海綿城市建設(shè)中若干水文學(xué)問(wèn)題的分析

韓元元

【摘 要】本文探討海綿城市水系統(tǒng)及海綿城市建設(shè)問(wèn)題，進(jìn)一步分析水文若干問(wèn)題，通過(guò)有效的計(jì)算方式，解決降水量及徑流量等計(jì)算問(wèn)題，為海綿城市建設(shè)提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】海綿城市;建設(shè);水文問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào)： TU992 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）02-0006-002

全球氣候變暖的背景下，城市面臨的洪澇災(zāi)害及水資源短缺問(wèn)題。極端氣候變化及城市快速發(fā)展的背景下，海綿城市理念進(jìn)入人們眼中。我國(guó)洪澇災(zāi)害影響范圍較大，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，比如武漢市，在2016年期間，暴雨災(zāi)害使得市民生存質(zhì)量受到影響，全市范圍12個(gè)區(qū)受災(zāi)，農(nóng)作物受損面積在100000公頃左右，災(zāi)害喪命人數(shù)約為14人，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失22.65億元。武漢市經(jīng)過(guò)暴雨災(zāi)害后，開(kāi)始探討如何解決排水問(wèn)題。海綿城市建設(shè)成為人們熱議的話(huà)題，提升城市排水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)思考將雨水存留，利用自然力量，實(shí)現(xiàn)城市凈化。本次研究對(duì)城市建設(shè)過(guò)程中水文問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)

海綿城市建設(shè)核心為復(fù)雜水系統(tǒng)問(wèn)題，將水循環(huán)作為紐帶，通過(guò)降雨及徑流等物理反應(yīng)，利用水環(huán)境水生態(tài)表征生物地球生化過(guò)程，將城市建設(shè)高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)特點(diǎn)相互作用反饋系統(tǒng)作為核心。國(guó)際水系統(tǒng)研究中，將水循環(huán)聯(lián)系三個(gè)過(guò)程作用實(shí)現(xiàn)聯(lián)系，并強(qiáng)調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)的調(diào)控能力，從而為環(huán)境城市建設(shè)綜合治理提供支撐。環(huán)境不斷變化，水系統(tǒng)研究目光轉(zhuǎn)向水與環(huán)境及水域生態(tài)領(lǐng)域，但核心問(wèn)題依舊是水文學(xué)。我國(guó)海綿城市建設(shè)的水系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)中應(yīng)用水文學(xué)及城市生態(tài)學(xué)等，實(shí)現(xiàn)海綿城市的建設(shè)與管理，并有效評(píng)價(jià)工程建設(shè)情況。這也是海綿城市建設(shè)的需求。在海綿城市水系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，需強(qiáng)調(diào)整體規(guī)劃，根據(jù)監(jiān)測(cè)體系，建立水與環(huán)境及水與生態(tài)等聯(lián)系的反饋模型，并通過(guò)科學(xué)的分析調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，調(diào)整建設(shè)制度。

2 海綿城市建設(shè)面臨的問(wèn)題

我國(guó)預(yù)計(jì)在2030年將面對(duì)水資源安全問(wèn)題，我國(guó)在1981年城市化覆蓋率為21.15%，在2011年城鎮(zhèn)化覆蓋率為51.25%，并預(yù)計(jì)在2030年城市覆蓋率能夠達(dá)到70%。我國(guó)城市日供水總規(guī)模預(yù)計(jì)在3.15億m3。據(jù)傳統(tǒng)供需模式，未來(lái)水資源缺口將不斷擴(kuò)大。我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程快，建設(shè)速度與城市治理速度存在落差，傳統(tǒng)城市建設(shè)問(wèn)題逐漸凸顯。城市內(nèi)澇及洪澇災(zāi)害問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，城市垃圾及生活污水排放等問(wèn)題導(dǎo)致城市生態(tài)退化。并面臨持續(xù)被侵蝕的危險(xiǎn)，城市人們疾病發(fā)病率增加。水污染及廢氣等環(huán)境問(wèn)題不斷凸顯，人口膨脹及交通擁擠使得人們面臨較大的經(jīng)濟(jì)壓力，從而制約城市發(fā)展。

