海綿城市建設(shè)中若干水文學(xué)問題的研討

夏 軍,石 衛(wèi),王 強(qiáng),鄒 磊

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072; 2.武漢大學(xué)水安全研究院,湖北 武漢 430072;3.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430072)

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海綿城市建設(shè)中若干水文學(xué)問題的研討

夏 軍1,2,3,石 衛(wèi)1,王 強(qiáng)1,鄒 磊1

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072; 2.武漢大學(xué)水安全研究院,湖北 武漢 430072;3.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430072)

針對(duì)海綿城市建設(shè)面臨的問題和挑戰(zhàn),提出了以水循環(huán)為紐帶、將城市暴雨-徑流、水污染治理和城市生態(tài)綠地、濕地建設(shè)與市政建設(shè)(排水、排污)規(guī)劃管理聯(lián)系為一體的“城市水系統(tǒng)”的概念與方法。基于水文學(xué)原理,分析了目前海綿城市建設(shè)中最為關(guān)鍵、也是質(zhì)疑較多的年徑流總量控制率概念,指出現(xiàn)行的年徑流總量控制率的計(jì)算實(shí)質(zhì)是年降水總量控制率。如果回歸到水文學(xué)概念,年徑流總量控制率就必須與水文系統(tǒng)響應(yīng)的增益因子,即徑流系數(shù)建立內(nèi)在的聯(lián)系;需要研究徑流系數(shù)并非常數(shù),而是與土壤濕度、降水強(qiáng)度和下墊面組合的時(shí)變非線性理論問題。此外,對(duì)比分析了現(xiàn)行海綿城市建設(shè)低影響開發(fā)措施和改進(jìn)后的年徑流總量控制率之間的關(guān)系,深入剖析了“城市看海”發(fā)生的條件與風(fēng)險(xiǎn)。最后就海綿城市建設(shè)與規(guī)劃的水文學(xué)基礎(chǔ)亟待改進(jìn)的方面:徑流系數(shù)非線性、區(qū)分自然條件和城市化后的蓄水量變化的差別、考慮河湖水系調(diào)蓄和陸地蒸散發(fā)、與流域大海綿調(diào)控結(jié)合、風(fēng)險(xiǎn)管理等,進(jìn)行了研討,并提出了未來我國(guó)海綿城市建設(shè)的若干建議。

海綿城市;城市化;水系統(tǒng);水文學(xué);總徑流控制率;低影響開發(fā)

1 研究背景

受氣候變化和人類活動(dòng)因素的影響,城市面臨洪澇災(zāi)害、水資源短缺、水體黑臭以及生態(tài)系統(tǒng)退化與修復(fù)的諸多問題。在極端氣候變化和城市快速發(fā)展共同影響下,我國(guó)“城市看?！钡某鞘杏鷣碛?城市洪澇災(zāi)害造成了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。僅以武漢市為例,截至2016年7月6日,暴雨災(zāi)害造成全市12個(gè)區(qū)75.7萬人受災(zāi),共轉(zhuǎn)移安置災(zāi)民167 897人次,截至發(fā)稿前，80 207名群眾處于轉(zhuǎn)移安置狀態(tài),全市布設(shè)安置點(diǎn)68個(gè),農(nóng)作物受損97 404 hm2,倒塌房屋2 357戶5 848間,因?yàn)?zāi)死亡14人,直接經(jīng)濟(jì)損失22.65億元。武漢市對(duì)排水系統(tǒng)投資巨大,但依然年年“看?！?城市內(nèi)澇問題十分突出。城市如何與水和平共處?中國(guó)城市陷入的“治水方略”之困境又該如何解開?這成為當(dāng)前及未來涉及人口最多、經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力最大的中國(guó)城市化建設(shè)面臨的嚴(yán)峻城市化建設(shè)戰(zhàn)略問題,亟待研究解決。

圖1 LID關(guān)鍵組成要素[9]

圖2 水敏感城市設(shè)計(jì)中的水綜合管理[10]

