林 郁,盧 山,王麗茜,陳 波
(浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)
杭州城市雨水下滲與徑流規(guī)律研究進(jìn)展
林 郁,盧 山,王麗茜,陳 波*
(浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)
當(dāng)前,中國(guó)城市化進(jìn)程明顯加快,城市水資源污染日益嚴(yán)峻,城市人口集中、用水量大等問題導(dǎo)致城市水資源短缺,地下水源供應(yīng)不足問題初顯。許多專家和學(xué)者將目光放在雨水資源上,希望通過城市雨水的下滲和徑流現(xiàn)象來補(bǔ)充城市水源,實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用,最終建立人與城市和諧共生的環(huán)境。以杭州市為主要研究對(duì)象,重點(diǎn)搜集關(guān)于杭州城市的雨水下滲和徑流規(guī)律研究的文獻(xiàn),并進(jìn)行分析總結(jié),以期對(duì)杭州的雨水管理和有效利用提供科學(xué)指導(dǎo),并為類似城市提供參考。
海綿城市; 杭州; 雨水下滲; 雨水徑流; 文獻(xiàn)研究
自從20世紀(jì)70年代改革開放以來,中國(guó)的城市化進(jìn)程明顯加快。人們?cè)谙硎苤鞘谢瘞淼慕?jīng)濟(jì)高速發(fā)展、生活水平提升等好處的同時(shí),卻破壞了原有的生態(tài)環(huán)境。城市化造成的地面硬化改變了原有地面的水文特性,并對(duì)自然的水文循環(huán)產(chǎn)生了負(fù)面的干預(yù)效果[1]。與此同時(shí),一方面城市水資源受到污染,另一方面城市人口密度較大,用水量也隨之增加,導(dǎo)致城市水資源相對(duì)短缺,地下水源供應(yīng)不足。許多專家和學(xué)者開始尋求補(bǔ)充城市水資源的有效方法。目前,人們普遍把目光放在雨水資源利用上,并希望通過城市雨水的徑流和下滲來補(bǔ)充城市的地下水源。
如果想要更好地利用雨水資源,發(fā)揮其最大效用,城市雨水下滲和徑流規(guī)律是需要了解和掌握的基礎(chǔ)。在不透水表面大幅度增加的情況下,雨水下滲和徑流的表現(xiàn)與自然土壤狀況下有所不同。在研究其基本規(guī)律的基礎(chǔ)上,采用更加合理的措施來對(duì)雨水資源進(jìn)行利用,能有效增加雨水資源的利用率。目前,此類研究較多。將國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整理和歸納,對(duì)了解城市雨水下滲與徑流規(guī)律研究進(jìn)展,以及改善城市水資源短缺的現(xiàn)狀具有重要的參考意義。
美國(guó)是發(fā)達(dá)國(guó)家,城市化進(jìn)程已接近尾聲,因此,其對(duì)于城市雨水下滲和徑流規(guī)律的研究起步也較早。1940年,Horton[2]通過單一邊界的解析和試驗(yàn)提出了入滲率的經(jīng)驗(yàn)公式。1987年,美國(guó)國(guó)家環(huán)保局提出了內(nèi)容和應(yīng)用范圍都相當(dāng)廣泛的城市暴雨管理模型(SWMM),它包括了徑流模塊、輸出模塊、存儲(chǔ)和處理模塊及受納水體的水質(zhì)模塊。在這些研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)雨水徑流的研究不斷創(chuàng)新和發(fā)展,并逐漸形成了一系列的城市雨水徑流管理體系。在美國(guó)最具代表性的是20世紀(jì)70—80年代提出的雨水徑流最佳管理措施(BMP)和低影響開發(fā)(LID),其技術(shù)體系覆蓋面廣泛且系統(tǒng)較為完善,故被許多西方發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用,在美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等國(guó)的城市雨水徑流污染控制中取得很好的效果[3]。
1950年,芝加哥開始了雨水管道設(shè)計(jì)水文過程線的研究,并且提出了早期的西橫式雨水流量過程線計(jì)算模型(CHM)。1975年,Keifer等[4]在這個(gè)研究的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了更加深入的研究,提出了修正的CHM模型,并在城市排水、雨水管道的設(shè)計(jì)和修正方面得到廣泛應(yīng)用。