國(guó)家在海綿城市部署方面，為有效更改我國(guó)城市建設(shè)戰(zhàn)略。我國(guó)海綿城市建設(shè)依舊存在諸多挑戰(zhàn)，部分地區(qū)海綿城市認(rèn)識(shí)不足，并未進(jìn)行合理的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。海綿城市建設(shè)的主要問(wèn)題便是水問(wèn)題，我國(guó)海綿城市建設(shè)及規(guī)劃、設(shè)計(jì)等缺少水文為核心的理念，從而導(dǎo)致在海綿城市設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏有效的監(jiān)控體系。缺乏海綿城市“水與氣候”、“水與環(huán)境”聯(lián)系的城市綜合水系統(tǒng)交叉先進(jìn)技術(shù)支撐，現(xiàn)階段技術(shù)問(wèn)題較為顯著，缺乏建設(shè)評(píng)估體系。我國(guó)海綿城市建設(shè)存在急于求成問(wèn)題，實(shí)施效果不理想，我國(guó)受到大暴雨及洪澇災(zāi)害問(wèn)題，使得海綿城市建設(shè)面臨重大挑戰(zhàn)。

3 海綿城市建設(shè)水文問(wèn)題

我國(guó)政府于2015年發(fā)表海綿城市建設(shè)的總體要求，通過(guò)綜合“滲、滯、蓄、凈、用、排”措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市最小限度的開(kāi)發(fā)影響，從而有效將降水利用。預(yù)計(jì)在2020年我國(guó)城市建設(shè)20%面積的目標(biāo)達(dá)成，并在后續(xù)的10年完成建設(shè)80%的目標(biāo)。我國(guó)在2016年住房及城市建設(shè)部門(mén)發(fā)表的海綿城市建設(shè)規(guī)定中，規(guī)劃海綿城市建設(shè)目標(biāo)，通過(guò)具體的目標(biāo)及指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)近期及遠(yuǎn)期的建設(shè)具體面積及比例，通過(guò)相關(guān)考核方法，從而提出海綿城市建設(shè)指標(biāo)。在每年的徑流量控制方面，相關(guān)指南中提出，年徑流總量控制率應(yīng)當(dāng)根據(jù)30年日降水量進(jìn)行排列，提取中年均總量在20-30mm中小雨事件。

3.1 年徑流量控制率問(wèn)題

年徑流總流量控制率為海綿城市建設(shè)較為基礎(chǔ)性的水文問(wèn)題。我國(guó)在2016年，相關(guān)組織部門(mén)提出年徑流量總控制率應(yīng)當(dāng)為日降水量數(shù)據(jù)計(jì)算得出，利用自然及人工強(qiáng)化滲透及儲(chǔ)存等方式，使場(chǎng)地積累水量得以控制，并在不外排的情況下，獲得最終的降雨量百分比。在上述文件中能夠觀(guān)察到年徑流總量控制率計(jì)算方法，從而將30年日降雨，將其中的2mm降雨事件扣除的情況下，使降雨量日值自小到大進(jìn)行排序，對(duì)小于2mm降雨量的總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若小于某一降雨量，需根據(jù)實(shí)際降雨量進(jìn)行計(jì)算，若大于2mm降雨量，則根據(jù)降雨量計(jì)算降雨總量?？偨涤炅恐械谋壤?，對(duì)應(yīng)降雨量日值為設(shè)計(jì)降雨量。海綿城市建設(shè)關(guān)鍵指標(biāo)為年徑流總量控制率。我國(guó)某設(shè)計(jì)院根據(jù)以上文件中的計(jì)算方法，從而獲取徑流雨量在全年雨量中的比例。計(jì)算公式為：

年徑流總量控制率=■*100

為明確文件中年徑流總量控制率是否為科學(xué)的計(jì)算方式，應(yīng)當(dāng)明確幾個(gè)問(wèn)題。首先為城市徑流形成概念，其次為城市徑流系數(shù)，再次為城市年徑流總量的科學(xué)控制方法，最后為科學(xué)計(jì)算城市年徑流總量控制率。

