海綿城市建設中若干水文學問題的分析

韓元元

【摘 要】本文探討海綿城市水系統及海綿城市建設問題，進一步分析水文若干問題，通過有效的計算方式，解決降水量及徑流量等計算問題，為海綿城市建設提供參考依據。

【關鍵詞】海綿城市;建設;水文問題

中圖分類號： TU992 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）02-0006-002

全球氣候變暖的背景下，城市面臨的洪澇災害及水資源短缺問題。極端氣候變化及城市快速發展的背景下，海綿城市理念進入人們眼中。我國洪澇災害影響范圍較大，造成較大的經濟損失，比如武漢市，在2016年期間，暴雨災害使得市民生存質量受到影響，全市范圍12個區受災，農作物受損面積在100000公頃左右，災害喪命人數約為14人，造成的直接經濟損失22.65億元。武漢市經過暴雨災害后，開始探討如何解決排水問題。海綿城市建設成為人們熱議的話題，提升城市排水系統時應當思考將雨水存留，利用自然力量，實現城市凈化。本次研究對城市建設過程中水文問題進行探討。

1 海綿城市建設水系統

海綿城市建設核心為復雜水系統問題，將水循環作為紐帶，通過降雨及徑流等物理反應，利用水環境水生態表征生物地球生化過程，將城市建設高強度人類活動特點相互作用反饋系統作為核心。國際水系統研究中，將水循環聯系三個過程作用實現聯系，并強調水循環系統的調控能力，從而為環境城市建設綜合治理提供支撐。環境不斷變化，水系統研究目光轉向水與環境及水域生態領域，但核心問題依舊是水文學。我國海綿城市建設的水系統科學基礎中應用水文學及城市生態學等，實現海綿城市的建設與管理，并有效評價工程建設情況。這也是海綿城市建設的需求。在海綿城市水系統建設過程中，需強調整體規劃，根據監測體系，建立水與環境及水與生態等聯系的反饋模型，并通過科學的分析調整產業結構，調整建設制度。

2 海綿城市建設面臨的問題

我國預計在2030年將面對水資源安全問題，我國在1981年城市化覆蓋率為21.15%，在2011年城鎮化覆蓋率為51.25%，并預計在2030年城市覆蓋率能夠達到70%。我國城市日供水總規模預計在3.15億m3。據傳統供需模式，未來水資源缺口將不斷擴大。我國城鎮化發展進程快，建設速度與城市治理速度存在落差，傳統城市建設問題逐漸凸顯。城市內澇及洪澇災害問題愈發嚴重，城市垃圾及生活污水排放等問題導致城市生態退化。并面臨持續被侵蝕的危險，城市人們疾病發病率增加。水污染及廢氣等環境問題不斷凸顯，人口膨脹及交通擁擠使得人們面臨較大的經濟壓力，從而制約城市發展。

國家在海綿城市部署方面，為有效更改我國城市建設戰略。我國海綿城市建設依舊存在諸多挑戰，部分地區海綿城市認識不足，并未進行合理的規劃與設計。海綿城市建設的主要問題便是水問題，我國海綿城市建設及規劃、設計等缺少水文為核心的理念，從而導致在海綿城市設計過程中缺乏有效的監控體系。缺乏海綿城市“水與氣候”、“水與環境”聯系的城市綜合水系統交叉先進技術支撐，現階段技術問題較為顯著，缺乏建設評估體系。我國海綿城市建設存在急于求成問題，實施效果不理想，我國受到大暴雨及洪澇災害問題，使得海綿城市建設面臨重大挑戰。

3 海綿城市建設水文問題

我國政府于2015年發表海綿城市建設的總體要求，通過綜合“滲、滯、蓄、凈、用、排”措施，實現對城市最小限度的開發影響，從而有效將降水利用。預計在2020年我國城市建設20%面積的目標達成，并在后續的10年完成建設80%的目標。我國在2016年住房及城市建設部門發表的海綿城市建設規定中，規劃海綿城市建設目標，通過具體的目標及指標，實現近期及遠期的建設具體面積及比例，通過相關考核方法，從而提出海綿城市建設指標。在每年的徑流量控制方面，相關指南中提出，年徑流總量控制率應當根據30年日降水量進行排列，提取中年均總量在20-30mm中小雨事件。

3.1 年徑流量控制率問題

年徑流總流量控制率為海綿城市建設較為基礎性的水文問題。我國在2016年，相關組織部門提出年徑流量總控制率應當為日降水量數據計算得出，利用自然及人工強化滲透及儲存等方式，使場地積累水量得以控制，并在不外排的情況下，獲得最終的降雨量百分比。在上述文件中能夠觀察到年徑流總量控制率計算方法，從而將30年日降雨，將其中的2mm降雨事件扣除的情況下，使降雨量日值自小到大進行排序，對小于2mm降雨量的總量進行統計，若小于某一降雨量，需根據實際降雨量進行計算，若大于2mm降雨量，則根據降雨量計算降雨總量。總降雨量中的比例，對應降雨量日值為設計降雨量。海綿城市建設關鍵指標為年徑流總量控制率。我國某設計院根據以上文件中的計算方法，從而獲取徑流雨量在全年雨量中的比例。計算公式為：

年徑流總量控制率=■*100

為明確文件中年徑流總量控制率是否為科學的計算方式，應當明確幾個問題。首先為城市徑流形成概念，其次為城市徑流系數，再次為城市年徑流總量的科學控制方法，最后為科學計算城市年徑流總量控制率。