為了解決城市化導(dǎo)致的一系列負(fù)面效應(yīng),自20世紀(jì)90年代發(fā)達(dá)國(guó)家就提出了一些城市雨洪問題管理體系,如美國(guó)的低影響開發(fā)(low impact development,LID)[4]、英國(guó)的可持續(xù)排水(sustainable urban drainage systems,SUDS)[5]、澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(jì)(water sensitive urban design,WSUD)[6]等。LID從源頭上對(duì)徑流調(diào)控,通過入滲、過濾和蒸發(fā)等方式模擬自然水文條件,實(shí)現(xiàn)減少?gòu)搅?、降低污染?fù)荷和保護(hù)受納水體的目標(biāo),與城市生態(tài)建設(shè)有機(jī)結(jié)合,根本解決城市健康問題,其關(guān)鍵要素見圖1[7-8]。WSUD根據(jù)城市水循環(huán)系統(tǒng)概念,將城市供水、污水處理以及水的再循環(huán)等作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合管理(圖2),促進(jìn)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)與建造方式的改變,以維持城市的可持續(xù)發(fā)展[10]。SUDS基于城市可持續(xù)性發(fā)展理念,除了考慮對(duì)城市生存環(huán)境至關(guān)重要的飲用水、水環(huán)境外,進(jìn)一步將地表水功能性價(jià)值考慮在內(nèi),使城市排水系統(tǒng)更具可持續(xù)性[5]。

近幾年,海綿城市建設(shè)成為我國(guó)城市熱點(diǎn)水問題[3]。2013年12月,在中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議上首次提出了海綿城市的理念:“在提升城市排水系統(tǒng)時(shí)要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來,優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水,建設(shè)自然保存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。隨后,習(xí)近平總書記先后在2014年考察京冀協(xié)同發(fā)展座談會(huì)、中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第5次會(huì)議和2015年中央城市工作會(huì)議上多次強(qiáng)調(diào)了海綿城市建設(shè)工作的部署。2014年10月,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒發(fā)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南(試行)》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)[11],為促進(jìn)我國(guó)海綿城市建設(shè)提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo);2014年12月,中央相關(guān)部門開展了全國(guó)首批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市的申報(bào)工作，至2015年4月,全國(guó)首批16個(gè)試點(diǎn)海綿城市正式確定。國(guó)務(wù)院辦公廳2015年10月印發(fā) 《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》(以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》), 部署推進(jìn)我國(guó)海綿城市建設(shè)工作。

2 海綿城市建設(shè)面臨的問題和挑戰(zhàn)

2030年左右我國(guó)的水資源安全將面臨嚴(yán)峻的問題與挑戰(zhàn)[12]。以城鎮(zhèn)化和供水為例,1981年,我國(guó)城鎮(zhèn)化率21.16%,到了2011年全國(guó)城鎮(zhèn)化率已經(jīng)攀升到51.27%,預(yù)計(jì)2030年和2050年將分別達(dá)到70%和80%。當(dāng)前我國(guó)城市(含縣)日供水總規(guī)模3.14億m3,其中城市日供水2.57億m3。按照傳統(tǒng)的供需模式,未來水資源的供給需求和缺口將進(jìn)一步加大。我國(guó)的城鎮(zhèn)化速度快,建設(shè)速度跟不上城市綜合治理的速度,傳統(tǒng)的城市建設(shè)凸顯的城市病愈來愈突出:①城市內(nèi)澇及洪澇災(zāi)害損失愈來愈嚴(yán)重。2016年全國(guó)多地，如北京、廣州、武漢，發(fā)生“城市看?！眱?nèi)澇情景。②城市水環(huán)境問題也愈來愈凸顯。城市垃圾、生活污水排放、河道水流堵塞導(dǎo)致城市水體黑臭。③城市水生態(tài)退化嚴(yán)峻。如有“百湖”之稱的武漢市湖泊退化,2010年武漢市水務(wù)局的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,近幾十年來武漢的湖泊面積減少了228.9 km2,50年來近100個(gè)湖泊人間“蒸發(fā)”,中心城區(qū)僅存的38個(gè)湖泊,還面臨著繼續(xù)被侵蝕的危險(xiǎn);④城市人群疾病多發(fā)。水污染、廢氣和霧霾等環(huán)境問題凸顯,人口膨脹、交通擁堵、住房緊張等,引發(fā)市民身心疾病，加劇城市負(fù)擔(dān)，制約城市發(fā)展。

圖3 水循環(huán)聯(lián)系的三大過程和水系統(tǒng)[12]

