城市化對(duì)水文循環(huán)的影響與對(duì)策研究

徐 雷

(白城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林 白城 137000)

在我國(guó)城市化建設(shè)過程中，水資源安全問題開始顯現(xiàn)，并有日益嚴(yán)重的發(fā)展趨勢(shì)。各級(jí)政府及相關(guān)部門為此制定了各項(xiàng)工程方案和解決措施。有關(guān)研究顯示，城市建設(shè)對(duì)水循環(huán)的干擾導(dǎo)致了一些洪澇災(zāi)害的發(fā)生和水質(zhì)污染事件的出現(xiàn)。在水文循環(huán)具有的自我調(diào)節(jié)能力達(dá)到極限以后，將會(huì)引發(fā)水文生態(tài)功能退化。

1 城市規(guī)劃中引入健康水文循環(huán)的意義

所謂水文循環(huán)，指的是一種自然生態(tài)演化過程，這一過程具有十分復(fù)雜的特點(diǎn)。水文循環(huán)的主要空間載體為大小河流、湖泊、各類濕地和水塘、溪流、河谷地以及河漫灘等地表水文環(huán)境。河流中水的流動(dòng)起源于重力作用，在重力作用下，河水由高向低流淌在起伏不平的的地表，并對(duì)自然形成的河堤、河床和河漫灘等產(chǎn)生沖擊效應(yīng)。這種沖擊力同與此相伴的泥沙淤積，以及河水自身具有的下切力和側(cè)蝕力共同作用之下形成一種平衡，構(gòu)成了河流邊界。各類溪流、湖泊、濕地和水塘等水文要素則是以吸納雨水，同干流水體進(jìn)行相互補(bǔ)給和調(diào)蓄，使地表的自然水體達(dá)到一種平衡，處于自然演化中的水文環(huán)境和水文循環(huán)系統(tǒng)表現(xiàn)為一種正常平衡狀態(tài)［1］。但在我國(guó)進(jìn)行的大規(guī)模城市化建設(shè)過程中，水文循環(huán)系統(tǒng)在很短的時(shí)間里受到了規(guī)模較大的干擾，這種城市化建設(shè)過程對(duì)降雨系統(tǒng)、河流水系及相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾就形成了水文效應(yīng)。水文效應(yīng)將引發(fā)水質(zhì)出現(xiàn)惡化、洪澇等災(zāi)害頻繁出現(xiàn)、河水出現(xiàn)斷流、水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危機(jī)等一系列問題。研究者和工程技術(shù)人員想利用工程策略來(lái)解決上述問題，取得的效果并不顯著。故此，本文著眼于低影響角度，在城市規(guī)劃領(lǐng)域引進(jìn)健康水文循環(huán)這一理念，該理念是在城市化建設(shè)中，將水文循環(huán)的修復(fù)作為目標(biāo)，對(duì)城市化建設(shè)中可能出現(xiàn)的水文效應(yīng)采取相應(yīng)對(duì)策，以期尋找出其產(chǎn)生癥結(jié)，并從根本上進(jìn)行解決。

2 城市化對(duì)水文循環(huán)擾動(dòng)作用解析

2.1 城市化隔斷承接雨水下墊面條件

在未經(jīng)開發(fā)的自然地表，通過土壤層及透水層之后、雨水得到過濾凈化貯藏于地表，或滲入淺水層，最終溢出變成溪水的基流，形成了一個(gè)地表漫流過程。這一過程為環(huán)境帶來(lái)了許多益處。如滲入土壤的水促進(jìn)了植物發(fā)育和生長(zhǎng);雨水的滲透要經(jīng)土壤顆粒的過濾，有利于去除地表徑流中存在的雜質(zhì)，保證了溢出的基流的健康水質(zhì);雨水滲入淺水層為地下水提供了必要的補(bǔ)給，形成了人類的重要水源;雨水溢出所形成的地表漫流有利于緩和洪水的強(qiáng)度。在大規(guī)模城市化建設(shè)中，城市的面積在快速膨脹，使承接雨水的下墊面受到了大規(guī)模的干擾而出現(xiàn)變化。各類建筑的屋頂、經(jīng)過鋪裝的廣場(chǎng)、柏油馬路、以及通過人工整理的密實(shí)地表等不透水平面截?cái)嗔擞晁恼B透和貯藏過程，并阻斷了地表漫流，日益光滑的地表也削弱了其控制地表漫流速度的功能。統(tǒng)計(jì)資料顯示，下墊面條件的變化導(dǎo)致了徑流總量上升、徑流速度在提高，在大量雨水的沖刷下又將導(dǎo)致水土流失。而汛期的洪水匯集周期在日益縮短，洪峰值在日益升高，當(dāng)出現(xiàn)各水洪峰聚集，極有可能造成洪災(zāi)。我國(guó)目前的洪水位在逐年上升，而預(yù)防洪水的設(shè)施建設(shè)的出現(xiàn)滯后，特別是廣大農(nóng)村村鎮(zhèn)地區(qū)，將帶來(lái)極為嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害。而近年出現(xiàn)的氣候異常變化造成暴雨頻現(xiàn)，初始沖刷所構(gòu)成的污染日益擴(kuò)大，在客觀上阻礙了雨水正常入滲土壤，使雨水得不到天然凈化。

