城市化對城市降水和徑流的影響分析

楊明全

(秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000)

城市化的不斷發(fā)展是我國國民經(jīng)濟提升的顯著標志，根據(jù)2019年2月4日國家統(tǒng)計局發(fā)布數(shù)據(jù)：截至2018年底，我國城市化率為58.78%，預(yù)計到2050年突破70.00%，達到中等發(fā)達國家水平。城市化率的提高雖然代表了國民經(jīng)濟水平的提高，但這種人為改造自然的做法也對區(qū)域水文、氣候等條件產(chǎn)生了影響，尤其是降水和徑流。將自然地表大面積改變?yōu)椴煌杆乇?，造成城市洪水?zāi)害問題越來越突出。

1 研究區(qū)域概況

秦皇島市位于河北省東北角，地處環(huán)渤海經(jīng)濟帶中心位置，擁有世界第一大能源輸出港——秦皇島港，而且自然環(huán)境優(yōu)美，是全國著名的旅游城市。截至2018年底，秦皇島城市化率已經(jīng)達到57.42%，位居河北省第四，市區(qū)面積大約2131.51 km2，市區(qū)人口139.63萬人。隨著城市規(guī)模不斷擴大，相當大面積自然土地被改造為不透水地面，導(dǎo)致水文循環(huán)發(fā)生劇烈變化，城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險也在不斷增加。

2 城市化對降雨影響機理分析

城市化是國民經(jīng)濟發(fā)展的必然結(jié)果，其中房地產(chǎn)行業(yè)是最為顯著的標志，近20年時間我國各地政府都在不斷批地建樓，很多地方財政對房地產(chǎn)依賴程度超過40%以上。隨著城市規(guī)模不斷發(fā)展，建筑物密度、城市人口數(shù)量、能源消耗也在增加，同時也直接或間接改變了城市自然環(huán)境[1]。

2.1 改變下墊層屬性

現(xiàn)代城市本質(zhì)上就是由鋼筋混凝土建造而成，將原有土地面覆蓋上混凝土、柏油路、路磚等各種不透水材料，且建筑材料比熱容相對于土體明顯變小，即在相同太陽輻射條件下，吸熱和放熱都快(如圖1所示)。此外，城市擁有大量汽車、工廠、居民等熱源，造成城市熱島效應(yīng)顯著[2]。

圖1 相同輻射下混凝土(A)和綠地(B)表面溫度變化對比

根據(jù)圖2統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：秦皇島市在晴天最大熱島強度達到3.7 ℃左右，且一整天熱島強度變化波動很大；陰天熱島強度穩(wěn)定在0.8～1.6 ℃之間。由此可見對整個秦皇島市區(qū)太陽輻射很敏感。

圖2 秦皇島市熱島強度

2.2 城市大氣污染

目前，霧霾天氣影響著我國絕大多數(shù)城市，而霧霾產(chǎn)生的主要原因是空氣中含有大量氮氧化物、灰塵、硫酸、硝酸等物質(zhì)。而霧霾就像一層被子覆蓋在城市上，吸收下墊層產(chǎn)生的熱輻射，可導(dǎo)致明顯的溫室效應(yīng)。2018年在全國190個城市中，秦皇島PM2.5含量年均值為59 μg/m3(水平：良)，位居102位，受霧霾影響較小，對降雨影響可忽略不計。

2.3 高溫對降雨的影響分析

燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院陳思發(fā)教授帶領(lǐng)團隊通過近一年的跟蹤分析，得出秦皇島市存在較明顯的熱島效應(yīng)。而熱島效應(yīng)可導(dǎo)致城市上空氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，進而引起熱力對流。而當城市上空水汽充足時，就會很容易形成對流雨，尤其是在夏季。這種降雨形式的典型特征是強度大、時間短，且時常伴有冰雹，是秦皇島發(fā)生夏季暴雨的主要原因。而且由于城市建筑的阻礙作用，導(dǎo)致空氣運動減緩，且產(chǎn)生機械湍流，造成雨水滯留時間增長。表1是秦皇島市區(qū)和附近農(nóng)村地區(qū)氣候?qū)Ρ龋纱丝芍撼鞘谢浅鞘薪涤炅吭龆嗟闹匾騕3]。

表1 秦皇島市城區(qū)與附近農(nóng)村氣候?qū)Ρ?/p>

3 城市化對徑流影響機理分析

3.1 對徑流系數(shù)的影響

很多學(xué)者通過試驗得出不同下墊面徑流系數(shù)與降雨強度、降雨時間關(guān)系，具體相關(guān)系數(shù)如表2所示。由此可知擬合方程準確性很高，足夠日常使用。

