杭州城市雨水下滲與徑流規律研究進展

林 郁，盧 山，王麗茜，陳 波

(浙江理工大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310018)

杭州城市雨水下滲與徑流規律研究進展

林 郁，盧 山，王麗茜，陳 波*

(浙江理工大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310018)

當前，中國城市化進程明顯加快，城市水資源污染日益嚴峻，城市人口集中、用水量大等問題導致城市水資源短缺，地下水源供應不足問題初顯。許多專家和學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象來補充城市水源，實現水資源的循環利用，最終建立人與城市和諧共生的環境。以杭州市為主要研究對象，重點搜集關于杭州城市的雨水下滲和徑流規律研究的文獻，并進行分析總結，以期對杭州的雨水管理和有效利用提供科學指導，并為類似城市提供參考。

海綿城市； 杭州； 雨水下滲； 雨水徑流； 文獻研究

自從20世紀70年代改革開放以來，中國的城市化進程明顯加快。人們在享受著城市化帶來的經濟高速發展、生活水平提升等好處的同時，卻破壞了原有的生態環境。城市化造成的地面硬化改變了原有地面的水文特性，并對自然的水文循環產生了負面的干預效果[1]。與此同時，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，導致城市水資源相對短缺，地下水源供應不足。許多專家和學者開始尋求補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充城市的地下水源。

如果想要更好地利用雨水資源，發揮其最大效用，城市雨水下滲和徑流規律是需要了解和掌握的基礎。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與自然土壤狀況下有所不同。在研究其基本規律的基礎上，采用更加合理的措施來對雨水資源進行利用，能有效增加雨水資源的利用率。目前，此類研究較多。將國內外相關文獻進行整理和歸納，對了解城市雨水下滲與徑流規律研究進展，以及改善城市水資源短缺的現狀具有重要的參考意義。

1 國外城市雨水下滲和徑流規律研究進展概述

美國是發達國家，城市化進程已接近尾聲，因此，其對于城市雨水下滲和徑流規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提出了入滲率的經驗公式。1987年，美國國家環保局提出了內容和應用范圍都相當廣泛的城市暴雨管理模型(SWMM)，它包括了徑流模塊、輸出模塊、存儲和處理模塊及受納水體的水質模塊。在這些研究的基礎上，針對雨水徑流的研究不斷創新和發展，并逐漸形成了一系列的城市雨水徑流管理體系。在美國最具代表性的是20世紀70—80年代提出的雨水徑流最佳管理措施(BMP)和低影響開發(LID)，其技術體系覆蓋面廣泛且系統較為完善，故被許多西方發達國家應用，在美國、澳大利亞、英國等國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計水文過程線的研究，并且提出了早期的西橫式雨水流量過程線計算模型(CHM)。1975年，Keifer等[4]在這個研究的基礎之上進行了更加深入的研究，提出了修正的CHM模型，并在城市排水、雨水管道的設計和修正方面得到廣泛應用。

英、美、澳、德、日等國形成了效仿自然排水方式的雨洪管理體系[5]。英國初次通過科學途徑管理降雨徑流，提出并率先建立了“可持續城市排水系統”(SUDS)，以此實現良性的城市水循環[6]；澳大利亞提出并建立了“水敏感性城市設計體系”(WSUD)[7]；新西蘭在上述2個體系的基礎上，建立了“低影響城市設計與開發體系”(LIUDD)[8]。

2 國內城市雨水下滲和徑流規律研究進展概述

城市化造成城市的覆蓋面積越來越廣。現代城市干旱缺水、水環境惡化的問題越來越嚴峻，城市范圍內的地下水位呈現逐漸下降的趨勢，再加上城市的不透水表面覆蓋率越來越大，導致城市雨水徑流系數不斷增加。國內學者對城市雨水下滲和徑流也進行了許多有益的探索。他們從土壤的水運動切入，通過一系列的模擬實驗，展示了雨水下滲和地下徑流的具體過程及規律。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動問題，并且建立了水分運動的簡單入滲法。該方法可顯示土壤中水分的運動軌跡，掌握雨水在一般環境下下滲的規律和過程；2007年，陸垂裕等[11]提出一套可以用來統一計算土壤坡面降雨/灌溉入滲、地表集水、地表產流、蒸發、蒸騰以及當這些現象交替出現時的水分運動過程的方法；朱偉等[12]曾模擬雨水下滲的過程，進行關于雨水下滲的大量實驗和數值計算，分析比較不同降雨強度下雨水下滲規律。