國(guó)家關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的部署,為徹底改變我國(guó)城市建設(shè)工作提供了戰(zhàn)略性的發(fā)展機(jī)遇。但是,我國(guó)海綿城市建設(shè)過程中存在許多挑戰(zhàn)性的問題:①一些地方對(duì)海綿城市缺乏科學(xué)的認(rèn)識(shí),在沒有進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計(jì)之前就盲目施工建設(shè);②海綿城市建設(shè)的核心是水問題,但是海綿城市建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控與管理過程中缺少以水文學(xué)為核心的海綿城市規(guī)劃建設(shè)團(tuán)隊(duì)與實(shí)體;缺乏涉水的海綿城市建設(shè)與管理基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與體系;缺乏針對(duì)海綿城市的“水與氣候”、“水與環(huán)境”、“水與生態(tài)”、“水與社會(huì)”聯(lián)系的城市綜合水系統(tǒng)及其交叉學(xué)科的先進(jìn)科研技術(shù)支撐,目前存在一系列技術(shù)障礙;缺乏必要的海綿城市建設(shè)的后評(píng)估管理體系和制度建設(shè);③我國(guó)海綿城市建設(shè)存在“大上快干、急于求成”而實(shí)效并不理想等諸多問題。如,2016年南方城市遭受大暴雨,城市洪澇災(zāi)害嚴(yán)重,給中國(guó)的海綿城市建設(shè)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

筆者的觀點(diǎn)是:國(guó)外的LID等好的經(jīng)驗(yàn)的確要學(xué),但是要考慮中國(guó)獨(dú)特的自然條件(中國(guó)季風(fēng)氣候)和城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀。如何對(duì)癥下藥,真正解決中國(guó)的城市水問題,需要認(rèn)真思考，科學(xué)研究，科學(xué)開展城市規(guī)劃，進(jìn)行科學(xué)管理與正確決策。

3 海綿城市建設(shè)的水系統(tǒng)概念

海綿城市建設(shè)的核心是一個(gè)復(fù)雜水系統(tǒng)問題,基本概念是以水循環(huán)為紐帶,聯(lián)系降雨-徑流物理過程，以水環(huán)境水生態(tài)表征的生物地球生物化學(xué)過程和以城市建設(shè)高強(qiáng)度人類活動(dòng)為特點(diǎn)的人文過程相互作用和反饋的復(fù)雜系統(tǒng)[12](圖3)。

國(guó)際上全球水系統(tǒng)科學(xué)(GWSP)發(fā)展前沿[12]:①?gòu)?qiáng)調(diào)水循環(huán)聯(lián)系的三大過程觀測(cè)與機(jī)理研究,揭示水系統(tǒng)演變規(guī)律;②強(qiáng)調(diào)水循環(huán)聯(lián)系的三大過程作用-反饋的水系統(tǒng)“耦合-解耦”模型研究,認(rèn)識(shí)三大過程的相互作用關(guān)系;③強(qiáng)調(diào)水系統(tǒng)關(guān)鍵的“調(diào)控”,為變化環(huán)境下的城市建設(shè)與綜合治理提供科學(xué)支持。

變化環(huán)境下的水系統(tǒng)科學(xué)涉及“水與氣候”、“水與環(huán)境”、“水與生態(tài)”、“水與社會(huì)”多個(gè)方面的綜合問題[13],其核心是水文學(xué)。因此,我國(guó)海綿城市建設(shè)的水系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)系統(tǒng)包括城市水文學(xué)(城市暴雨洪水-徑流形成、徑流總量控制率)，城市水生態(tài)(生態(tài)水文、綠地、濕地、河湖)，城市水環(huán)境(環(huán)境水文、面源、水污染控制)，海綿城市水系統(tǒng)規(guī)劃(水量、水質(zhì)、水環(huán)境調(diào)控的工程措施和非工程措施,以及海綿城市建設(shè)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控,海綿城市建設(shè)后評(píng)估與管理等)。這是海綿城市建設(shè)新的需求。武漢市海綿城市建設(shè)的水系統(tǒng)需求為:①需要強(qiáng)調(diào)整體水系統(tǒng)規(guī)劃;②需要建設(shè)有效的水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控體系;③需要發(fā)展基于水與氣候、水與環(huán)境、水與生態(tài)、水與社會(huì)相互聯(lián)系與反饋的城市水系統(tǒng)模型與調(diào)控/管理平臺(tái);④需要推動(dòng)海綿城市建設(shè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,海綿城市建設(shè)的體制、制度改革,社會(huì)倫理教育和公眾服務(wù)體系。