英、美、澳、德、日等國(guó)形成了效仿自然排水方式的雨洪管理體系[5]。英國(guó)初次通過科學(xué)途徑管理降雨徑流,提出并率先建立了“可持續(xù)城市排水系統(tǒng)”(SUDS),以此實(shí)現(xiàn)良性的城市水循環(huán)[6];澳大利亞提出并建立了“水敏感性城市設(shè)計(jì)體系”(WSUD)[7];新西蘭在上述2個(gè)體系的基礎(chǔ)上,建立了“低影響城市設(shè)計(jì)與開發(fā)體系”(LIUDD)[8]。
城市化造成城市的覆蓋面積越來越廣。現(xiàn)代城市干旱缺水、水環(huán)境惡化的問題越來越嚴(yán)峻,城市范圍內(nèi)的地下水位呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),再加上城市的不透水表面覆蓋率越來越大,導(dǎo)致城市雨水徑流系數(shù)不斷增加。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)城市雨水下滲和徑流也進(jìn)行了許多有益的探索。他們從土壤的水運(yùn)動(dòng)切入,通過一系列的模擬實(shí)驗(yàn),展示了雨水下滲和地下徑流的具體過程及規(guī)律。2000年,邵明安等[9-10]使用積分方法求解了一維水平非飽和土壤的水分運(yùn)動(dòng)問題,并且建立了水分運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單入滲法。該方法可顯示土壤中水分的運(yùn)動(dòng)軌跡,掌握雨水在一般環(huán)境下下滲的規(guī)律和過程;2007年,陸垂裕等[11]提出一套可以用來統(tǒng)一計(jì)算土壤坡面降雨/灌溉入滲、地表集水、地表產(chǎn)流、蒸發(fā)、蒸騰以及當(dāng)這些現(xiàn)象交替出現(xiàn)時(shí)的水分運(yùn)動(dòng)過程的方法;朱偉等[12]曾模擬雨水下滲的過程,進(jìn)行關(guān)于雨水下滲的大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算,分析比較不同降雨強(qiáng)度下雨水下滲規(guī)律。
城市雨水下滲是補(bǔ)充地下水位的重要來源。土壤入滲能力的好壞是影響雨水下滲的重要因素。土壤中有機(jī)質(zhì)對(duì)于土壤入滲性能有著重要影響[13]。鑒于此,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土壤下滲能力與土壤初始含水率、土地坡度和土壤類型(耕地、林地和草地)的關(guān)系進(jìn)行了深入研究[14],對(duì)降雨入滲的研究方法也逐步多元化。降雨入滲的機(jī)理和規(guī)律得到越來越深刻的認(rèn)識(shí)。在研究雨水入滲規(guī)律的基礎(chǔ)上,為了提高雨水下滲效率,滲透設(shè)施也被逐漸應(yīng)用在城市雨水下滲中去。李海燕等[15]提出:“下凹式綠地和滲透渠,高位花壇、低勢(shì)綠地和植被淺溝的組合使用,可有效提高雨水的下滲率”。
在城市雨水徑流的研究上,國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)其制作的計(jì)算模型可以追溯到20世紀(jì)30年代。前人先后提出了單位線、等流時(shí)線、下滲曲線等模型[16]。與雨水下滲不同,雨水徑流流經(jīng)城市地面,會(huì)聚集一系列的污染物,進(jìn)入城市地表或者地下水體。在城市雨水徑流污染研究方面,國(guó)內(nèi)研究起步相對(duì)較晚,開始于20世紀(jì)80年代北京城市徑流污染研究,至20世紀(jì)90年代以后,相關(guān)研究才逐漸活躍起來,出現(xiàn)了基于水力學(xué)的運(yùn)動(dòng)波模型和其他徑流研究模型[17]。
杭州市位于中國(guó)東南沿海,處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨量充沛,年降雨量約1 500 mm,雖然不是缺水城市,但其可用水資源總量持續(xù)減少,并且水污染現(xiàn)象比較嚴(yán)重,是一個(gè)水質(zhì)性缺水城市。針對(duì)杭州雨水降落后的蒸發(fā)、徑流、滲透等具體發(fā)展情況進(jìn)行研究,能促進(jìn)本地雨水資源的利用,從而更好地保護(hù)當(dāng)?shù)厮Y源;而且,了解并分析杭州雨水下滲和徑流規(guī)律的研究現(xiàn)狀亦可為杭州今后的雨水利用研究指明方向。
本研究主要在中國(guó)知網(wǎng)和萬方數(shù)據(jù)庫(kù)2個(gè)平臺(tái)上檢索2000—2016年期間發(fā)表的,主要涉及杭州城市土壤滲透能力,雨水蒸發(fā)、徑流和滲透的關(guān)系,土壤儲(chǔ)存和降雨情況的關(guān)系等3方面內(nèi)容的文獻(xiàn)。
3.1 杭州土壤滲透能力文獻(xiàn)整理與分析