城市雨水下滲是補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。土壤中有機質對于土壤入滲性能有著重要影響[13]。鑒于此，國內學者對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)的關系進行了深入研究[14]，對降雨入滲的研究方法也逐步多元化。降雨入滲的機理和規律得到越來越深刻的認識。在研究雨水入滲規律的基礎上，為了提高雨水下滲效率，滲透設施也被逐漸應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，國內學者針對其制作的計算模型可以追溯到20世紀30年代。前人先后提出了單位線、等流時線、下滲曲線等模型[16]。與雨水下滲不同，雨水徑流流經城市地面，會聚集一系列的污染物，進入城市地表或者地下水體。在城市雨水徑流污染研究方面，國內研究起步相對較晚，開始于20世紀80年代北京城市徑流污染研究，至20世紀90年代以后，相關研究才逐漸活躍起來，出現了基于水力學的運動波模型和其他徑流研究模型[17]。

3 杭州市雨水下滲和徑流規律研究現狀

杭州市位于中國東南沿海，處于亞熱帶季風氣候區，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減少，并且水污染現象比較嚴重，是一個水質性缺水城市。針對杭州雨水降落后的蒸發、徑流、滲透等具體發展情況進行研究，能促進本地雨水資源的利用，從而更好地保護當地水資源；而且，了解并分析杭州雨水下滲和徑流規律的研究現狀亦可為杭州今后的雨水利用研究指明方向。

本研究主要在中國知網和萬方數據庫2個平臺上檢索2000—2016年期間發表的，主要涉及杭州城市土壤滲透能力，雨水蒸發、徑流和滲透的關系，土壤儲存和降雨情況的關系等3方面內容的文獻。

3.1 杭州土壤滲透能力文獻整理與分析

對于不同土壤下滲能力的研究主要涉及2個方面：主要土壤類型和下滲能力。因每個城市的主要土壤類型大致是固定的，因此，此處重點關注土壤下滲能力研究。共檢索到相關文獻35篇。可見，目前國內針對這方面的研究并不多，尤其是關注杭州市土壤下滲能力的文獻所占比例較低。2000—2007年間，關于杭州土壤下滲能力研究的文獻數目呈逐年上升趨勢，于2007年達到最多，2008年回落，之后出現反復上升和下降的現象(圖1)。在這些文獻中：一些通過建立計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；一些通過實地試驗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行某種土壤滲透能力的研究。

圖1 杭州土壤下滲能力文獻的年份統計

3.2 杭州雨水蒸發、徑流和滲透關系文獻整理和分析

如圖2所示，2000—2016年關于杭州城市雨水蒸發、徑流和滲透關系研究的文獻共計檢索到28篇。2000—2012年，相關文獻每年最多只有2篇；2012—2016年，發表的相關文獻數量有上升趨勢，最多的達到4篇。這類研究耗時較久，并且成果驗證過程也比較復雜；因此，這類研究文獻較為稀少，甚至出現了整年都沒有相關論文發表的現象(2009年)。

圖2 杭州城市雨水蒸發、徑流和滲透關系文獻的年份統計

關于杭州城市雨水下滲、徑流和蒸發之間關系的既有研究并不多。在搜索過程中發現，在我國其他城市開展的類似研究也不多。通過梳理歸納，既有文獻可劃分為以下2類研究內容。1)建立實驗模型，得出相關公式。即在杭州特定的地理或者位置條件下，建立水分轉化模型，通過實驗得出三者之間的函數或者數量關系。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境下，不能廣泛應用。一直以來，水分轉化模型都存在著參數確定、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系，此類研究范圍一般較廣，但缺乏深度。

