城市化对水资源的影响及城市水文模型

城市化对水资源的影响及城市水文模型

城市水问题的研究始于20世纪60年代。一些发达国家,例如美国和西欧的一些国家,由于工业化程度不断提高,人口向城市大量集中,城市规模不断扩大,由此而带来一系列新的水文问题,超出了传统水文学的研究范畴,向科学家和工程师们提出了新的研究课题。城市水文研究的最显著特点是研究发生在城市环境里的水文过程,它涉及到城市水利工程建设、市政工程学、城市环境学、城市气象学及市政管理学等多学科的研究与发展,它与城市规划与设计、城市防洪与排涝、城市水环境、城市水资源的开发、利用与保护,以及市政管理等有着密切的关系。城市化对水文过程的影响主要表现在以下几个方面,即对流域下垫面条件的改变,对城市区域小气候的影响,洪水过程线的变化,对洪峰频率及其分布的改变,城市水土流失以及对城市水质的影响等。1不透水面积百分数的相关关系城市化对下垫面条件的改变主要表现在不透水面积的增加和河道断面流速的改变两个方面。流域的天然下垫面一般植被良好,下渗能力较大,但城市化使其改变为楼房的屋顶、道路、街道、高速公路、机场、停车场、公园及建筑工地等,不透水面积大量增加,使天然的径流过程改变为具有城市特性的径流过程。不透水面积的估算方法很多,但常用的方法是将土地利用的特征因子,例如土地利用强度和人口数量,同不透水面积的百分数建立相关关系,用以进行预测和估算。1972年,美国的Stankowski首先建立了人口密度与不透水面积百分数的关系,后经Gluck和Mc-Cuen的改进,建立了多因子的相关关系。例如不透水面积百分数同距离和人口密度的关系,I=10.06+58.280.000128P1+0.000128P−1.258(D−10.06)(1)Ι=10.06+58.280.000128Ρ1+0.000128Ρ-1.258(D-10.06)(1)式中I——不透水面积百分数;D——距离,km;P——人口密度,人/km2。居民住宅区不透水面积百分数同距离和人口密度的关系,R=1.445P0.3150D-0.2688(2)式中R——居民住宅区不透水面积百分数;D——距离,km;P——人口密度,人/km2。也可直接利用经验数据来估计不同开发利用类型土地的不透水面积百分数,例如北美洲典型的中等密度住宅区的不透水面积率为I=35%~50%,高密度住宅区和商业区的不透水面积率为I=55%~70%,工业区的不透水面积率为I=80%~90%。城市化对河道进行整治,使河道顺直,水流通畅,过水能力加强,水流速度加快,糙率相对降低。通过建立反映河道整治或排水系统情况的因子,例如糙率n,与城市不透水面积百分数的关系,可直接用于城市流域水文模型的研制。2城市热岛现象严重城市化后,由于植被条件发生变化,使地表的辐射平衡及空气的热动力特性受到影响,从而形成具有区域特征的小气候变化。与植被完好的天然流域相比,城市区的建筑物结构具有较高的热导率和热容量,特别是现代化城市的商业中心区,高层建筑将入射的辐射热吸收,使城市中心的温度高于周围郊区或乡村的温度,因而,城市上空的暖空气上升,周围乡村的冷空气吹向城市。当大范围的气压梯度较小时,空气由四周向城中的浅低压区吹送,形成一种特殊的辐合风场,被人们称之为“城市热岛”现象。城市热岛现象造成市区的热特性与周围天然流域的热特性的较大差异,影响城市区域的小气候。城市化后,由于人类活动造成的尘埃及工业烟尘,特别是二氧化硫的排放,使空气的能见度降低,太阳辐射的入射量及日照量减少,大气中的凝结核增多,热湍流及机械湍流发生的几率增加,影响到城市的降雨特征。有关观测研究表明,城市化可使市区的日照时间大为减少,晴天情况下,市中心的日照时间平均减少44min,近郊的日照时间平均减少25min,远郊的日照时间平均减少16min;Landsberg的研究指出,城市年降水量比郊区大5%~10%,其中降雪量减少5%~10%,雷暴雨的几率增大10%~15%。3不透水面积变化的显著性及与城市建设发展的关系在径流形成过程的诸要素中,研究城市化对植物截留及蒸散发的影响意义不大。城市化对下垫面条件的改变,主要影响到下渗及洼蓄量。洼蓄量一般较小,经验估计为1.5~3.0mm,最终将耗于蒸发。下渗能力的变化主要表现为减少,城市化将原始天然的透水地表改变为不透水地表,糙率相对减少,下渗通量为零,壤中流减少或为零,使汇流速度加快,地表径流量增加,一般减少基流并降低地下水位。