城市化发展面临的水文问题

1006 - 8139(2001)04 - 86 - 3 城市化发展面临的水文问题 李养龙1 赵 凯1 金 林1 全国强2 (1山西省水文水资源勘测局 2 山西水利科学研究所) 文摘:随着国民经济的发展,城市区域越来越大,人口更加密集,空气污染和水环境改变等,都使城市水文问题愈来 愈突出。本文针对这一问题,进行了比较系统的介绍,并初步提出一些问题的解决方法,可作为城市建设、 规划和 水文研究工作者参考。 关键词:城市水文; 水质; 雨洪径流 1 概述 人口向城市地区集中,致使城市区域不断扩张 的过程称为城市化。城市化的发展总是和工业化互 为因果的,代表了当今社会发展的趋势。现在全世 界有50 %的人口集中居住在仅占大陆面积5 %的城 市范围之内,势必要造成资源、 能源、 交通、 住房和排 污等全面紧张。尤其是水资源,它是人类生存和社 会生产须臾不能缺的。随着城市化的发展,水的供 需矛盾日益尖锐,是使城市居民生活质量和社会福 利水平有所下降的重要原因之一。近年来我国各大 中城市都在通过兴建和运用各种供水、 排水和水处 理工程措施以及制定和实施一些管理法规,来处理 上述水资源的供需矛盾,从而提高城市的居民生活 质量。 长期以来,人们把水作为取之不尽,用之不竭的 再生性资源,在处理有关城市水源时,往往强调当前 和局部的利益,较少考虑城市长远的对周围环境的 影响。在国内外,城市给水排水的指导思想上都存 在一定的片面性,用水时大手大脚,采取 “随用随 弃”,而在排水时则采取尽快排出了事。随着城市规 模和需水排水量迅速增长,上述指导思想已不再适 用。经过多年的实践,现已逐渐形成一套以系统理 论为基础的分析途径,把城市水文过程作为一个系 统工程,将充分开发利用当地水资源的效益,同时最 大限度地减少洪涝、 供水不足和水质污染的损失,作 为研究分析的目标,协调各地区、 各部门、 当前与长 远、 投资与效益等方面的利害关系,寻求最优的解决 方案。 城市化的发展直接或间接地改变着水环境,主 要表现为三方面城市水文问题,即城市水资源紧缺、 城市水资源污染和城市雨洪灾害。为了解决城市发 展所需的水量和水质,除了在现有的城市水文系统 内新建或扩建蓄水、 引水及水处理工程之外,还可以 采取其它一些 “开源节流” 措施,如跨流域远距离调 水、 地下水库人工回灌、 地面水地下水联合调度、 改 进净化设备和增加水的重复利用等工程措施及管理 法规。为了研究城市水污染的控制和管理,必须弄 清城市水污染的来源及理化和生物过程。为了减缓 雨洪的灾害,我国不少城市已从单纯兴建或扩建排 水管网、 改善水力条件等排水工程措施,发展成为运 用滞蓄水池、 地下水回灌水井和采用一些糙率和透 水较高的材料铺砌人行道和停车场,以及扩大绿化 面积等。此外,还积极建立城市防洪预案和警报系 统,制定防洪法规等。 2 城市化对降雨的影响 城市化对降水量的影响,是城市水文学中的一 个重要课题。目前国外不少学者在城乡降水观测资 料的基础上,从各自不同的角度作过大量对比分析 研究,我国仅有北京、 上海、 天津等大城市进行这方 面分析,目前,我省水文部门正在积极筹备设立城市 水文站,太原、 运城、 大同等水文部门,早已提出初步 规划和研究方向,由于经费原因,一直没有实施。 城市化影响降水过程的物理机制有以下几种。 2. 1 城市热岛效应 城市空气中二氧化碳等气体和微粒含量要比乡 村高得多,必然会减弱空气的透明度,减少日照时数 和降低太阳辐射强度。但是,城市空气中的二氧化 碳烟雾会在夜间阻碍并吸收地面长波辐射,加上城 市的特殊下垫面具有较高的热传导率,如高大的建 筑群、 砖石、 水泥和柏油铺筑的路面,因其反射率小, 能吸收较多的太阳辐射能,加上有大量的人工热源, 其结果使得城市的气温明显高于附近效区。这种温 ·68· 第4期(总第140期) 山西水利科技 No. 4(Total No. 140) 2001年11月 SHANXI HYDROTECHNICS Nov. 2001 ? 