3.3 杭州土壤儲存和降雨情況關系文獻整理和分析

如圖3所示，共檢索到有關杭州土壤儲存機制和降雨強度、持續時間、頻率之間關系的研究文獻36篇，總體而言，相關文獻的數量較少，但隨時間發展有緩慢上升的趨勢，數量最多的是2014和2016年，均達到4篇。

圖3 杭州城市土壤儲存和降雨情況關系文獻的年份統計

降雨情況的變量從本質上可以分為強度、持續時間、頻率和降雨總量4種。相關研究沒有完全涵蓋這4個方面，只是著重分析其中的一兩個方面。根據文獻的主要研究內容可以分為以下幾類。

降雨情況對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，是聯系地上和地下的紐帶，在水資源的形成和轉化過程中具有重要的作用[19]。相關研究得出如下結論：不同降雨強度對土壤水分再分布具有一定的影響，降雨強度越大，轉化為土壤的水量就會越多[20]。有學者通過對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，為促進城市水資源的可持續發展提供了理論參考。

降雨情況對土壤養分流失的影響。土壤養分流失過程是一個非常復雜的過程，通常所說的土壤養分流失是指地表肥沃土壤的流失。研究發現，隨著降雨強度和降雨歷時的增大，土壤養分含量也會逐漸降低。一個區域的土壤流失量與降雨強度呈正相關關系。隨著降雨強度的增加，雨滴對于土壤的擊濺能力也會隨之增加，從而導致土壤養分流失量增大[21]。

降雨情況對土壤入滲和徑流的影響。相關研究表明：隨著降雨強度增大，土壤入滲率有增大的趨勢[22]，土壤入滲性能降低，土壤含水率變化對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，涵養地下水源，應把城市綠地放在一個比較重要的位置。近年來，雖然城市綠地的面積不斷擴大，但是對綠地在雨水循環利用中的作用尚不夠重視。有學者指出，城市綠地在削減雨水徑流、提高土壤入滲率、緩解排水系統運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的生態型排水設施，可以有效緩解洪澇災害，增大雨水入滲率[24]。

雨水徑流是城市雨水的另一個研究重點。研究發現：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，雖然它產生了很多的危害，但是如果加以妥當的處理和利用，也會產生巨大的作用；因此，城市徑流不能再一排了之。相關部門應出臺有效利用城市雨水徑流的措施或者方針，鼓勵城市規劃建設部門將雨水徑流量回收利用，緩解水資源短缺的現狀。

4 小結

就現有文獻的整理和分析來看，現階段對杭州城市雨水下滲和徑流規律的研究方向比較廣泛，但是各個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效益。發達國家對雨水利用已經有較為系統的研究，相關理論也已經被廣泛應用到城市建設當中；而就國內而言，雨水利用在全國的推廣工作還未做到位，雨水利用的相關理論研究尚不夠充分。在分析文獻的過程中可以看出，一部分文獻的研究內容只是建立在理想情況下的假設，缺乏結合城市實際狀況提出的新穎的理論和實踐研究。隨著我國城市的進一步發展，以及生態城市、海綿城市等理念在國內的逐漸興起，雨水利用終將逐步從理論走向實踐，最終發展成以理論指導實踐，以實踐來驗證與補充理論的良好態勢。

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(責任編輯：高 峻)

2016-11-23

浙江省自然科學基金(LY16E080009)

林 郁(1993—)，女，浙江龍游人，碩士研究生，研究方向為植物景觀規劃設計，E-mail: 644321735@qq.com。

陳 波(1978—)，男，四川富順人，副教授，博士，研究方向為生態園林與植物景觀，E-mail:bochen2008@126.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170432

S161.6

A

0528-9017(2017)04-0648-04

文獻著錄格式：林郁，盧山，王麗茜，等. 杭州城市雨水下滲與徑流規律研究進展[J].浙江農業科學，2017，58(4)：648-651.