對(duì)于不同土壤下滲能力的研究主要涉及2個(gè)方面:主要土壤類型和下滲能力。因每個(gè)城市的主要土壤類型大致是固定的,因此,此處重點(diǎn)關(guān)注土壤下滲能力研究。共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)35篇。可見,目前國(guó)內(nèi)針對(duì)這方面的研究并不多,尤其是關(guān)注杭州市土壤下滲能力的文獻(xiàn)所占比例較低。2000—2007年間,關(guān)于杭州土壤下滲能力研究的文獻(xiàn)數(shù)目呈逐年上升趨勢(shì),于2007年達(dá)到最多,2008年回落,之后出現(xiàn)反復(fù)上升和下降的現(xiàn)象(圖1)。在這些文獻(xiàn)中:一些通過建立計(jì)算公式來論述土壤下滲率的影響因素,以及不同情況下土壤的滲透能力;一些通過實(shí)地試驗(yàn)來分析不同植被類型下的土壤下滲能力;還有一些則是單純進(jìn)行某種土壤滲透能力的研究。
圖1 杭州土壤下滲能力文獻(xiàn)的年份統(tǒng)計(jì)
3.2 杭州雨水蒸發(fā)、徑流和滲透關(guān)系文獻(xiàn)整理和分析
如圖2所示,2000—2016年關(guān)于杭州城市雨水蒸發(fā)、徑流和滲透關(guān)系研究的文獻(xiàn)共計(jì)檢索到28篇。2000—2012年,相關(guān)文獻(xiàn)每年最多只有2篇;2012—2016年,發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量有上升趨勢(shì),最多的達(dá)到4篇。這類研究耗時(shí)較久,并且成果驗(yàn)證過程也比較復(fù)雜;因此,這類研究文獻(xiàn)較為稀少,甚至出現(xiàn)了整年都沒有相關(guān)論文發(fā)表的現(xiàn)象(2009年)。
圖2 杭州城市雨水蒸發(fā)、徑流和滲透關(guān)系文獻(xiàn)的年份統(tǒng)計(jì)
關(guān)于杭州城市雨水下滲、徑流和蒸發(fā)之間關(guān)系的既有研究并不多。在搜索過程中發(fā)現(xiàn),在我國(guó)其他城市開展的類似研究也不多。通過梳理歸納,既有文獻(xiàn)可劃分為以下2類研究?jī)?nèi)容。1)建立實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,得出相關(guān)公式。即在杭州特定的地理或者位置條件下,建立水分轉(zhuǎn)化模型,通過實(shí)驗(yàn)得出三者之間的函數(shù)或者數(shù)量關(guān)系。但是,這類模型具有局限性,僅僅適用于某些特定的土壤和地理環(huán)境下,不能廣泛應(yīng)用。一直以來,水分轉(zhuǎn)化模型都存在著參數(shù)確定、修正和普適化的問題[18]。2)以理論研究為主,大范圍地粗略介紹三者之間的大致關(guān)系,此類研究范圍一般較廣,但缺乏深度。
3.3 杭州土壤儲(chǔ)存和降雨情況關(guān)系文獻(xiàn)整理和分析
如圖3所示,共檢索到有關(guān)杭州土壤儲(chǔ)存機(jī)制和降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、頻率之間關(guān)系的研究文獻(xiàn)36篇,總體而言,相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量較少,但隨時(shí)間發(fā)展有緩慢上升的趨勢(shì),數(shù)量最多的是2014和2016年,均達(dá)到4篇。
圖3 杭州城市土壤儲(chǔ)存和降雨情況關(guān)系文獻(xiàn)的年份統(tǒng)計(jì)
降雨情況的變量從本質(zhì)上可以分為強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、頻率和降雨總量4種。相關(guān)研究沒有完全涵蓋這4個(gè)方面,只是著重分析其中的一兩個(gè)方面。根據(jù)文獻(xiàn)的主要研究?jī)?nèi)容可以分為以下幾類。
降雨情況對(duì)土壤水再分布的影響。土壤水是存在于非飽和帶土壤孔隙中和為土壤顆粒所吸附的水分,是聯(lián)系地上和地下的紐帶,在水資源的形成和轉(zhuǎn)化過程中具有重要的作用[19]。相關(guān)研究得出如下結(jié)論:不同降雨強(qiáng)度對(duì)土壤水分再分布具有一定的影響,降雨強(qiáng)度越大,轉(zhuǎn)化為土壤的水量就會(huì)越多[20]。有學(xué)者通過對(duì)不同降雨情況下土壤水再分布的研究,探索出一種提高土壤保水能力和減少水土流失的方法,為促進(jìn)城市水資源的可持續(xù)發(fā)展提供了理論參考。
