湘潭城市水文淺析

沈倩娜

（湘潭水文水資源勘測局 湖南湘潭 411100）

湘潭城市水文淺析

沈倩娜

（湘潭水文水資源勘測局 湖南湘潭 411100）

隨著湘潭市城市化進程的逐步推進，城市雨洪災(zāi)害，水生態(tài)問題等越來越突出，在分析湘潭城市化對水文效應(yīng)影響的基礎(chǔ)上，研究應(yīng)對湘潭城市水文效應(yīng)的策略，既是傳統(tǒng)水文面臨的新課題，也能對湘潭城市化進程提供一些非常有效的技術(shù)支持。

城市水文；水文效應(yīng)；水生態(tài)

湘潭位于湖南省的中部偏東地區(qū)，東西橫寬108km，南北縱長81km，總面積5005.8km2。2015年末常住人口為281.3萬人，建成區(qū)79.2km2，根據(jù)水文氣象監(jiān)測資料，湘潭市區(qū)歷年平均降水量為1405.4mm，其中汛期（4～9）月歷年平均降水量為901.5mm，全年出現(xiàn)暴雨（日降水量≥50.0mm）天數(shù)平均為4d。湘潭市每年主汛期都有漬水內(nèi)澇發(fā)生，容易發(fā)生城市雨洪災(zāi)害，在一定程度上影響了湘潭市水安全以及城市安全。因此，基于城市化水文效應(yīng)成為湘潭傳統(tǒng)水文研究的熱點。

1 湘潭城市水文的研究現(xiàn)狀

目前，湘潭市區(qū)現(xiàn)有水文站1處，雨量站4處，水位站2處，無地下水監(jiān)測站，市區(qū)內(nèi)湘江有馬家河、鐵牛埠、湘潭水文站、昭山四處水質(zhì)監(jiān)測斷面，以及涓水河口、漣水河口兩處支流水質(zhì)監(jiān)測斷面。隨著湘潭市工業(yè)化、城市化的進一步推進，人口、產(chǎn)業(yè)、物業(yè)持續(xù)向城市中心集中，城市人口增加，土地利用性質(zhì)改變，建筑物增多，道路鋪裝，不透水面積增大，河道治理，排水管網(wǎng)建設(shè)，治污排污等直接影響了地面雨洪徑流形成條件和其它水文要素，城市水文現(xiàn)象受其強烈影響而發(fā)生明顯變化，從而對水的流動、循環(huán)、分布，水的物理化學(xué)性質(zhì)及水與環(huán)境的相互關(guān)系，都將產(chǎn)生復(fù)雜的影響，城市水文與日益增長經(jīng)濟社會對水文的需求矛盾越來越突出，而目前湘潭市在城市水文研究方面基本還是空白。

2 湘潭城市化對水文效應(yīng)的影響

湘潭市建成區(qū)的不透水面積增加成為影響湘潭城市水文過程的重要因素，其不僅阻礙地表水下滲，還切斷城市區(qū)域地表水與地下水之間的水文聯(lián)系。伊博（Imbe）指出水資源保護與開發(fā)、防洪、供水、生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保護、控制污染、改進熱環(huán)境是城市化引發(fā)水文效應(yīng)過程中應(yīng)解決的主要問題[1]。湘潭城市水文效應(yīng)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：對城市建成區(qū)降水影響；對建成區(qū)河網(wǎng)水系的影響，對水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的影響。

2.1 對城區(qū)降水的影響

湘潭城市化過程中，不斷的吸納人口、不斷擴建道路、不斷的新建建筑群，形成了不透水的城市下墊面，這種人工化的地表，與自然狀態(tài)下的反射、水熱收支狀態(tài)下的地表，存在很大差異。而城市運行時，能源消耗的過程產(chǎn)生了大量的熱量，這改變了自然狀態(tài)下的溫度、濕度等氣象條件，形成了特殊氣候，因此影響了湘潭地區(qū)城市水文效應(yīng)。相關(guān)學(xué)者對阿拉伯干旱地區(qū)以及美國東部地區(qū)的降雨情況，進行了研究并發(fā)現(xiàn)，城市化后降雨量較之前增加了12～14百分點，這與城市下墊面及地形變化有一定的關(guān)聯(lián)。而國內(nèi)，在對長三角地區(qū)進行的研究也得出了類似結(jié)論。在相同的條件下（如氣象、下墊面等因素），城市建成區(qū)降雨增量明顯大于郊區(qū)[2]，就湘潭本地而言，通過對比分析2014年城市中心區(qū)湘潭站及6km外城市邊緣區(qū)花園站的九場主要降雨，發(fā)現(xiàn)位于中心城區(qū)的湘潭站場均將于普遍比位于郊區(qū)的花園站偏多，偏多程度在6.06～28.9%之間，九場降雨累計降雨量湘潭站較花園站偏多12.7%。由此可知，城市化對降雨量的影響在湘潭是符合以上規(guī)律的，如表1所示。