2.2 城市化打破水文環(huán)境地景格局特征

大規(guī)模的城市化建設(shè)對(duì)地表結(jié)構(gòu)帶來(lái)干擾，導(dǎo)致地表結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生變化，直接影響到與之相關(guān)的生態(tài)環(huán)境。研究人員對(duì)河流的自然特征展開研究后發(fā)現(xiàn)，河流是通過臨近的支流同陸域發(fā)生水量交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自身水源的蓄積和補(bǔ)給。但城市化建設(shè)卻使水文形態(tài)和水文產(chǎn)流特征發(fā)生了變化［2］。作為由溪流、支流和干流匯聚形成的河流，構(gòu)成了一個(gè)水系網(wǎng)絡(luò)，形成河流的水系網(wǎng)絡(luò)具有不同的形態(tài)，這些形態(tài)的水系包括平行狀、放射狀、樹枝狀、羽型狀、向心狀和混合狀等，而且其形態(tài)并非一成不變。城市化建設(shè)通常講究便捷和高效，并突出經(jīng)濟(jì)效益，但卻忽視了河流所具有的天然形態(tài)。在城市化建設(shè)中，道路規(guī)劃通常采取格狀路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這造成河流的支流和溪流由于避彎取直而漸漸縮小，一些支流和溪流已經(jīng)消失。所造成的地景截?cái)嘈?yīng)也對(duì)區(qū)域生態(tài)流動(dòng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。大量生態(tài)道路學(xué)成果顯示，當(dāng)?shù)缆访芏冗_(dá)到0.6km/km2以上時(shí)，大型哺乳動(dòng)物的顯現(xiàn)機(jī)會(huì)將大幅度下降。

2.3 城市化降低水文系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力

生態(tài)系統(tǒng)通常都具有某種自我調(diào)節(jié)能力，水文系統(tǒng)也不例外，這種自我調(diào)節(jié)能力促使徑流運(yùn)動(dòng)存在一定的規(guī)律性。但這種調(diào)節(jié)能力也存在極限，當(dāng)超出極限后，將導(dǎo)致極端水文變化的出現(xiàn)。近些年，國(guó)內(nèi)許多城市的水文數(shù)據(jù)都具有同化趨勢(shì)，如暴雨出現(xiàn)頻率增高，洪澇災(zāi)害頻率增大，這些都產(chǎn)生于水文循環(huán)系統(tǒng)遭到干擾和破壞。研究人員對(duì)基隆河流域汐止五堵段集水區(qū)自1980～2020年在開發(fā)中出現(xiàn)的水文變化數(shù)據(jù)做出檢測(cè)。依據(jù)空間擾動(dòng)速率S/年，計(jì)算山坡地的開發(fā)規(guī)模，每年的擾動(dòng)空間以0.002左右的速率提高。年均徑流比率變化卻在1991年以前略稍降低，此后出現(xiàn)顯期待上升。顯示出大規(guī)模城市化改造對(duì)水文循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行的擾動(dòng)存在一個(gè)時(shí)間的遲滯。1990年以后，年平均徑流數(shù)據(jù)明顯發(fā)生不規(guī)則變化，盡管有的年份出現(xiàn)下降，但是從1991～1996年的平均徑流比率為1.41，比1980～1990年期間的平均徑流比率1.23明顯偏高。受檢測(cè)時(shí)間所限，沒能測(cè)量到具體時(shí)間系數(shù)，但還是可以斷定，1990年達(dá)到這一區(qū)域水文系統(tǒng)極限并形成拐點(diǎn)。這一結(jié)論為日后的研究奠定了理論基礎(chǔ)。并預(yù)示出，一旦超過水文極限，將帶來(lái)一系列的城市問題。盡管城市建設(shè)擾動(dòng)水文循環(huán)系統(tǒng)的問題不可避免，但還是有必要尋找到一種具有適應(yīng)性的相應(yīng)規(guī)劃與策略。

