城市化对城市水系的影响及海绵城市建设与雨水利用

城市化最主要的特征是人口、产业、物业向城市集中,城市人口增加,土地利用性质改变,建筑物增多,道路铺装,不透水面积增加,河道整治,排水管网建设等,直接改变了地面雨洪径流形成条件。随着工业化、都市化的推进,人类对自然的干扰加剧,城市水文现象受人类活动的强烈影响而发生明显的变化。城市社会经济发展对水的需求量增大,排放污废水增多。从而对城市水系中水的流动、循环、分布、水的物理化学性质以及水与环境的相互关系产生了各种各样的影响。

1．城市水系统概述

城市水系统的客体是城市水资源,城市水资源是城市生产和生活的最基础资源之一。同时由于城市功能的特殊性,城市水资源除了具有一般水资源固有的本质属性和基本属性外,还具有环境、社会和经济属性。严格意义上的城市水系统是指在一定地域空间内,以城市水资源为主体,以水资源的开发利用和保护为过程,并与自然和社会环境密切相关且随时空变化的动态系统。因此,从这个意义上说,城市水系统的内涵已经远远超出了通常所说的“水资源系统”或“水源系统”的范畴,这个系统不仅包含了相关的自然因素,还融入了社会、经济、政治等许多社会因素。

城市水循环系统(城市水系)包括自然循环系统和社会循环系统两部分。城市水系依靠自然循环系统,水体通过蒸发、降水和地面径流又与大气联系起来,蒸发降水又返回土壤地表水。但由于流域固有的特殊性和相互影响,范围远远超过城市边界。

城市水体和地下水通过土壤渗透及地下补给连接起来。城市水系的社会循环系统由水源、供水、用水和排水等四大要素组成。这四大要素的相互联合构成了城市水资源开发利用和保护的人为循环系统,每个要素都对这个循环系统起着一定的促进或制约作用。

城市水源是城市水系统的基础要素。随着现代城市规模的不断扩大,消耗水量也逐渐加大,在水资源有限的条件下,应增建净化中水道循环使用系统,作为城市的重要给水水源。城市供水是城市水系统的开发或生产要素,它是架在水源和用水要素之间的一座“桥梁”。如果没有供水要素,水源不能自动变为商品为消费者所利用。城市用水是城市水系统的需求或消费要素,供给与需求既对立又统一,没有需求,就不必供给,而满足需求是供给的永恒主题。

城市排水是城市水系统中最敏感的要素,具有两面性,良性的排水经净化处理后排放可增加水源的补给量,不良的排水未经净化处理直接排放则污染水源水质,从而减少水源的可用水量。现代城市水循环系统如图6-1所示。

图6-1　城市水循环系统

2．城市化对水系的影响

(1)城市化的水文效应

①城市化对水文循环过程的影响。水分的蒸发、凝结、降落降雨、输送径流循环往复的运动过程,称为水文循环。天然流域地表具有良好的透水性,雨水降落时,一部分被植物截留蒸发,一部分降落地面填洼,一部分下渗到地下,补给地下水,一部分涵养在地下水位以上的土壤孔隙内,其余部分产生地表径流,汇入受纳水体。

据北美洲安大略环境部资料,都市化前,天然流域的蒸发量占降水量的40%,入渗地下水量占50%。都市化后,由于人类活动的影响,天然流域被开发、植被受破坏,土地利用状况改变,自然景观受到深刻的改造,混凝土建筑、柏油马路、工厂区、商业区、住宅区、运动场、停车场、街道等不透水地面大量增加,使城市水文循环状况发生了变化,城市化地区水文循环过程如图6-2所示。降水量增多,但降水渗入地下的部分减少,只占降水量的32%,填洼量减少,蒸发减少为25%,而产生地面径流的部分增大,由地表排入地下水道的地表径流量为43%,这种变化随着城市化的发展,不透水面积率的增大而增大。下垫面不透水面积的百分比越大,其储存水量越小,地面径流越大。

图6-2　城市化地区水文循环过程

②城市化对水量平衡的影响。城市化地区水量平衡方程式为

式中 P——降水量;(www.xing528.com)

R,R1——地表径流流入与流出量;

G,G1——地下提取与渗入地下水量;

E1,E2——地表蒸发和植物蒸腾水量;

S——生态系统组分内储水量;

T——上水管道输入水量;

T1——下水管道输出水量;

ΔW——时段内区域储水量变化。

根据城市化地区的水文循环过程图,在城市化地区的水量平衡过程中,既包括天然水循环,也包括人工控制的上下水管道中的水循环(T,T1)。城市化对上述公式中各项都会产生影响,从而改变了城市地区的水文特性。在输入项中,城市化对大气降水P的影响比较明显,城市地区的年降水量一般比郊区多5%～15%,雷暴雨多10%～15%,地表水流入量除径流流入量R外,还有上水管道进水量。此项有时可高达降水量的数倍以上。城市中地下水的提水量也是比较高的,特别是在一些缺水的城市中。在输出项中,城市地下水位低,地下径流和土壤含水量减少,地表干燥,可供蒸发的水量少,加之植被少、风速小,蒸发和蒸腾(E1,E2)都比市郊小,下渗量G1也相应减少。城市地下水长期补给不足会使地下水含水层衰竭,导致地面沉降,建筑物地基破坏,从而引起城市生态环境恶化。由于城市耗水量一般比较大,径流流出量R1比郊区小,所以增加了人工下水管道的出水量T1。

表6-1为北京城市中心区与郊区水量特征值对比。可见,城市地区的降水量、径流总量、地表径流量及地表径流系数均大于周围郊区,而蒸发量、地下径流量及地下径流系数均小于周围郊区。

表6-1　北京城市中心区与郊区水量特征值对比

(2)城市化的水环境效应

城市化后生活、生产、交通运输以及其他服务行业对水体排放污染物加重。近年来,虽然通过污染治理减少了城市生产、生活排放物对水体的污染,许多河流水质有了明显的改善,但城市水质的污染问题远没有得到彻底解决,城市河流的各项污染指标仍远高于非城市河流。此外,城市化发展使得城区不透水面积增大,使城市地表径流的流速、洪峰流量频率增加,因此地表径流的侵蚀和搬运能力将相应增强。地表径流冲刷堆积于街道、建筑物上的大量堆积物,会引起水体新的非点源污染。

图6-3　城市化对城市水系的影响

根据北京市所实施的中德合作“城区水资源可持续利用——雨洪控制与地下水回灌”项目中对北京市暴雨径流水质的实测分析,城区初期暴雨径流含有较多污染物,其中屋面径流雨水COD为300～3 000 mg/L,SS为100～2 000 mg/L,且雨水水质浑浊,色度大。路面雨水径流的水质常受到灰尘、汽车尾气、燃油和润滑油、路面材料及路面磨损的影响,城区路面雨水径流水质和路面在城区中所处的地理位置有关,据北京市水利科学研究所的实测,机动车道上的初期暴雨径流中CODmg为22．7 mg/L,TP为1．02 mg/L,NH+4—N为0．79 mg/L,雨水悬浮物为860 mg/L。城市化对水系的影响概念如图6-3所示。