tài)環(huán)境。研究人員對河流的自然特征展開研究后發(fā)現(xiàn)，河流是通過臨近的支流同陸域發(fā)生水量交換，進而實現(xiàn)自身水源的蓄積和補給。但城市化建設(shè)卻使水文形態(tài)和水文產(chǎn)流特征發(fā)生了變化［2］。作為由溪流、支流和干流匯聚形成的河流，構(gòu)成了一個水系網(wǎng)絡(luò)，形成河流的水系網(wǎng)絡(luò)具有不同的形態(tài)，這些形態(tài)的水系包括平行狀、放射狀、樹枝狀、羽型狀、向心狀和混合狀等，而且其形態(tài)并非一成不變。城市化建設(shè)通常講究便捷和高效，并突出經(jīng)濟效益，但卻忽視了河流所具有的天然形態(tài)。在城市化建設(shè)中，道路規(guī)劃通常采取格狀路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這造成河流的支流和溪流由于避彎取直而漸漸縮小，一些支流和溪流已經(jīng)消失。所造成的地景截斷效應(yīng)也對區(qū)域生態(tài)流動產(chǎn)生了嚴重的負面影響。大量生態(tài)道路學成果顯示，當?shù)缆访芏冗_到0.6km/km2以上時，大型哺乳動物的顯現(xiàn)機會將大幅度下降。

2.3 城市化降低水文系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

生態(tài)系統(tǒng)通常都具有某種自我調(diào)節(jié)能力，水文系統(tǒng)也不例外，這種自我調(diào)節(jié)能力促使徑流運動存在一定的規(guī)律性。但這種調(diào)節(jié)能力也存在極限，當超出極限后，將導(dǎo)致極端水文變化的出現(xiàn)。近些年，國內(nèi)許多城市的水文數(shù)據(jù)都具有同化趨勢，如暴雨出現(xiàn)頻率增高，洪澇災(zāi)害頻率增大，這些都產(chǎn)生于水文循環(huán)系統(tǒng)遭到干擾和破壞。研究人員對基隆河流域汐止五堵段集水區(qū)自1980～2020年在開發(fā)中出現(xiàn)的水文變化數(shù)據(jù)做出檢測。依據(jù)空間擾動速率S/年，計算山坡地的開發(fā)規(guī)模，每年的擾動空間以0.002左右的速率提高。年均徑流比率變化卻在1991年以前略稍降低，此后出現(xiàn)顯期待上升。顯示出大規(guī)模城市化改造對水文循環(huán)系統(tǒng)進行的擾動存在一個時間的遲滯。1990年以后，年平均徑流數(shù)據(jù)明顯發(fā)生不規(guī)則變化，盡管有的年份出現(xiàn)下降，但是從1991～1996年的平均徑流比率為1.41，比1980～1990年期間的平均徑流比率1.23明顯偏高。受檢測時間所限，沒能測量到具體時間系數(shù)，但還是可以斷定，1990年達到這一區(qū)域水文系統(tǒng)極限并形成拐點。這一結(jié)論為日后的研究奠定了理論基礎(chǔ)。并預(yù)示出，一旦超過水文極限，將帶來一系列的城市問題。盡管城市建設(shè)擾動水文循環(huán)系統(tǒng)的問題不可避免，但還是有必要尋找到一種具有適應(yīng)性的相應(yīng)規(guī)劃與策略。

3 流域規(guī)劃對策

3.1 區(qū)域劃分實現(xiàn)由地緣向水緣的轉(zhuǎn)變

全球很多國家都在試圖通過河流域進行區(qū)域劃分和城市建設(shè)，這種方式也取得了一定的成效。在美國就有田納西流域，在南美洲的巴西有亞馬遜流域。這種以流域作為單元的區(qū)域開發(fā)具有相當長的歷史傳統(tǒng)，例如我國有黃河流域、在西亞有兩河流域，在非洲有尼羅河流域。歷史經(jīng)驗證明，水文效應(yīng)的下降同流域的自然屬性、社會屬性和經(jīng)濟屬性是分不開的。流域作為一個整體概念，其具有聯(lián)動性［3］。在區(qū)域內(nèi)進行水資源的開發(fā)會對水文循環(huán)產(chǎn)生破壞作用，而治理僅著眼于區(qū)域范圍是無法實現(xiàn)的。如在流域的上游進行跨區(qū)域調(diào)水、在中游進行攔水通常都將造成下游出現(xiàn)斷水現(xiàn)象;而城市進行污水排放和地表徑流排放的區(qū)段離源頭越近，流域范圍內(nèi)造成的影響范圍就越大、危害也越大。同時，區(qū)域間存在的經(jīng)濟發(fā)展差異也可在流域不同水文區(qū)段方面尋找到某些原因。通常流域上游都為水源保護地帶，這里的水文環(huán)境十分豐富、地形結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，進行大規(guī)模城市開發(fā)存在較大困難。但這里往往蘊藏著豐富的能源或其他資源;流域下游通常人口密集、交通也十分便利、這里的經(jīng)濟相對發(fā)達、先進的技術(shù)也存在這里。若依據(jù)這樣的規(guī)律在流域內(nèi)進行合理職能分工，可有效防止產(chǎn)業(yè)重復(fù)建設(shè)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補的經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢。