3 流域規(guī)劃對(duì)策

3.1 區(qū)域劃分實(shí)現(xiàn)由地緣向水緣的轉(zhuǎn)變

全球很多國(guó)家都在試圖通過河流域進(jìn)行區(qū)域劃分和城市建設(shè)，這種方式也取得了一定的成效。在美國(guó)就有田納西流域，在南美洲的巴西有亞馬遜流域。這種以流域作為單元的區(qū)域開發(fā)具有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史傳統(tǒng)，例如我國(guó)有黃河流域、在西亞有兩河流域，在非洲有尼羅河流域。歷史經(jīng)驗(yàn)證明，水文效應(yīng)的下降同流域的自然屬性、社會(huì)屬性和經(jīng)濟(jì)屬性是分不開的。流域作為一個(gè)整體概念，其具有聯(lián)動(dòng)性［3］。在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行水資源的開發(fā)會(huì)對(duì)水文循環(huán)產(chǎn)生破壞作用，而治理僅著眼于區(qū)域范圍是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。如在流域的上游進(jìn)行跨區(qū)域調(diào)水、在中游進(jìn)行攔水通常都將造成下游出現(xiàn)斷水現(xiàn)象;而城市進(jìn)行污水排放和地表徑流排放的區(qū)段離源頭越近，流域范圍內(nèi)造成的影響范圍就越大、危害也越大。同時(shí)，區(qū)域間存在的經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異也可在流域不同水文區(qū)段方面尋找到某些原因。通常流域上游都為水源保護(hù)地帶，這里的水文環(huán)境十分豐富、地形結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，進(jìn)行大規(guī)模城市開發(fā)存在較大困難。但這里往往蘊(yùn)藏著豐富的能源或其他資源;流域下游通常人口密集、交通也十分便利、這里的經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)、先進(jìn)的技術(shù)也存在這里。若依據(jù)這樣的規(guī)律在流域內(nèi)進(jìn)行合理職能分工，可有效防止產(chǎn)業(yè)重復(fù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)。

3.2 將流域水資源量作為確定城鎮(zhèn)規(guī)模等級(jí)的門檻

在區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行城市規(guī)模等級(jí)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，通常以經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)作為前提條件，其設(shè)計(jì)底線則是資源容量，這種傳統(tǒng)規(guī)劃模式無(wú)視生態(tài)環(huán)境，在城市規(guī)模超過生態(tài)系統(tǒng)極限后，將導(dǎo)致無(wú)法挽回的嚴(yán)重后果。西方國(guó)家在建設(shè)中對(duì)環(huán)境實(shí)行先破壞后治理的模式所造成的負(fù)面影響教訓(xùn)深刻，足以引起我們的警覺。水資源日益緊張，客觀上要求我們?cè)谶M(jìn)行區(qū)域城市開發(fā)時(shí)應(yīng)將水文資源承載力作為衡量城市設(shè)計(jì)規(guī)模及等級(jí)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。降低取排水對(duì)區(qū)域水文系統(tǒng)造成的干擾，不能只局限于工程技術(shù)措施，還要對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的流域水文資源的承載力做出準(zhǔn)確評(píng)估，以確定其極限值，以此作為城市開發(fā)規(guī)模和等級(jí)結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)衡量標(biāo)準(zhǔn)。特別是流域上游，若城鎮(zhèn)開發(fā)規(guī)模過大，所造成的污染和徑流總量將在較大范圍內(nèi)帶來(lái)負(fù)面影響:如使下游城市的防洪和凈水產(chǎn)生更大壓力;為使下游河流更加疏通而進(jìn)行裁彎取直，將對(duì)水文環(huán)境及流域水文生態(tài)帶來(lái)破壞。所以，確定區(qū)域城鎮(zhèn)開發(fā)的規(guī)模和等級(jí)一定以區(qū)域內(nèi)水文資源的承載力極限作為徇標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 依據(jù)流域自然特征進(jìn)行區(qū)域城鄉(xiāng)空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃

我國(guó)進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃依據(jù)的是梯度發(fā)展規(guī)律，這種模式造成條件較好地區(qū)更易獲得更多的資源，再以先開發(fā)地區(qū)通過輻射作用帶動(dòng)周邊地區(qū)，目的是使區(qū)域經(jīng)濟(jì)由不平衡向平衡過度。該發(fā)展模式是以投資報(bào)酬率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)展規(guī)劃時(shí)引進(jìn)健康水文循環(huán)的理念，將水文環(huán)境作為衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，使區(qū)域開發(fā)的空間結(jié)構(gòu)同水文空間的相融合。這種新開發(fā)思念與經(jīng)濟(jì)衡量標(biāo)準(zhǔn)并不矛盾，未發(fā)展地區(qū)可作為預(yù)留保護(hù)地，有效保護(hù)上游區(qū)域的水文環(huán)境。

綜上所述，將健康水文循環(huán)作為一項(xiàng)衡量標(biāo)準(zhǔn)，將為城市開發(fā)中的水文效應(yīng)研究拓展思路。這項(xiàng)研究將使城市開發(fā)中對(duì)水文效應(yīng)開展的整治不僅局限于現(xiàn)象，而利于在根本上加以解決。這樣通過治理水文效應(yīng)也使片面追求社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)中增加了維持水文循環(huán)健康的目標(biāo)，從而有效緩解開發(fā)建設(shè)中的水資源緊張局面，這項(xiàng)研究無(wú)疑具有重大意義和深遠(yuǎn)影響。

［1］陳瑩，許有鵬，陳興偉.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)中小流域未來(lái)城鎮(zhèn)化的水文效應(yīng)［J］.資源科學(xué)，2011(01).

［2］許有鵬，丁瑾佳，陳瑩.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市化的水文效應(yīng)研究［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2009(04).

［3］戚曉明，杜培軍，吳志勇，汪迎春.城市景觀格局與水文效應(yīng)關(guān)系研究［J］.水利水電技術(shù)，2010(04).