度的异常被称作城市热岛效应。 由于有热岛效应存在,城市空气层结很不稳定, 有利于产生热力对流,当城市中水气充足时,容易形 成对流云和对流性降水。这方面国外有较多观测实 例。 2. 2 城市阻碍效应。 因城市有高低不一的建筑物,其粗糙度比附近 效区平原大。这不仅能引起湍流,而且对稳定滞缓 的降水系统如静水锋、 静止切变、 缓进冷锋等,都有 阻碍效应,使其移动速度减慢,在城市滞留的时间加 长,因而导致城区的降水强度增大,降水时间的延 长。 2. 3 城市凝结核效应。 城市空气中的凝结核比郊区多,这是众所周知 的,这些凝结核对降水的形成起什么作用,是一个有 争议的问题,从冷云、 降水的机制来讲,云中有大量 的过冷却水滴,如果缺乏凝结、 不易形成降水。但在 暖云中降水的形成,主要依靠大小云滴的冲碰作用, 使云滴逐渐增大,这些微小凝结核善于吸收水汽形 成大小均匀的云滴,这时凝结核反而不利于降水的 形成。 城市化影响降水的机制,以城市热岛和城市阻 碍效应最为重要。至于城市空气中丰富的凝结核对 降水的影响,一般认为有促进降水增多作用,城市降 水量增多,很可能是这三者共同作用的结果。必须 指出,由于引起城市降水量变化除有城市化因素外, 还有地形和区城气候的变化因素。因此,在对资料 分析研究时,必须滤去区域气候、 地形等的变化这些 因素的影响。 如上所述,根据国内外现有资料分析,城市地区 降水量比其它地区将会有所增加,一般平均为10 % 左右。应当看到,随着烟尘治理,绿地面积扩大,城 市化对降水量的增加将会有所减少。 3 城市对雨洪径流的影响 随着城市化的发展,城区土地利用情况改变,如 清除树木、 平整土地、 建造房屋、 街道以及整治排水 河道,兴建排水管网等,直接改变了当地的雨洪径流 形成条件,使城市水文情势发生变化。例如,雨洪径 流总量增大,洪峰流量加高,洪峰时间提前;河道中 水流流速加大,径流中悬浮固体和污染物含量有增 大的趋势。所有这些变化往往加剧了城市本身及其 下游地区的洪水威胁,同时河道中污染荷载量显著 增加。 出现上述现象的原因主要有两方面。第一是流 域部分地区为不透水表面所覆盖,如屋顶、 街道、 人 行道和停车场等。不透水区域的下渗几乎为零,洼 地蓄水大量减少。在两次暴雨之间,大气中沉降和 城市活动产生的尘土、 杂质,渣滓及各类污染物积聚 在这些不透水面积上,最后在降雨期被径流冲洗掉。 其结果使城市地区径流中污染物浓度增加。第二是 水道增加了汇流的速度。城市中的天然河道往往被 裁弯取直和整治,并设置道路的边沟、 雨水管网和排 洪沟,使河槽流速增大,导致径流量和洪峰流量加 大,洪峰流量提前出现。 城市雨洪径流增加后,使已有排水明沟、 阴沟以 及桥涵过水能力感到不足,以致引起下游洪水泛滥、 造成交通中断、 地下通道淹没、 房屋和财产遭受破坏 等。下渗量的减少,使被给含水层的水量减少,致使 城市河道中枯季基流有下降的趋向。 4 城市化对水质的影响 人类赖以生存的水环境不断遭受污染是当前世 界上普遍存在的问题。就水环境污染而言,过去全 球人口少且分散,人类活动能力较弱,当时人们排放 的有机物和无机物不仅量少,而且大都为易降解的 物质,故水环境依靠自身净化能力可降解和同化这 些污染物。可是,随着人口剧增,且随城市化进程的 集中,人类活动能力大幅地加强,现在排放的污染物 不仅数量远远超过自然水体自身具有的自净容量, 而大多是难降解和同化的物质。由于城市大量未经 处理或处理不充分的废水排入受纳水体,引起了程 度不同的水质污染。我国现在每年都耗费大量资 金,采用各种技术手段以减少排放的污水;并依立法 手段强制市政和工业部门改进水处理技术。 城市污染水环境的无机物和有机物等污染物, 可分点源和面源两大类。点污染是指工业废水和生 活污水,由于这些水污染物是集中在若干地点排入 受纳水体,故称为点源,这些污染物容易被观测和控 制。