4 海綿城市建設(shè)的水文學(xué)問題

國(guó)務(wù)院辦公廳2015年10月印發(fā)指導(dǎo)意見，指出海綿城市建設(shè)總體要求為“通過綜合采取‘滲、滯、蓄、凈、用、排’等措施,最大限度地減少城市開發(fā)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,將70%的降雨就地消納和利用。到2020年,城市建成區(qū)20%以上的面積達(dá)到目標(biāo)要求;到2030年,城市建成區(qū)80%以上的面積達(dá)到目標(biāo)要求?！?2016年3月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)出“關(guān)于印發(fā)海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃暫行規(guī)定”的通知,其中第十三條明確了海綿城市建設(shè)目標(biāo)(主要為雨水年徑流總量控制率)和具體指標(biāo),明確近、遠(yuǎn)期要達(dá)到海綿城市要求的面積和比例,參照《海綿城市建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)與考核辦法(試行)》提出海綿城市建設(shè)的指標(biāo)體系。關(guān)于年徑流總量控制率定義,《指南》指出,年徑流總量控制率指按30年日降雨量排序,占總量70%的年均總量對(duì)應(yīng)的20～30mm的中小降雨事件。目前海綿城市建設(shè)主要集中在小區(qū)尺度上的LID項(xiàng)目上。

4.1 年徑流總量控制率

年徑流總量控制率是海綿城市建設(shè)中一個(gè)最基礎(chǔ)的水文學(xué)問題。2016年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部提出的《指南》定義年徑流總量控制率為:根據(jù)多年日降雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析計(jì)算,通過自然和人工強(qiáng)化的滲透、儲(chǔ)存、蒸發(fā)(騰)等方式,場(chǎng)地內(nèi)累計(jì)全年得到控制(不外排)的雨量占全年總降雨量的百分比。

圖4 城市水循環(huán)示意圖[14]

《指南》中提出的年徑流總量控制率計(jì)算方法介于美國(guó)的徑流總量計(jì)算法和降雨場(chǎng)次百分點(diǎn)之間?！吨改稀诽岢?“選取至少近30年(反映長(zhǎng)期的降雨規(guī)律和近年氣候的變化)日降雨(不包括降雪)資料,扣除小于等于2 mm降雨事件的降雨量,將降雨量日值由小到大進(jìn)行排序,統(tǒng)計(jì)小于某一降雨量的降雨總量(小于該降雨量的，按真實(shí)雨量計(jì)算出降雨總量；大于該降雨量的，按該降雨量計(jì)算出降雨總量,兩者累計(jì)總和)在總降雨量中的比例,此比例(即年徑流總量控制率)對(duì)應(yīng)的降雨量(日值)即為設(shè)計(jì)降雨量”。由此可見,海綿城市建設(shè)中的關(guān)鍵指標(biāo)之一年徑流總量控制率,實(shí)際上是年降水總量控制率。上海某設(shè)計(jì)院依據(jù)《指南》的計(jì)算方法,得到了控制徑流的雨量占全年全部雨量的百分比。年徑流總量控制率指標(biāo)計(jì)算公式為

年徑流總量控制率(%)=

(1)

為了了解目前《指南》中提出的年徑流總量控制率的概念是否合理以及如何改進(jìn)和科學(xué)計(jì)算,首先應(yīng)該理解以下幾個(gè)關(guān)鍵的基礎(chǔ)問題:①城市徑流形成原理;②城市的徑流系數(shù)分析;③如何科學(xué)測(cè)算一個(gè)城市的年徑流總量;④如何科學(xué)計(jì)算城市的年徑流總量控制率。

4.2 徑流的形成與轉(zhuǎn)化

降雨在集雨區(qū)(流域或城市)形成徑流的過程稱為徑流形成與轉(zhuǎn)化,包括產(chǎn)生多少?gòu)搅鞯漠a(chǎn)流及其運(yùn)動(dòng)匯流等復(fù)雜流域或城市的水文過程(圖4)。降水產(chǎn)生徑流量級(jí)的大小稱為水文系統(tǒng)增益因子G,在水文學(xué)有個(gè)專有名詞,即徑流系數(shù)。