表1 湘潭站與花園站降雨對比表

2.2 對城區(qū)河網(wǎng)水系的影響

湘潭城區(qū)有漣水河、涓水河、爭光河、護潭河、花園河、紫荊河、向陽渠等幾條河流渠道注入湘江，其中在城市建成區(qū)中湘江設(shè)有水文站，爭光河、花園河設(shè)有水位站。湘潭城市化對于這些城區(qū)河流水系的影響主要表現(xiàn)在以下三方面：①對于河道結(jié)構(gòu)的影響。這主要表現(xiàn)在城市建設(shè)對河道的改變，使其結(jié)構(gòu)的日趨簡單化，很多河段經(jīng)過截彎取直、河道疏浚后已經(jīng)不是天然河道了，在湘潭建成區(qū)內(nèi)，所有河流都受到城市建設(shè)的影響，湘江、漣水、涓水都受風(fēng)光帶建設(shè)影響河堤內(nèi)阻水物增多，爭光河、護潭河、花園河、紫荊河、向陽渠等幾條河流均經(jīng)過人工改道，截彎取直，大型建筑影響。有的低等級河道由于下水管網(wǎng)的逐步完善，城市建設(shè)忽略以及河道淤積等原因，逐漸變窄或消失，如圖1所示為2003年湘潭水系圖，圖2所示為2016年湘潭水系圖，可以明顯看到紅圈處為這13年來市區(qū)河道有劇烈變化的地方。②對于河道產(chǎn)匯流的影響。隨著城市的不斷發(fā)展，天然流域地表具有良好的透水性，雨水降落時，一部分被植物截留蒸發(fā)，一部分降落地面填洼，一部分下滲補給地下水，一部分涵養(yǎng)在地下水位以上的土壤孔隙內(nèi)，其余部分產(chǎn)生地表徑流，匯入收納水體[3]。而城市化后，不透水下墊面面積的不斷發(fā)展，使得城市地區(qū)的水文過程發(fā)生巨大變化，引起的徑流流速、洪水總量增加，洪峰出現(xiàn)時間提前，洪水過程陡漲陡落，地下徑流減小，如圖3所示。③對水質(zhì)的影響，相關(guān)研究表明，對徑流的利用率超過20%時，會對水質(zhì)造成了較大影響。同時，城市擴張過程中對于小型河流水系的填埋，致使河流水系本身的自凈能力降低，而在人口集中的城市建成區(qū)除了產(chǎn)生的生活污水、工業(yè)污水對水環(huán)境造成污染外，降雨沖刷不透水下墊面將陸面上或下水管網(wǎng)中積留的污染物排入河流中，也會導(dǎo)致河網(wǎng)水系受到污染，如2013年8月19日，久旱之后突降暴雨，之后湘江湘潭段出現(xiàn)了大規(guī)模死魚事件。

圖1 2003年湘潭市區(qū)水系圖

圖2 2016年湘潭市水系圖

圖3 城市化前與城市化后降雨對城市河流流量影響圖

2.3 對城市生態(tài)的影響

湘潭市一個老工業(yè)城市，城市化發(fā)展過程中，在湘江沿岸興建了一批的大型工礦企業(yè)，城市工業(yè)廢水和生活污水增多，加之城市內(nèi)河流水系減少，河道淤積或消失等問題，降低了河流蓄水排澇和納污自凈能力，使得河流污染負荷加大，河流水質(zhì)不斷惡化。此外諸多研究結(jié)果顯示城市化地區(qū)水環(huán)境變化與徑流利用率、水面比例、河網(wǎng)密度、不透水下墊面面積、土地利用類型等因素有關(guān)，其中土地利用類型和不透水面積對水質(zhì)影響尤為重要[4]，通過監(jiān)測部分城區(qū)河段斷面水質(zhì)顯示由于湘江沿線工礦企業(yè)較多，時常會導(dǎo)致重金屬含量相對較高，爭光河、護潭河、紫荊河等河道因城區(qū)生活污水的排放時常導(dǎo)致化學(xué)需氧量、生物需氧量相對較高，而花園河、向陽渠因河流流經(jīng)農(nóng)業(yè)區(qū)，時常會導(dǎo)致氮、磷含量相對較高。這些影響改變了流域原有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，流域生態(tài)功能退化，生物種類多樣性減少。流域水文循環(huán)的過程涉及到地下水、土壤水、地表水、大氣水以及植物需水，城市建設(shè)一旦破壞了流域生態(tài)系統(tǒng)，將可能需要上百年的時間進行恢復(fù)。