面源则是指点源以外的污染,也就是地表径流 带的地面污染物,由于其来源于广阔的地表面,且不 易控制,故称为面源污染。面污染又可分人为和天 然的两类。人为则是由于人类活动在地表面产生的 污染物,如农田施用的肥料和农药,建筑工地、 城市 街道、 露天采矿积聚的灰尘,以及工业废物和生活垃 圾等。天然污染物则指地面上天然形成的污染物, 如土壤颗粒及枯枝落叶、 动物粪便等。面源污染是 径流冲洗地面而产生的,因而有间歇性,其数量与径 ·78· 第4期(总第140期) 2001年11月 李养龙:城市化发展面临的水文问题 No. 4(Total No. 140) Nov. 2001 流量、 前期污染物积聚情况,地表条件密切相关。控 制面源污染的最有效方法是采取综合治理方案,如 对地面污染物来源实行控制和及时清扫,设置沉积 池,增加地面的下渗能力等。 人类对地表影响最剧烈的地方是城市,所以城 市周围水环境受到了最集中的点源和面源污染,成 为污染程度最严重的地区。过去人们一直认为点源 污染是造成水污染的主要原因,没有认识到面源污 染的严重性。然而,实践表明,单纯控制点源,即使 达到零排放水平,仍然不能保证水体水质不进一步 恶化,因为面源污染对水环境的威胁也十分严重。 由此可见,从根本上改善城市周围受纳水体的 水质,除对工业废水、 生活污水处理外,还必须对形 成面源污染的城市径流进行控制和处理。因此,研 究城市雨洪径流污染物的来源,污染在地面的累积 冲洗机制和各种过程,从而提出减少或消除面源污 染影响的最佳管理措施,是非常必要的,但是目前对 城市面源污染规律的认识还比较肤浅,这是我们今 后面临的重要研究课题。 5 城市水文资源的收集 城市水文研究的重要工作就是资料的收集,之 所以重要主要有两个原因,一是收集资料的花费往 往比其他项目的花费要高;另一方面,研究的成功与 否在很大程度上取决于资料的收集。关于这一方面 问题十分复杂,例如它包括设站的位置,流域的选 择、 测次和历时的选定、 研究目标、 土地利用情况调 查、 水质的取样以及测验专用设备的配置等。下面 就站址的选择、 水质的取样以及土地利用情况调查 简单介绍如下: 1) 设立城市水文站时,在选定站址时必须慎重 考虑以下几点:适用于明渠或管流测验方法的良好 的水力条件;站址土地要有使用权;站点应包括有代 表性的水质条件;站以上土地利用情况市政部门应 有资料。 2) 水质样品的收集。近年来,由于强调环境影 响,收集化学和生物资料就成了城市水文研究的重 要项目。在水质取样时,应当特别注意的是,确保样 品的收集与流量测验保持适当的同步关系,水样在 流量过程线上的分布要合理,应尽可能在涨水段和 峰顶采取,落水段水样可以适当少些。 3) 土地利用情况调查,在城市水文研究中,土地 利用情况,是一项非常重要的因素,并作为水文模型 或径流水质模型的参数。但这些资料水文部门一般 难以了解,只有通过政府各职能部门进行收集,这方 面资料主要包括以下方面: 总排水面积; 不透水 面积; 平均流域坡度; 主要输水设备的坡度; 人口密度; 街道密度; 商业区、 工业区、 农业区、 居民区占排水面积的比例; 土壤的渗透率等方面。 目前,与经济发达国家相比,我国城市化程度尚 低,随着国民经济的发展,近年来,我国城市发展很 快,许多城市已暴露出由于城市化而引起的排水、 防 洪、 环境污染等严重问题,城市化引起的水文问题不 断引起有关部门的重视。 作者简介:李养龙,男,太原工业大学水利系毕业,工程师。 收稿日期:2000 - 11 - 21 Hydrologic Problem Faced in Development of City Li Yanglong Zhao Kai Jin Lin Quan Guoqiang Abstract:In this paper ,the influence of the urb