4.2.1 徑流系數(shù) α

徑流系數(shù)α為一定匯水面積內(nèi)總徑流量Y(mm)與降水量X(mm)的比值,它說明降水量中有多少水變成了徑流,綜合反映了流域內(nèi)自然地理要素對(duì)徑流的影響。其計(jì)算公式為α=Y/X。降水量中的其余部分水量則損耗于植物截留、填洼、入滲和蒸發(fā)。

徑流系數(shù)是城市雨洪控制利用系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù),在雨洪控制利用系統(tǒng)的理論研究、規(guī)劃、設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)用廣泛。徑流系數(shù)的選擇合適與否,對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)的排水能力和工程造價(jià)有重要影響。然而,目前徑流系數(shù)的計(jì)算基本以線性理論為基礎(chǔ)。

4.2.2 徑流系數(shù)的非線性問題研究

從系統(tǒng)水文學(xué)的觀點(diǎn),徑流系數(shù)亦稱為水文系統(tǒng)的增益(gain factor)。在總徑流線性系統(tǒng)模型,或簡(jiǎn)單線性模型(simple linear model, SLM)中,增益因子G被假定為一個(gè)常數(shù)(式(2)),表示流域多年平均徑流系數(shù)的概念(圖5)。然而,許多流域的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,系統(tǒng)增益是時(shí)變的,并且和流域濕度成正比,如前期降雨量指數(shù),實(shí)際蒸散發(fā)和降雨的比值[15-16]。

(2)

圖5 總徑流水文線性模型(SLM)與系統(tǒng)增益因子概念示意

系統(tǒng)增益G(t)的水文概念為流域的產(chǎn)流系數(shù)(0≤G(t)≤1.0)。夏軍[17]通過對(duì)全球不同氣候區(qū)域的60多個(gè)流域的降雨徑流海量數(shù)據(jù)資料,辨識(shí)了降水、土壤濕度等關(guān)鍵性控制因素的時(shí)變與非線性特性。由于這些高度非線性,導(dǎo)致了降雨形成徑流的系統(tǒng)增益并非定常和平均態(tài)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)了徑流形成的增益因子G(t)與土壤濕度API(t)、降雨強(qiáng)度P(t)和下墊面組合的時(shí)變非線性指數(shù)規(guī)律。如果缺乏土壤濕度資料,流域土壤前期影響雨量是一個(gè)較理想的替代指標(biāo)。如圖6所示,水文時(shí)變?cè)鲆嬉蜃覩(t)與流域土壤前期影響雨量(土壤濕度)API(t)之間的非線性關(guān)系可以表達(dá)為

G(t)=α′API{t,P(t)}β

(3)

式中:α′,β分別為下墊面參數(shù)。

進(jìn)一步提出了徑流計(jì)算的新方法與時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ?time variant gain model, TVGM),同樣將降雨-徑流之間的轉(zhuǎn)化過程分為流域產(chǎn)流模塊和匯流模塊兩部分。在產(chǎn)流模塊中,有效凈雨R表達(dá)為毛雨P(guān)和系統(tǒng)增益G之積,計(jì)算公式為

R(t)=G(t)P(t)=α′API(t)βP(t)

(4)

基于時(shí)變?cè)鲆娣蔷€性產(chǎn)流機(jī)理:

R(t)=G(t)p(t)=α′API(t)βp(t)≈

[g1+g2API(t)]p(t)

(5)

圖6 增益因子與土壤濕度的非線性關(guān)系

(6)

式中:h1(τ)=g1U(τ),g1為流域下墊面相關(guān)的線性產(chǎn)流參數(shù),U(τ)為流域匯流函數(shù);h2(σ,τ)=g2U0(σ)U(τ),g2為流域下墊面相關(guān)的非線性產(chǎn)流參數(shù),U0(σ)=exp(-σ/Ke)/Ke,為與流域土壤水力特性、蒸發(fā)相關(guān)的參數(shù),τ和σ分別為時(shí)間積分變量。

該方面研究的意義和價(jià)值是,從理論上解釋了徑流非線性響應(yīng)與土壤濕度(API)、下墊面相關(guān)參數(shù)(g1、g2、Ke)、降雨強(qiáng)度等之間的內(nèi)在聯(lián)系,揭示了復(fù)雜關(guān)系中能夠找到一個(gè)簡(jiǎn)單關(guān)系的非線性產(chǎn)流機(jī)理,非線性系統(tǒng)能更準(zhǔn)確描述降雨-徑流形成關(guān)系,徑流系數(shù)為定常的線性系統(tǒng)理論,只是其一階特例。時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ椭嘘P(guān)于徑流計(jì)算新方法,解決了水文線性理論中假定產(chǎn)流增益為常數(shù)和為平均態(tài)的問題[17]。

