城市化地区雨洪特性与生态机理分析

1．城市雨洪特性

城市地区的雨洪具有两重性,一方面,城市化改变了城市水文循环特性,从而使得城市雨洪特性改变,易引起短期内积水形成内涝;另一方面,城市雨洪是城市水资源的主要来源之一,科学合理的利用城市雨洪资源,可以节约城市水资源,保证城市功能的正常发挥。

(1)城市雨洪的灾害性

城市化改变了城市雨洪汇流特性,增加了城市雨洪排水系统压力,从而使得城市雨洪的灾害性更为明显,具体表现在以下几个方面。

①雨洪流量增加,流速加大。城市化进程的加快不但使降水量增加,雷暴雨增多,而且由于不透水地面多,植被稀少,降水的下渗量、蒸发量减少,增加了有效雨量形成径流的雨量,使地表径流量增加。城市化对天然河道进行了改造和治理,天然河道被裁弯取直,疏浚整治,设置路旁边沟,雨水管网排洪沟渠等,增加了河道汇流的水力学效应。雨水迅速变为径流,使雨洪流速增大。河道被挤占、束窄,也使得雨洪流速加大。

②洪峰增高,峰显提前,历时缩短。由于城市化进程的加快,流量增加,流速加大,集流时间加快,汇流过程历时缩短,城市雨洪径流增加,流量曲线急升急降,峰值增大,出现时间提前。同时由于地面不透水面积增大,下渗减少,故雨停之后,补给退水过程的水量也减少,使得整个洪水过程线底宽较窄,增加了产生迅猛洪水的可能性。城市排水管网的铺设,自然河道格局变化,排水管道密度大,以及涵洞化排水,排水速度快,使水向排水管网中的输送更为迅速,雨水迅速变为径流,必然引起峰值流量的增大,洪流曲线急升急降,峰值出现时间提前。城市化地区洪峰流量约为该城市城市化前的1倍,涨峰历时缩短,暴雨径流的洪峰流量预期可达未开发流域的1倍。这取决于河道整治情况和城市不透水面积率及排水设施等。随着城市化面积的扩大,这种现象也日益显著,如果既有城市化又有城市雨岛效应,则洪水涨落曲线更为陡急,如图6-4所示。

此外,如果河道被挤占,洪水时过水河道缩窄,故洪水频率增加。据估计,无控制地利用河滩地和扩大城市不透水面积,百年一遇洪水数量增加6倍。如北京市在20世纪50年代,连续降雨100 mm,排水河道通惠河的出口流量为40 m3/s,而20世纪80年代则为80 m3/s。据Stall等(1970)对美国伊利诺伊州东中部不同城市化程度(不透水面积所占百分比)地区的雨洪排水量速度所作的观测研究指出,城市化级别越高,其不透水地面所占全区面积的百分比也就越大,雨水向下渗透量越小,地表径流量越集中,雨洪排水量洪越高,具体见表6-2。

图6-4　相同降雨情况下城市化前、后雨洪过程对比

表6-2　美国伊利诺伊州东中部不同城市化地区对雨洪排水速度的影响

③雨洪径流污染负荷增加。城市发展,大量工业废水、生活污水排放进入地表径流。这些污废水富含金属、重金属、有机污染物、放射性污染物、细菌、病毒等,污染水体。城市地面、屋顶、大气中集聚的污染物质,被雨水冲洗带入河流,而城市河流流速的增大,不仅加大了悬浮固体和污染物的输送量,还加剧了地面、河床冲刷,使径流中悬浮固体和污染物含量增加,水质恶化。无雨时枯水期,径流量减少,污染物浓度增大;暴雨时汛期,河流流速增大,加大了悬浮固体和污染物的输送量,也加剧了河床冲刷,使下游污染物荷载量明显增加。据美国检测资料,河流水质污染成分50%以上来自地表径流,城市下游的水质82%受地表径流控制,并受城市污染的影响。据2015年环境统计公报,自2004年以来,我国废污水排放量每年增加,2014年达到了715．6亿m3,如图6-5所示。中国城市污水处理厂处理能力2014年达到了90．18%,如图6-6所示。但仍有一部分污水未经处理,直接排入水域,使河流污染严重,水质恶化。此外,城市建设施工期间,大量泥沙被雨水冲洗,使河流泥沙含量增大。

图6-5　2014—2015年中国城镇生活污水排放量

图6-6　2009—2014年中国城市污水处理厂处理能力及处理率(www.xing528.com)

(2)城市雨洪的资源性

我国雨水资源丰富,年降雨量达6．2万亿m3。但在城区,传统的雨水处理方式大多为直接排放。由于不透水地面比例不断增加,集蓄、利用设施缺乏,每年有大量雨水弃流排放。如北京2016年7月19日1点到20日早上6点的大降雨共形成水资源总量33亿m3,超过“7·21”特大暴雨的降雨总量,而进入各大水库、立交桥调蓄池、砂石坑、雨洪利用等水利工程的水资源总量约为7 555万m3,而北京市1956至2000年多年平均水资源总量为37．39亿m3,近年来水资源总量更加偏少,仅有21亿m3。雨水作为自然界水循环的阶段性产物,其水质优良,是城市中十分宝贵的水资源。只要在城市雨洪排水系统设计中采取相应的工程措施,就可将城区雨水加以利用。这样不仅能在一定程度上缓解城市水资源的供需矛盾,而且还能有效减少城市地面雨洪径流量,延滞汇流时间,减轻雨洪排涝设施的压力,减少防洪投资和洪灾损失。