3 應(yīng)對湘潭城市水文效應(yīng)的水文規(guī)劃對策

湘潭城市化的過程中城市行為對水文環(huán)境的干擾和影響對城市水文研究提出了新的要求，由于觀測資料的不足，導(dǎo)致湘潭城市水文研究進展遲緩，城市水文研究所發(fā)揮的作用未能完全體現(xiàn)，因此，要密切結(jié)合現(xiàn)有水文工作的特點，發(fā)揮現(xiàn)有水文研究的優(yōu)勢，著力擴展監(jiān)測范圍，提高監(jiān)測自動化水平，完善監(jiān)測研究體系。讓城市水文的研究隨著湘潭城市化而逐步發(fā)展，并為湘潭城市化過程提供可靠的資料和分析。

（1）著力擴充監(jiān)測站網(wǎng)，水文基礎(chǔ)資料是開展城市水文的基礎(chǔ)，就湘潭市目前的城市水文工作開展情況看，當(dāng)前首要的問題是從實際出發(fā)，在市區(qū)各主要河流布設(shè)相應(yīng)的水文站、降雨量觀測、地下水觀測、城市污水水質(zhì)監(jiān)測以及蒸發(fā)等基本站網(wǎng)，盡早開始水文觀測，積累基礎(chǔ)資料。

（2）將城市水文的研究對象從地緣向水緣轉(zhuǎn)變，就湘潭而言，湘江干流在流入湘潭前已經(jīng)流經(jīng)永州、衡陽、株洲三市，漣水在湘潭匯入湘江之前也已經(jīng)流經(jīng)婁底，流域是一個具有聯(lián)動關(guān)系的整體，從取水問題上分析，流域上游的跨區(qū)域調(diào)水、中游的攔水往往導(dǎo)致下游的斷水；從城市污水及地表徑流排放上分析，其水文區(qū)段越接近源頭，在流域影響范圍越廣、危害越大，這點更加顯而易見。另一方面，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不平衡問題可以在流域不同水文區(qū)段上找到一定的規(guī)律和原因。一般流域的上游處于水源保護地區(qū)，水文環(huán)境豐富、地形復(fù)雜，不利于大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，但其資源、能源豐富，若礦產(chǎn)資源豐富，容易出現(xiàn)不計環(huán)保成本的野蠻式開采；而下游地區(qū)交通便利、經(jīng)濟發(fā)達、人口密集，容易產(chǎn)生更多的生活污水。湘江流域上游郴州是有色金屬之鄉(xiāng)，礦產(chǎn)開采和冶煉所產(chǎn)生的廢水量很大，而株洲作為老牌重工業(yè)城市，是全國有名的工業(yè)污染區(qū)，廢渣廢土廢水等堆積排放量較大，由此可知，湘江水文要素對湘潭產(chǎn)生的影響極有可能不是起源于湘潭本地，因此，研究應(yīng)對城市水文效應(yīng)的規(guī)劃還需將整個流域納入考慮。

[1]Imbe M，Ohta.Takano N.Methodological approach to improve the hydrologicalwater cycle in urbanized areas，Proceedings of the Second International Conference on Innovative Technologies in Urban Storm Drainage. France，1995.

[2]許有鵬，丁瑾佳，陳瑩.長江三角洲地區(qū)城市化的水文效應(yīng)研究[J].水利水運工程學(xué)報，2009（4）.

[3]張建云，宋曉猛，王國慶，賀瑞敏，王小軍.變化環(huán)境下城市水文學(xué)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].水科學(xué)進展，2015（7）.

[4]徐光來，許有鵬，徐宏亮．城市化水文效應(yīng)研究進展[J]．自然資源學(xué)報，2010，25（12）.

S715

A

1004-7344（2016）15-0111-02

2016-4-27

沈倩娜（1986-），女，助理工程師，本科，主要從事水文勘測預(yù)報方面工作。