海綿城市建設(shè)中需要建立與徑流系數(shù)及其非線性特性聯(lián)系的年徑流總量控制率的新的計(jì)算方法。

4.3 城市化水文效應(yīng)——對(duì)LID作用和 “看?！眴栴}的認(rèn)識(shí)

任何一個(gè)城市都是在原來自然流域/區(qū)域/水系的基礎(chǔ)上,經(jīng)歷城市不同階段建設(shè)發(fā)展起來的。LID以及我國(guó)海綿城市建設(shè)的核心理念,是盡可能去城市化的水文效應(yīng),回歸或等價(jià)回歸到自然狀態(tài)[11]。鑒于當(dāng)前和未來我國(guó)海綿城市建設(shè)的熱潮,以及面臨的嚴(yán)峻“城市看?！崩Ь?對(duì)LID的作用和 “城市看?！钡谋举|(zhì)的認(rèn)識(shí)亟待深化。

4.3.1 自然條件下區(qū)域水文平衡關(guān)系與徑流系數(shù)α0

自然條件下,區(qū)域蓄水量變化與年降水量、年徑流量、年蒸發(fā)量的關(guān)系如下:

ΔS0=P0-R0-E0

(7)

R0=P0-(E0+ΔS0)

(8)

其中ΔS0=ΔS10+ΔS20+ΔS30+ΔS40

(9)

式中:P0為年降水量;R0為年徑流量;E0為年蒸發(fā)量;ΔS0為蓄水量變化;ΔS10為陸面土壤滲蓄水量變化;ΔS20為陸面塘堰蓄水量變化;ΔS30為陸面河湖蓄水量變化;ΔS40為陸面濕地蓄水量變化。

徑流系數(shù)α0表示為

(10)

比較式(1)和式(10)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)行的海綿城市年徑流總量控制率未考慮陸地蒸散發(fā),雨水滯蓄量只有LID概念的雨水入下滲量和年滯蓄量,缺少河湖水系調(diào)蓄量等。

4.3.2 城市化條件下區(qū)域水文平衡關(guān)系及其蒸散發(fā)和蓄水量的變化

城市化條件下,水文平衡關(guān)系以及蒸散發(fā)和蓄水量的變化分別用式(11)和(12)所示:

(11)

E1=E0-ΔE

(12)

ΔS=ΔS1+ΔS2+ΔS3+ΔS4

(13)

式中:ΔS1=ΔS10-d1,ΔS2=ΔS20-d2,ΔS3=ΔS30-d3,ΔS4=ΔS40-d4,其中d1、d2、d3、d4分別為城市化后土壤滲蓄、塘堰蓄水、河湖蓄水、濕地蓄水減少量。城市化雨水積蓄總減少量D則可表示為

D=d1+d2+d3+d4

(14)

4.3.3 城市化條件下徑流量R1與徑流系數(shù)α1

R1=P0-(E0-ΔE+ΔS)=

P0-(E0-ΔE+ΔS0-D)=

P0-(E0+ΔS0)+(ΔE+D)

(15)

因此,徑流系數(shù)α1則為

(16)

從式(16)中可以發(fā)現(xiàn),城市化后與城市化前徑流系數(shù)存在一定的關(guān)系。再次比較式(1)與(16),可知現(xiàn)行海綿城市建設(shè)LID措施的年徑流總量控制率和面向城市化問題的海綿城市建設(shè)年徑流總量控制率M(%)關(guān)系式可以表達(dá)為

海綿城市建設(shè)目標(biāo)是通過工程/非工程措施將由于城市化的年雨水土壤入滲量、塘堰雨水滯蓄量、河湖調(diào)蓄水量、濕地蓄水量盡可能恢復(fù)到自然狀態(tài),即4個(gè)部分下滲和蓄水減少量趨于0,即d1→0,d2→0,d3→0,d4→0且ΔE=0。

(18)

由于我國(guó)南方、北方的地理與氣候條件不同,自然條件下的降雨-徑流關(guān)系與特性也不一樣，因此,海綿城市建設(shè)的年徑流總量控制率也不能要求一樣。變化環(huán)境下的海綿城市建設(shè)尚不能夠徹底告別“城市看?！薄?/p>