降雨情況對(duì)土壤養(yǎng)分流失的影響。土壤養(yǎng)分流失過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,通常所說的土壤養(yǎng)分流失是指地表肥沃土壤的流失。研究發(fā)現(xiàn),隨著降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的增大,土壤養(yǎng)分含量也會(huì)逐漸降低。一個(gè)區(qū)域的土壤流失量與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。隨著降雨強(qiáng)度的增加,雨滴對(duì)于土壤的擊濺能力也會(huì)隨之增加,從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失量增大[21]。
降雨情況對(duì)土壤入滲和徑流的影響。相關(guān)研究表明:隨著降雨強(qiáng)度增大,土壤入滲率有增大的趨勢(shì)[22],土壤入滲性能降低,土壤含水率變化對(duì)于土壤入滲性能的影響也隨之逐漸降低[23]。為了提高土壤的入滲率,涵養(yǎng)地下水源,應(yīng)把城市綠地放在一個(gè)比較重要的位置。近年來,雖然城市綠地的面積不斷擴(kuò)大,但是對(duì)綠地在雨水循環(huán)利用中的作用尚不夠重視。有學(xué)者指出,城市綠地在削減雨水徑流、提高土壤入滲率、緩解排水系統(tǒng)運(yùn)行壓力等方面具有重要作用,并提出下凹式綠地這一滲蓄能力較強(qiáng)的生態(tài)型排水設(shè)施,可以有效緩解洪澇災(zāi)害,增大雨水入滲率[24]。
雨水徑流是城市雨水的另一個(gè)研究重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn):一方面,雨水徑流量受不透水面積增加的影響而不斷增加;另一方面,隨著降雨強(qiáng)度的增大,雨水徑流量也隨之增加[25]。城市硬化地面的增加,使得雨水徑流量驟增,雖然它產(chǎn)生了很多的危害,但是如果加以妥當(dāng)?shù)奶幚砗屠?,也?huì)產(chǎn)生巨大的作用;因此,城市徑流不能再一排了之。相關(guān)部門應(yīng)出臺(tái)有效利用城市雨水徑流的措施或者方針,鼓勵(lì)城市規(guī)劃建設(shè)部門將雨水徑流量回收利用,緩解水資源短缺的現(xiàn)狀。
就現(xiàn)有文獻(xiàn)的整理和分析來看,現(xiàn)階段對(duì)杭州城市雨水下滲和徑流規(guī)律的研究方向比較廣泛,但是各個(gè)方面的研究都不夠深入,仍然處于起步階段。雨水利用具有很好的社會(huì)效益。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)雨水利用已經(jīng)有較為系統(tǒng)的研究,相關(guān)理論也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到城市建設(shè)當(dāng)中;而就國(guó)內(nèi)而言,雨水利用在全國(guó)的推廣工作還未做到位,雨水利用的相關(guān)理論研究尚不夠充分。在分析文獻(xiàn)的過程中可以看出,一部分文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容只是建立在理想情況下的假設(shè),缺乏結(jié)合城市實(shí)際狀況提出的新穎的理論和實(shí)踐研究。隨著我國(guó)城市的進(jìn)一步發(fā)展,以及生態(tài)城市、海綿城市等理念在國(guó)內(nèi)的逐漸興起,雨水利用終將逐步從理論走向?qū)嵺`,最終發(fā)展成以理論指導(dǎo)實(shí)踐,以實(shí)踐來驗(yàn)證與補(bǔ)充理論的良好態(tài)勢(shì)。
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(責(zé)任編輯:高 峻)
2016-11-23
浙江省自然科學(xué)基金(LY16E080009)
林 郁(1993—),女,浙江龍游人,碩士研究生,研究方向?yàn)橹参锞坝^規(guī)劃設(shè)計(jì),E-mail: 644321735@qq.com。
陳 波(1978—),男,四川富順人,副教授,博士,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)園林與植物景觀,E-mail:bochen2008@126.com。
10.16178/j.issn.0528-9017.20170432
S161.6
A
0528-9017(2017)04-0648-04
文獻(xiàn)著錄格式:林郁,盧山,王麗茜,等. 杭州城市雨水下滲與徑流規(guī)律研究進(jìn)展[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,58(4):648-651.