3.2 徑流形成及轉(zhuǎn)化問(wèn)題

降雨一般在集雨區(qū)形成徑流過(guò)程中被不斷轉(zhuǎn)化，在整體的形成中涵蓋運(yùn)動(dòng)匯流等復(fù)雜水文過(guò)程，降水產(chǎn)生徑流量多少也是成為水文系統(tǒng)的關(guān)鍵增益因子，水文學(xué)中將其稱(chēng)為徑流系數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)的分析方式。觀(guān)察徑流的轉(zhuǎn)化流程，從而提出科學(xué)的計(jì)算依據(jù)。

在計(jì)算徑流系數(shù)α過(guò)程中，通過(guò)匯水面積總凈流量Y與降水量X比值進(jìn)行計(jì)算，降水量中徑流水轉(zhuǎn)化，能反映流域自然地理情況對(duì)徑流產(chǎn)生的影響。計(jì)算公式便是α=Y/X。降水量多余水分在植物截留及填挖或者蒸發(fā)中消失。徑流系數(shù)為城市雨水控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，雨水控制系統(tǒng)利用理論及設(shè)計(jì)計(jì)算，從而觀(guān)察徑流系數(shù)選擇是否合適，該指標(biāo)對(duì)排水系統(tǒng)的排水能力具有直接影響，現(xiàn)階段的徑流系數(shù)計(jì)算一般將線(xiàn)性理論作為基礎(chǔ)。

在徑流系數(shù)的非線(xiàn)性問(wèn)題分析過(guò)程中，系統(tǒng)水文學(xué)觀(guān)點(diǎn)看，徑流系數(shù)為水文系統(tǒng)的增益，總徑流線(xiàn)性模型及簡(jiǎn)單線(xiàn)性模型中，增益因子G被設(shè)定為一個(gè)常數(shù)，從而形成多年平均降水系數(shù)。但是部分流域在相關(guān)數(shù)據(jù)表示，增值系數(shù)存在變性，與流域濕度呈現(xiàn)正比關(guān)系，比如在前期降雨量指標(biāo)計(jì)算為實(shí)際蒸發(fā)量及降雨量的比值。計(jì)算公式為：

系統(tǒng)增益G（t）水文概念是流域產(chǎn)流系數(shù)。相關(guān)研究人員對(duì)全球范圍內(nèi)的不同氣候區(qū)域多個(gè)流域降水量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而分辨降水及土壤濕度等因素的非線(xiàn)性關(guān)系。高度非線(xiàn)性導(dǎo)致降水徑流系統(tǒng)增益量處于變化過(guò)程。通過(guò)進(jìn)一步的研究可以發(fā)現(xiàn)，徑流形成增益因子G（t）與土壤濕度及降雨量、降雨強(qiáng)度存在非線(xiàn)性關(guān)系。若土壤濕度資料缺少，流域降水量計(jì)算便會(huì)存在偏差。水文時(shí)變?cè)鲆嬉蜃覩（t）與流域土壤降水量濕度關(guān)系可利用公式進(jìn)行表達(dá)：G（t）=α'API{t，p（t）}β。在此公式中α與β分別為下墊面參數(shù)。為進(jìn)一步分析徑流量計(jì)算的有效方式，從而觀(guān)察時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ停瑢⒔邓考皬搅鬓D(zhuǎn)化過(guò)程劃分為流域產(chǎn)流模型及匯流模型，產(chǎn)流模型中，明確凈雨水量與毛雨量的增益關(guān)系。在產(chǎn)流過(guò)程中，降水量引入增益指標(biāo)中，對(duì)凈雨量進(jìn)行計(jì)算，從而得出單位線(xiàn)模型，得出徑流量，完成匯流過(guò)程。流域匯流利用線(xiàn)性函數(shù)，能夠得出Volerra非線(xiàn)性函數(shù)普適性關(guān)系，從而構(gòu)建物理機(jī)制適用解。上述研究的價(jià)值為自理論層面分析徑流非線(xiàn)性響應(yīng)與土壤濕度及下墊面參數(shù)、降雨強(qiáng)度的關(guān)系，從而明確簡(jiǎn)單關(guān)系非線(xiàn)性產(chǎn)流機(jī)理，非線(xiàn)性系統(tǒng)可良好描述降雨與徑流的關(guān)系，徑流系數(shù)為定常線(xiàn)性系統(tǒng)理論，屬于階段性特例，時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ椭袕搅饔?jì)算方法中，將水文線(xiàn)性假定產(chǎn)流增益作為常數(shù)問(wèn)題有效解決。海綿城市建設(shè)過(guò)程中需建立徑流系數(shù)與非線(xiàn)性特性的關(guān)系，從而得出年徑流量控制率及計(jì)算方法。