4.3.4 如何減少“城市看?！眴栴}

從水文學(xué)的觀點(diǎn)和分析,不難看出幾個(gè)基本途徑:

a. 盡可能消除城市化建設(shè)帶來的不利水文效應(yīng)。通過工程/非工程措施將城市年雨水土壤入滲量、塘堰雨水滯蓄量、河湖和濕地調(diào)蓄量盡可能恢復(fù)到自然狀態(tài),即:d1→0,d2→0,d3→0,d4→0且ΔE=0。

b. 客觀評(píng)估城市基礎(chǔ)設(shè)施能夠抗御洪澇災(zāi)害的能力。城市化后最大蓄水總量等于LID措施下的下滲雨量、水塘、河湖、濕地的蓄水量之和,即,

ΔSmax=ΔS1max+ΔS2max+ΔS3max+ΔS4max

(19)

當(dāng)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)大暴雨時(shí),城市的實(shí)際產(chǎn)水量近似估計(jì)為

Sr=pTTpAψ

(20)

式中:Sr為實(shí)際產(chǎn)水量;pT為超標(biāo)準(zhǔn)暴雨,mm/h;Tp為暴雨歷時(shí);A為暴雨面積;ψ為折算系數(shù)。當(dāng)城市的Sr≥ΔSmax且內(nèi)澇外排能力Sd≤(Sr-ΔSmax)時(shí),城市將發(fā)生洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。因此,當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)暴雨洪水,城市出現(xiàn)“看?！本统蔀楸厝?海綿城市建設(shè)應(yīng)有風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)。提高城市的ΔSmax需要科學(xué)做好海綿城市規(guī)劃,包括全方位監(jiān)測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng);雨污分流,河湖聯(lián)通,修復(fù)濕地,恢復(fù)洼地,建設(shè)源頭LID,建設(shè)分散性大型蓄水深隧、多用洼地等工程措施;暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào),科學(xué)調(diào)度與管理,建設(shè)后評(píng)估與跟蹤系統(tǒng)等非工程措施;綠色城市的發(fā)展體制建設(shè)與制度創(chuàng)新等。

5 結(jié)論與建議

我國(guó)海綿城市建設(shè)正處于起步階段,盡管取得了有目共睹的成效,但是在海綿城市建設(shè)與規(guī)劃的水文學(xué)基礎(chǔ)方面,存在許多薄弱環(huán)節(jié)亟待改進(jìn)。

a. 海綿城市建設(shè)的水文學(xué)理論需要更新,需發(fā)展和應(yīng)用時(shí)變非線性變徑流系數(shù)的方法。徑流系數(shù)是城市雨洪控制利用系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù),在雨洪控制利用、規(guī)劃、設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)用廣泛。徑流系數(shù)選擇的合適與否,對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)的排水能力和工程造價(jià)有重要影響。目前需要探討的是,現(xiàn)行依據(jù)的徑流系數(shù)設(shè)計(jì)城市排水基本屬于線性和定常徑流系數(shù)的理論范疇。

b. 雨水滯蓄量不僅需要考慮河湖水系調(diào)蓄量,也需要考慮陸地蒸散發(fā)。年徑流總量控制率是海綿城市規(guī)劃和建設(shè)考核最重要和最基本的指標(biāo),現(xiàn)行的海綿城市年徑流總量控制率計(jì)算框架存在需要改進(jìn)的地方,即要分開自然條件和城市化后的蓄水量變化的差別。

c. 海綿城市建設(shè)的本質(zhì)追求是構(gòu)建良性的城市水循環(huán)體系,而非碎片化的人造景觀。

d. 海綿城市需以問題為導(dǎo)向而非以指標(biāo)為導(dǎo)向,現(xiàn)階段要緩解的突出問題是“城市看?！迸c“水體黑臭”,同時(shí),避免新的開發(fā)過程對(duì)城市水安全構(gòu)成更大壓力。

e. LID以及我國(guó)海綿城市建設(shè)的核心理念,是盡可能去城市化的水文效應(yīng),回歸或等價(jià)回歸到自然狀態(tài)。筆者提出了海綿城市建設(shè)LID措施的年徑流總量控制率關(guān)系和面向城市化問題的海綿城市年徑流總量最大控制率(%)的計(jì)算方法。