我国北京市80年代的城市化程度比50年代已经高很多,如1959年8月6日和1983年8月4日发生的两次降雨1,其雨型相似,雨量相近(分别为103.3mm和97.0mm),但后者的洪峰流量要比前者大97%。为了比较城市化前后径流量的改变,美国水土保持局研制了市区与郊区总径流量变化的比较图,研究了农村地区和城市地区不同类型与坡度下的坡面漫流速度,作出了表征不同土地利用程度的坡面漫流流速关系图。城市化对年径流量的改变主要取决于市区不透水面积的变化,不透水面积增加了,相应年径流量也增加。年径流量增加的显著性一般用随机序列的方差分析法或双累积曲线法进行检验。美国环境保护局研制的年径流近似表达关系式为:AR=(0.15+0.75I)P-aDSm(3)DS=DS0-bI(4)式中AR——年径流深,mm;P——年降雨深,mm;DS——平均洼蓄量,mm;DS0——降雨初期洼蓄量,mm;I——地表不透水率;a、b、m——参数,由测量确定。城市化对洪水过程的影响主要表现为使洪峰及洪量增大,过程线峰型尖瘦,陡涨陡落,洪峰频率及其分布形式发生变化。研究表明,洪峰流量的增大与城市化前后洪峰流量的比值、市区内不透水面积、下水道排水系统覆盖面积、流域面积及平均汇流时间存在一定的经验关系。美国地质调查局以城市化前后的流量比值为参数,研制出不同的不透水面积百分数与雨洪下水道覆盖面积百分数的关系图,建立了洪峰流量与流域面积及平均汇流时间的关系,用于估算不同城市化程度下的洪峰流量。对于洪峰频率及其分布形式的变化,研究工作一般采用两种方法,一种是流域水文模型法,即利用流域城市化前的水文观测资料,建立相应的水文模型并进行参数率定及验证,通过调整模型参数来反映城市化的影响,然后通过随机系列人工生成资料的方法,利用降雨及径流资料系列,人工模拟生成反映城市不同发展阶段径流变化的流量过程线,经对每一过程所形成的洪峰流量系列进行分析,得出其频率分布,从而可估算出不同重现期的洪峰流量变化;另一种是直接对某一重现期下的洪峰流量或洪峰流量与洪水特征值的比率进行修正估计,相当于我们常用的还原计算,以反映城市化的影响。例如,将城市发展增加的不透水面积所产生的影响同排水系统扩大造成的影响分开来考虑,不透水面积产生的影响用不透水性系数CIM来表征,CIM的假定为,流域内完全不透水区面积所产生的径流占75%,其中包括天然透水,区面积所产生径流的30%,相应的经验关系表达式为:CIM=1+0.015IMP(5)式中CIM——不透水性系数;IMP——不透水面积百分数。当IMP由0变到100时,不透水性系数CIM的变化范围为1.0~2.5。对流域排水下水道系统的城市化效应可用汇流滞时来反映,建立用不透水性系数CIM进行校正的年平均最大洪峰流量同汇流滞时及流域面积的经验关系为:Q¯¯¯m/CIM=cAaTLb(6)Q¯m/CΙΜ=cAaΤLb(6)式中Q¯¯¯Q¯m——年平均最大洪峰流量,m3/s;CIM——不透水性系数;A——流域面积,km2;TL——汇流滞时,h;a、b——指数;c——常数,一般与a、b同由多元线性回归分析得到。由于低重现期洪水和高重现期洪水在天然流域和城市化流域的响应差别不一样,在分析估算时,还应考虑到某些重现期洪水Q(T)同年平均洪峰流量的比值的增长关系以及不同重现期洪水在量级上的差异。4城市水土流失,存在以下情况城市水土流失是一种典型的城市水文效应。城市建设发展过程中,大量的建筑工地使流域地表的天然植被遭到破坏,裸露的土壤极易遭受雨水的冲蚀,形成严重的水土流失,从而改变了地表物质能量的迁移状态,增加了水循环过程中的负载。例如,截止1995年底,深圳市的水土流失面积已达185km2,占全流域面积的9.2%。流失的水土不仅造成侵蚀区流域的冲刷和淤积,造成人畜伤亡和财产损失,而且导致下游流域河道、港口及水库的淤积,恶化水质。这种工程型的水土流失,主要由人类活动所造成,因此,应当坚持以防为主,防治结合的方针。在城市开发过程中,必须首先落实水土保持措施;在已经形成水土流失的市区,必须坚持工程治理和生物治理相结合的方针,以工程治理为主,固水固土,恢复植被。城市化对水质的影响主要表现为对城市水体的污染。污染源来自3个方面,一是工业废水,二是生活废水,三是城市非点源污染。工业污染主要指由工厂或企业排放的废水、废气,其特点是排放集中、浓度高、成分复杂,有的毒性大,甚至带有放射性;生活废水主要指城市居民日常生活排放的废水、废气,其特点是有机含量高、生化耗氧量低,易腐败,特别是由医院排放的含有细菌或带病毒的污水、污物,对水体具有极大的危害性;非点源污染主要指工厂和机动车辆排放的废气,大气尘埃,生活垃圾,街道、路面的废弃物,建筑工地上的建筑材料及松散泥土等。