表2 降雨強度與徑流關(guān)系擬合方程及相關(guān)系數(shù)

注：降水歷時10 min。

城市化建設(shè)造成下墊面硬化，直接導(dǎo)致降水入滲量減少，從而徑流量增大。通過相關(guān)技術(shù)人員在秦皇島市不同下墊面進行現(xiàn)場試驗，得出不同地表面下降雨入滲量數(shù)據(jù)，見表3所示[4]。

表3 秦皇島市不同地表面降雨入滲量

注：時間標準為1 h。

3.2 對匯流時間的影響

城市化導(dǎo)致硬化路面所占比例越來越大，而硬化路面的摩擦系數(shù)相對于天然地表大大減小，表4給出了常見幾種地表絕對粗糙度數(shù)據(jù)，其中混凝土路面僅僅為雜草地的1/50。地面粗糙度減小可使雨水匯流時間大大縮短，同時由于排水系統(tǒng)的完善，會使河道流量高峰形成時間提前，且洪峰強度、持續(xù)時間均增大。據(jù)調(diào)查：秦皇島市洪峰形成時間在45～60 min，在該時間段根本來不及采取應(yīng)急措施。

表4 幾種常見地表絕對粗糙度

4 城市雨洪控制方案分析

通過參考國內(nèi)外城市雨洪控制成功經(jīng)驗，結(jié)合秦皇島市實際情況，切實可行的措施有以下兩種：(1)減小降雨徑流系數(shù)。(2)提高城市排水泄洪能力。在此根據(jù)以上兩個措施來設(shè)計秦皇島市具體的城市雨洪控制方案。

4.1 大力推廣綠色屋頂技術(shù)

綠色屋頂是指在屋頂上種植綠色植物，可對降雨進行存儲和截留，一定程度上降低徑流系數(shù)。同時能夠美化城市環(huán)境，使秦皇島市的旅游名片更加響亮。綠色屋頂技術(shù)的關(guān)鍵在于植物和土壤的選擇，其中土壤要求孔隙率高、密度小、耐沖刷等[5]。

4.2 發(fā)展雨水滲透技術(shù)

雨水滲透技術(shù)可增加雨水滲透量，緩解排水泄洪壓力。目前常見的滲透路面結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中最上層為多孔瀝青，下層又設(shè)計儲水層，雨水可以大量通過儲水層而進入土體，這樣即緩解路面積水問題，又能減小降雨徑流系數(shù)。

圖3 雨水滲透路面結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 普及下凹式綠地設(shè)計

下凹式綠地是一種高程低于周邊地面的公共綠地，利用空間來承接和貯存雨水，達到減少徑流外排目的。通過結(jié)合秦皇島當?shù)貙嶋H條件，綜合考慮行人車輛安全問題，建議下凹式綠地下凹深度在0.25～0.30 m范圍。

4.4 推廣雨水花園

美國馬里蘭州喬治王子郡的多年使用表明：雨水花園可減少75%～80%的地面雨水徑流量。一般雨水花園結(jié)構(gòu)從上到下依次為：蓄水層(厚度100～250 mm)、樹皮覆蓋層(厚度75 mm)、植被及種植土層(250 mm)、人工填料層(500～1200 mm)、礫石層(200～300 mm)。雨水花園見圖4。

圖4 雨水花園實景圖

在選擇植物時，應(yīng)遵循以下幾個原則：(1)從適應(yīng)環(huán)境、管理方便角度考慮，盡量選擇鄉(xiāng)土植物，且根系發(fā)達。(2)選擇耐旱又耐泡(一般浸泡要求為40～48 h)的植物。植物一般以灌木和草本為主，秦皇島地區(qū)可選擇的植物包括：木槿、冬青、沙地柏、蘆葦、萱草等。雨水花園可以在公共綠地、各企事業(yè)單位、住宅區(qū)中進行推廣，既不影響整體美觀，又可減小雨季地面徑流量。

5 結(jié) 語

夏季暴雨災(zāi)害已經(jīng)成為我國很多城市面臨的問題之一，交通癱瘓，地勢低處被淹，每年造成的損失數(shù)以億計。秦皇島市旅游業(yè)作為重點產(chǎn)業(yè)，必須做好城市防洪排澇，城市化程度越高的地區(qū)，防洪排澇壓力越大，因此在新規(guī)劃用地時將該因素納入考慮范圍，而且在已建成區(qū)域采取切實可行的雨洪控制措施。