f. 我國(guó)海綿城市建設(shè)要有風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)。盡管國(guó)家年年投資“海綿城市”建設(shè),但是由于氣候變化和人類活動(dòng)影響,當(dāng)暴雨超出“海綿”承載能力時(shí),“城市看?！睂⒊蔀楸厝?。為此需在流域、城市與社區(qū)多個(gè)尺度上進(jìn)行海綿城市統(tǒng)籌規(guī)劃,首先,城市內(nèi)的海綿功能(LID調(diào)節(jié)與河湖庫(kù)洼調(diào)蓄的結(jié)合)與城市外流域“海綿”調(diào)節(jié)功能的有機(jī)結(jié)合,納入到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的多尺度水系統(tǒng)范疇統(tǒng)一規(guī)劃與建設(shè);其次,海綿城市建設(shè)要有風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)與應(yīng)對(duì)機(jī)制,其推進(jìn)模式是指標(biāo)的逐步完善與提高,而不是高標(biāo)準(zhǔn)建成區(qū)的逐步擴(kuò)大;最后,海綿城市建設(shè)是城建、水務(wù)、環(huán)保等相關(guān)部門間的協(xié)同運(yùn)作、良性互動(dòng),而非各自為政。

筆者針對(duì)以上幾個(gè)關(guān)鍵問題提出未來我國(guó)海綿城市建設(shè)的建議:

a. 統(tǒng)籌規(guī)劃和重復(fù)利用已有的部門資源,建設(shè)好多部門協(xié)調(diào)和有效的遙感、空中、地面、地下為一體的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng);

b. 重視水文學(xué)在海綿城市建設(shè)的應(yīng)用。城建部門應(yīng)多吸收水文、水利、環(huán)保與生態(tài)領(lǐng)域?qū)＜?發(fā)展城市水系統(tǒng)模型與調(diào)控/管理平臺(tái);

c. 加強(qiáng)海綿城市建設(shè)的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新與支撐,核心是抓好以水循環(huán)為核心的海綿城市建設(shè),研究城市防洪安全、供水安全、水質(zhì)安全、水生態(tài)安全等關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問題,通過科技創(chuàng)新,全面提升海綿城市水安全的功能與保障能力。

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Discussion of several hydrological issues regarding sponge city construction

XIA Jun1, 2, 3, SHI Wei1,WANG Qiang1, ZOU Lei1

(1.StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China;2.ResearchInstituteforWaterSecurity,WuhanUniversity,Wuhan430072,China; 3.HubeiProvincialCollaborativeInnovationCenterforWaterResourcesSecurity,Wuhan430072,China)

Based on a review of the problems and challenges of sponge city construction in China, the concept and methodology of an urban water system integrating urban rainstorm-runoff, water pollution control, and an urban ecological greenbelt with wetland and municipal construction (drainage and sewage) are proposed. Based on hydrological theories, the concept of the control rate of total annual runoff, which is the most critical and difficult-to-quantify factor in the construction of a sponge city, is analyzed. It is pointed out that the currently calculated control rate of total annual runoff is actually the control rate of total annual precipitation. Hence, it is necessary to establish an internal relation with the gain factor of the response of the hydrological system, i.e., the runoff coefficient. It also needs to be noted that the runoff coefficient is not a constant, but the time-varying nonlinearity of the combination of soil moisture, precipitation intensity, and the underlying surface. Additionally, the relationship between low impact development (LID) during sponge city construction and the improved control rate of total annual runoff are analyzed, in order to examine the conditions and risks of sea views in cities. Finally, it is suggested that the runoff coefficient nonlinearity, the differences in storage capacity between natural conditions and the conditions after urbanization, river and lake water system storage and land evapotranspiration, basin sponge regulation and control, and risk management should be strengthened on the hydrological basis of sponge city construction and planning. Some suggestions for future sponge city construction in China are put forward.

sponge city; urbanization; water system; hydrology; total runoff control rate; low impact development

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.001

國(guó)家自然科學(xué)基金(41571028,51279140)

夏軍(1954—),男,中國(guó)科學(xué)院院士,主要從事水文學(xué)及水資源方面研究。E-mail:xiajun666@whu.edu.cn

P349

A

1004-6933(2017)01-0001-08

2016-10-19 編輯：彭桃英)