3.2 將流域水資源量作為確定城鎮(zhèn)規(guī)模等級的門檻

在區(qū)域范圍內(nèi)進行城市規(guī)模等級規(guī)劃設(shè)計時，通常以經(jīng)濟發(fā)展目標作為前提條件，其設(shè)計底線則是資源容量，這種傳統(tǒng)規(guī)劃模式無視生態(tài)環(huán)境，在城市規(guī)模超過生態(tài)系統(tǒng)極限后，將導(dǎo)致無法挽回的嚴重后果。西方國家在建設(shè)中對環(huán)境實行先破壞后治理的模式所造成的負面影響教訓(xùn)深刻，足以引起我們的警覺。水資源日益緊張，客觀上要求我們在進行區(qū)域城市開發(fā)時應(yīng)將水文資源承載力作為衡量城市設(shè)計規(guī)模及等級結(jié)構(gòu)的標準。降低取排水對區(qū)域水文系統(tǒng)造成的干擾，不能只局限于工程技術(shù)措施，還要對區(qū)域范圍內(nèi)的流域水文資源的承載力做出準確評估，以確定其極限值，以此作為城市開發(fā)規(guī)模和等級結(jié)構(gòu)的一項衡量標準。特別是流域上游，若城鎮(zhèn)開發(fā)規(guī)模過大，所造成的污染和徑流總量將在較大范圍內(nèi)帶來負面影響:如使下游城市的防洪和凈水產(chǎn)生更大壓力;為使下游河流更加疏通而進行裁彎取直，將對水文環(huán)境及流域水文生態(tài)帶來破壞。所以，確定區(qū)域城鎮(zhèn)開發(fā)的規(guī)模和等級一定以區(qū)域內(nèi)水文資源的承載力極限作為徇標準。

3.3 依據(jù)流域自然特征進行區(qū)域城鄉(xiāng)空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃

我國進行區(qū)域規(guī)劃依據(jù)的是梯度發(fā)展規(guī)律，這種模式造成條件較好地區(qū)更易獲得更多的資源，再以先開發(fā)地區(qū)通過輻射作用帶動周邊地區(qū)，目的是使區(qū)域經(jīng)濟由不平衡向平衡過度。該發(fā)展模式是以投資報酬率作為衡量標準。在發(fā)展規(guī)劃時引進健康水文循環(huán)的理念，將水文環(huán)境作為衡量標準之一，使區(qū)域開發(fā)的空間結(jié)構(gòu)同水文空間的相融合。這種新開發(fā)思念與經(jīng)濟衡量標準并不矛盾，未發(fā)展地區(qū)可作為預(yù)留保護地，有效保護上游區(qū)域的水文環(huán)境。

綜上所述，將健康水文循環(huán)作為一項衡量標準，將為城市開發(fā)中的水文效應(yīng)研究拓展思路。這項研究將使城市開發(fā)中對水文效應(yīng)開展的整治不僅局限于現(xiàn)象，而利于在根本上加以解決。這樣通過治理水文效應(yīng)也使片面追求社會效益和經(jīng)濟效益目標中增加了維持水文循環(huán)健康的目標，從而有效緩解開發(fā)建設(shè)中的水資源緊張局面，這項研究無疑具有重大意義和深遠影響。

［1］陳瑩，許有鵬，陳興偉.長江三角洲地區(qū)中小流域未來城鎮(zhèn)化的水文效應(yīng)［J］.資源科學，2011(01).

［2］許有鵬，丁瑾佳，陳瑩.長江三角洲地區(qū)城市化的水文效應(yīng)研究［J］.水利水運工程學報，2009(04).

［3］戚曉明，杜培軍，吳志勇，汪迎春.城市景觀格局與水文效應(yīng)關(guān)系研究［J］.水利水電技術(shù)，2010(04).