3.3 城市水文效應(yīng)問(wèn)題

城市的發(fā)展會(huì)經(jīng)歷不同的階段，海綿城市建設(shè)理念的提出，使人們適應(yīng)城市水文效應(yīng)，從而使城市回歸于原始。我國(guó)目前海綿城市建設(shè)處于建設(shè)熱潮期，并面臨城市看海的困境，需對(duì)生態(tài)海綿城市建設(shè)的技術(shù)及作用進(jìn)行分析。

在自然情況下，城市蓄水量變化與年降水量變化等關(guān)系較為復(fù)雜，可通過(guò)△S0=P0-R0-E0表示，在此公式中可以引入不同的常數(shù)，代表不同時(shí)段的蓄水量及徑流量等。P0表示年降水量，R0表示年徑流量，E0表示年蒸發(fā)量。△S0表示蓄水量變化。徑流系數(shù)可以利用以下公式表示：

針對(duì)本文設(shè)計(jì)的公式，能夠觀(guān)察到海綿城市年徑流量控制率并未思考雨水在陸地的蒸發(fā)量，雨水滯留儲(chǔ)蓄量通過(guò)生態(tài)海綿城市建設(shè)的技術(shù)理念及雨水實(shí)際滲入量等進(jìn)行分析，其中明顯缺少地區(qū)水系調(diào)蓄量。

城市化背景下，水文平衡關(guān)系及蒸發(fā)關(guān)系等利用△S=P0-R1-E1表示，在此公式中，P0表示城市化后的年均降水量，R1表示城市化后的年徑流量，E1表示城市化后的年蒸發(fā)量，利用△E表示蒸發(fā)后的雨水減少量，從而得出城市化的背景下蓄水量變化△S=△S1+△S2+△S3+△S4，且：△S1=△S10-d1，△S2=△S20-d2，△S3=△S30-d3，△S4=△S40-d4，在此公式中，d1，d2，d3，d4分別表示城市化后的土壤滲透及塘堰蓄水、河湖蓄水、濕地蓄水減少量指標(biāo)。城市化雨水積蓄總減少量D可利用D=d1+d2+d3+d4表示。

在城市看海問(wèn)題的解決過(guò)程中，可利用消除城市化建設(shè)不利水文效應(yīng)，采取工程及非線(xiàn)性工程將降水滲入量及蓄水量等恢復(fù)自然狀態(tài)。并客觀(guān)分析城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)抗洪澇災(zāi)害能力。城市化最大蓄水量與海綿城市生態(tài)技術(shù)措施存在聯(lián)系，是滲水量及水塘等蓄水量的總和。針對(duì)城市看海問(wèn)題，還需進(jìn)一步分析，建立全方位的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而利用海綿城市建設(shè)恢復(fù)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)海綿城市建設(shè)處于初級(jí)階段，目前存在的問(wèn)題還無(wú)法全部解決，但建設(shè)已經(jīng)初見(jiàn)成效，在水文學(xué)研究方面，還需加大研究力度，通過(guò)有效的計(jì)算方式，規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)，滿(mǎn)足海綿城市建設(shè)需求，解決城市看海問(wèn)題，使洪澇災(zāi)害不會(huì)對(duì)人們的生活質(zhì)量產(chǎn)生影響。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王榮.淺析融入海綿城市理念的體育公園建設(shè)——以徐州市梨園路公園為例[J].綠色環(huán)保建材，2018（12）：244-245.

[2]宋晨怡，楊天翔.基于GIS的三峽庫(kù)區(qū)海綿城市建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)與分區(qū)劃定研究[J].給水排水，2018，54（12）：108-113.