城市降雨径流污染是非点源污染的重要途径。降雨将大气、地面上的污染物淋洗、冲刷,随径流一起通过下水道排放进河道。污染径流的成分十分复杂,含有重金属、腐烂食物、杀虫剂、细菌、粉尘等若干有害物质,量也很大,对水体污染的危害性要比其它污染途径严重得多。城市降雨径流污染的浓度及成分随时间、季节、各次降雨的不同而不同。例如,每年春季的初次降雨径流一般污染物含量较大;每年雨季的大雨既能冲刷长期积存在街面和下水道中的污物,也能稀释河道天然径流与污水量的比例,但并不改善水质。5透水面积及透水面积的产汇流城市水文模型一般分为3大类,即以经验公式为基础的城市水文模型,以现代流域水文模型为基础的城市水文模型及城市水质模型。由于城市流域面积一般比较小,比较适用于以洪峰流量计算为核心的一类经验公式,例如推理公式:Qm=0.278(i¯−f¯)A(7)Qm=0.278(i¯-f¯)A(7)式中Qm——洪峰流量,m3/s;A——流域面积,km2;i¯i¯——平均降雨强度,mm/h;f¯f¯——平均下渗强度,mm/h;0.278——单位换算系数。在城市暴雨排水系统的洪水计算中,主要考虑将透水和不透水面积分开计算,在不透水面积上,平均下渗强度为零。在透水面积上,下渗公式一般采用Horton公式或Philip公式,用以计算平均下渗强度,并根据净雨历时和汇流历时的不同关系进行洪峰流量的计算。如果要考虑透水不透水面积分布的不均匀情况,可将流域分块,根据各分块流域上的透水不透水面积组成,分别进行产汇流计算,然后将各分块流域上的洪水过程进行组合,以求得全流域的设计洪水过程。经验公式一般比较简单,对资料的条件要求不高,比较适用于流域情况不复杂且缺少资料的城市。美国地质调查局(USGS)的城市水文模型初次完成于1965年,1970年又作了较大的改进。该模型是分块的线性模型,可在若干个分块的流域上演算不同的降雨过程,将流域透水或不透水面积上的降雨分开来进行产汇流计算,然后再把各分块上的径流过程组合起来以获得全流域的径流过程。在透水面积上,用Philip入渗方程进行产流计算。该模型适用于部分的或全部的都市化流域。比较著名的城市水质模型有暴雨雨水管理模型(SWMM)及蓄水、水处理、溢流径流模型(STORM)。暴雨雨水管理模型用动力波理论与Horton入渗方程结合起来进行地表径流估算;用简化的圣维南方程进行洪水演算,估计回水影响;模拟湖泊、河流或河口水流与水质,以及二者兼容之下水体的作用;用3个非守恒参数:生化需氧量、悬浮固体及大肠杆菌来估算污染过程。STORM模型利用点降雨量通过点面转换关系计算面平均雨量,将透水与不透水的汇流面积分开考虑,它的特点在于考虑模拟蓄水和径流处理的各种组合影响,例如入库径流的水质要满足水库蓄水的水质标准,否则必须进行处理;当水库蓄满时,多余的水量将进行溢流处理,溢流水体的污染物负荷估算要综合考虑径流和蓄水的质量,以及水处理时的损耗等。6城市水文测量将更加全面地、充随着社会经济和科学技术的不断发展,城市水文的研究工作也将在站网规划、水文测验、水文分析计算、卫星遥感及地理信息系统的应用等方面取得进展。由于城市水文的特殊性,传统的站网规划方法已不完全适用。应根据城市水文现象的多变量和随机性,将搜集资料的效率和产生信息的效益两方面结合起来考虑,特别是在布站原则、规划方法等方面应体现出城市化、相对高密度、高精度、经济适用的特点。例如,在站网规划方面,除了常用的卡拉雪夫法、最优内插法、拓扑优化法等方法外,克里格法、通用最小二乘法以及一些新的数学方法,如模糊数学、灰色理论及分形理论等也正在得到应用。水文测验方面,卫星遥感、雷达测雨及朝着无人值守方向发展的自动化、智能化、远距离传输地面水文站正在逐步获得应用和发展。目前,雷达测雨技术已可在半径为100km的范围内测量短历时雨强,其测量精度及对降雨分布的分辨率已明显优于地面点雨量计。卫星遥感技术已被用来测量大面积的土地利用变化和土壤含水量。作为短期水文预报模型中一个重要的输入变量,土壤前期含水量一旦由卫星遥感提供精确数据,将大大改善预报成果的精度。同位素、超声波测流技术也正在逐步得到推广和应用。可以预计,未来的水文站网不再会是由一个个独立的水文站所组成,而是由地面雷达站、卫星接收站和水文实验站所组成的信息监测网络。地理信息系统(G