城市雨洪利用通过国内外实践证明是行之有效的。美国加利福尼亚州弗雷斯诺市的地下回灌系统2010年地下水回灌量为1．34亿m3,丹麦利用城市屋顶收集雨水冲洗厕所、洗衣服的水量占居民冲厕所、洗衣服总用水量的68%,相当于居民总用水量的22%。总之,发达国家通过制定一系列有关雨水利用的法律法规,建立完善的屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水组成的地面回灌系统,收集雨水用于冲厕所、洗车、浇庭院、人造景观、洗衣服和回灌地下水。既缓解了城市水资源的供需矛盾,又减少了雨洪灾害。

据调查,在我国华北严重缺水的各城市中,年均降水均在400 mm以上。如石家庄市多年平均降雨量为540 mm,城市建筑物、道路等不透水铺装面的径流系数可达0．85,是形成城市暴雨径流的主产流区。石家庄市主城区在2015年,建筑、道路、工业等占地达119．19 km2(按现代城市发展要求,其中绿地面积约占1/3,目前还达不到此数据),其中不透水面积约80 km2,年均径流量为0．44亿m3,绿地面积约50 km2(包括上述区域1/3面积的绿地和特殊规划的绿地面积),径流系数为0．15～0．3,径流量0．08亿～0．16亿m3。即主城区的多年平均径流量在0．5亿m3以上,完全可以采用绿地渗透、透水地面、渗池、渗井以及蓄水池等工程,收集雨水利用、补充回灌地下水、滞洪防灾等。

绿地因表土层根系发达,土壤相对较疏松,其对降雨入渗性能较无草皮的裸地大,经测定有草地的土壤稳定入渗率比相同土壤条件的裸地大15%～20%。另一方面草地茎棵密布,草叶繁茂,一般在地表有2 cm深水层时,水不易流失。即使在日降雨量达100 mm,1 h暴雨量达30 mm时,也很少看到平地草地有地表径流出流,足见草地的滞流入渗作用很强。我国现代城市小区规划规范已有要求,小区绿地面积不应小于30%,建筑物、道路占地一般为40%～50%。

建筑物、道路等不透水铺装面,暴雨的径流系数可达0．9,是形成小区暴雨径流的主要产流区。因此,可合理设计透水地面(透水地面比不透水地面投资高10%)或渗井、渗池、渗沟,减少地表径流,增加入渗量,安全、合理地将剩余径流排出。还可以因地制宜的修建雨水蓄积处理池或人工湿地将雨洪资源、简单处理后的雨水,其成本比生活污水处理成本低得多,也可作为人工湖泊的景观用水、绿地灌溉用水、冲洗厕所用水、冷却水等。综合考虑,城市雨水利用既可节省投资、缓解水资源供需矛盾,也可涵养地下水,调节了城市生态环境,减轻了城市雨洪灾害。

2．城市雨洪生态机理分析

城市地区的雨洪灾害,除了由上述城市地区水文性状改变引起雨洪特性改变外,还包括城市建设发展中的其他因素,是整个城市水生态系统耦合形成的结果,其形成生态机理包括以下几个方面。

(1)城市河湖流域植被破坏,涵养水源功能下降

草本植被具有很强的水源涵养功能,是水体蓄存的“绿色水库”。茂密的林冠能截留降雨量的15%～40%;地表的枯枝落叶层,如同厚厚的海绵,具有极强的吸水能力,林木还能改变土壤的结构,为水分渗透创造良好的条件,使大部分地表径流转变为地下径流,并显著延长降水流出时间,起到涵养水源的作用。据研究,与城市裸地相比,1 hm2的林地可多储水300 m3以上。但在城市建设过程中,大量原有植被破坏,而被人为建筑物取代,并在建成后植被得不到恢复,绿化建设不配套,使得涵养水源功能下降。

(2)城市湿地系统破坏,对雨洪灾害的缓冲、净化处理功能丧失

城市湿地是指城市内部和城市近郊的湿地系统,大多位于低洼处,含有大量持水性良好的泥炭土和植物及质地带重的不透水层,具有巨大的蓄水能力。湿地可以在暴雨和雨洪季节储存过量的降水,并把径流均匀地放出,减弱雨洪对下游的危害,并净化水质,起到缓冲、净化处理作用,因此湿地系统是天然的储水、净水系统。但在城市建设中,一系列开发活动,如城郊的围垦造田,湿地作为城市垃圾堆积地,城市的扩展外延、路基建设以及工业开发占用湿地等,使得城市湿地生态系统干涸、退化,并丧失其雨洪灾害的缓冲及净化处理功能。

(3)城市河湖面积萎缩,雨洪调蓄能力降低

城市人口不断增加使得城市发展过程中围河湖建房,原有城市河湖水体日益减少,雨洪调蓄功能部分丧失。在经济利益驱动下,城市规划建设项目超标准建设,诸如滨江住宅、河湖小区等滨水建筑设施,使城市河湖雨洪调蓄功能得不到保障。一旦城区发生暴雨灾害,就会因雨洪无法蓄存而形成内涝灾害。