3.2 徑流形成及轉化問題

降雨一般在集雨區形成徑流過程中被不斷轉化，在整體的形成中涵蓋運動匯流等復雜水文過程，降水產生徑流量多少也是成為水文系統的關鍵增益因子，水文學中將其稱為徑流系數，通過系統的分析方式。觀察徑流的轉化流程，從而提出科學的計算依據。

在計算徑流系數α過程中，通過匯水面積總凈流量Y與降水量X比值進行計算，降水量中徑流水轉化，能反映流域自然地理情況對徑流產生的影響。計算公式便是α=Y/X。降水量多余水分在植物截留及填挖或者蒸發中消失。徑流系數為城市雨水控制系統的重要環節，雨水控制系統利用理論及設計計算，從而觀察徑流系數選擇是否合適，該指標對排水系統的排水能力具有直接影響，現階段的徑流系數計算一般將線性理論作為基礎。

在徑流系數的非線性問題分析過程中，系統水文學觀點看，徑流系數為水文系統的增益，總徑流線性模型及簡單線性模型中，增益因子G被設定為一個常數，從而形成多年平均降水系數。但是部分流域在相關數據表示，增值系數存在變性，與流域濕度呈現正比關系，比如在前期降雨量指標計算為實際蒸發量及降雨量的比值。計算公式為：

系統增益G（t）水文概念是流域產流系數。相關研究人員對全球范圍內的不同氣候區域多個流域降水量進行數據分析，從而分辨降水及土壤濕度等因素的非線性關系。高度非線性導致降水徑流系統增益量處于變化過程。通過進一步的研究可以發現，徑流形成增益因子G（t）與土壤濕度及降雨量、降雨強度存在非線性關系。若土壤濕度資料缺少，流域降水量計算便會存在偏差。水文時變增益因子G（t）與流域土壤降水量濕度關系可利用公式進行表達：G（t）=α'API{t，p（t）}β。在此公式中α與β分別為下墊面參數。為進一步分析徑流量計算的有效方式，從而觀察時變增益模型，將降水量及徑流轉化過程劃分為流域產流模型及匯流模型，產流模型中，明確凈雨水量與毛雨量的增益關系。在產流過程中，降水量引入增益指標中，對凈雨量進行計算，從而得出單位線模型，得出徑流量，完成匯流過程。流域匯流利用線性函數，能夠得出Volerra非線性函數普適性關系，從而構建物理機制適用解。上述研究的價值為自理論層面分析徑流非線性響應與土壤濕度及下墊面參數、降雨強度的關系，從而明確簡單關系非線性產流機理，非線性系統可良好描述降雨與徑流的關系，徑流系數為定常線性系統理論，屬于階段性特例，時變增益模型中徑流計算方法中，將水文線性假定產流增益作為常數問題有效解決。海綿城市建設過程中需建立徑流系數與非線性特性的關系，從而得出年徑流量控制率及計算方法。

3.3 城市水文效應問題

城市的發展會經歷不同的階段，海綿城市建設理念的提出，使人們適應城市水文效應，從而使城市回歸于原始。我國目前海綿城市建設處于建設熱潮期，并面臨城市看海的困境，需對生態海綿城市建設的技術及作用進行分析。

在自然情況下，城市蓄水量變化與年降水量變化等關系較為復雜，可通過△S0=P0-R0-E0表示，在此公式中可以引入不同的常數，代表不同時段的蓄水量及徑流量等。P0表示年降水量，R0表示年徑流量，E0表示年蒸發量。△S0表示蓄水量變化。徑流系數可以利用以下公式表示：

針對本文設計的公式，能夠觀察到海綿城市年徑流量控制率并未思考雨水在陸地的蒸發量，雨水滯留儲蓄量通過生態海綿城市建設的技術理念及雨水實際滲入量等進行分析，其中明顯缺少地區水系調蓄量。

城市化背景下，水文平衡關系及蒸發關系等利用△S=P0-R1-E1表示，在此公式中，P0表示城市化后的年均降水量，R1表示城市化后的年徑流量，E1表示城市化后的年蒸發量，利用△E表示蒸發后的雨水減少量，從而得出城市化的背景下蓄水量變化△S=△S1+△S2+△S3+△S4，且：△S1=△S10-d1，△S2=△S20-d2，△S3=△S30-d3，△S4=△S40-d4，在此公式中，d1，d2，d3，d4分別表示城市化后的土壤滲透及塘堰蓄水、河湖蓄水、濕地蓄水減少量指標。城市化雨水積蓄總減少量D可利用D=d1+d2+d3+d4表示。

在城市看海問題的解決過程中，可利用消除城市化建設不利水文效應，采取工程及非線性工程將降水滲入量及蓄水量等恢復自然狀態。并客觀分析城市基礎設施建設抗洪澇災害能力。城市化最大蓄水量與海綿城市生態技術措施存在聯系，是滲水量及水塘等蓄水量的總和。針對城市看海問題，還需進一步分析，建立全方位的監測系統，從而利用海綿城市建設恢復生態，實現綠色發展目標。

4 結束語

我國海綿城市建設處于初級階段，目前存在的問題還無法全部解決，但建設已經初見成效，在水文學研究方面，還需加大研究力度，通過有效的計算方式，規劃建設目標，滿足海綿城市建設需求，解決城市看海問題，使洪澇災害不會對人們的生活質量產生影響。

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