城市化對水文情勢的影響淺析

葉志輝

摘要:為了研究城市化對環境造成的影響,以觀瀾河流域為研究對象,文章對深圳市城市化前后的水文情勢的變化進行分析,并尋求能夠緩解及解決城市化所帶來的不利影響。

關鍵詞:深圳城市化;觀瀾河;水文情勢

中圖分類號:P33文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)21-0078-02

城市化水文效應是一個公眾尚未熟知的概念,它是指在快速城市化區域,由于屋頂和硬質地面等不滲透面積的大幅增加,導致該地區的雨水匯流特征改變的現象,其表現為洪水總量增多,洪峰流量加大,洪水匯流時間縮短。簡單說就是城市化產生的不滲透地面把本應滲入土中的一部分雨水給截留了,從而更易產生洪災。

一、城市化概述

城市化的快速發展,不但改變了自然地形地貌,以不透水地面鋪砌代替原有的透水土壤和植被,造成下滲與

蒸發的顯著減少,使同等強度暴雨下增大地表徑流量,增大洪峰流量,增大防洪與排水壓力,另一方面,城市化過程中工業化的結果,產生大量污水,污染河湖等水域,減少了水資源的可利用量,造成供水的不足,又同時制約了經濟的發展。

深圳是一個經濟高速發展、人口急劇增長的新興城市,一方面,隨著城市化進程加快、城市范圍的擴大,不透水面積增加,使江河水文情勢和城市地區的下墊面條件出現較大改變,從而帶來一系列防洪(潮)新問題;另一方面,由于過去的水文觀測及研究比較薄弱,歷史資料短缺,無法為規劃、設計工作提供可靠的數據。隨著深圳市科學技術的提高,對水文分析計算的要求愈來愈高,《廣東省暴雨徑流查算圖表》已經不能滿足深圳市水文計算要求,主要有以下幾方面的原因:(1)城市面積增加和不透水程度的加強,城市化對局部地區水文特征產生了愈來愈明顯的影響;(2)廣東省暴雨徑流查算圖的歷次洪水經驗總結而得的參數距今已近20年,如今水文地理條件上已發生較大的變化。

因此,當前的水利工作中,迫切需要將城市水文進行研究。本次以觀瀾河流域為研究對象,對流域城市化的影響進行了研究,重點選取了觀瀾河流域內三種具有代表性的片區進行研究,特點如下:(1)白花河社區:主要表現為片區內大面積魚塘由于城市發展而變成不透水硬化面積。本次主要研究在大面積魚塘轉化后對地表水文情勢的影響。(2)崗頭河下雪村片區:該片區隨著周邊片區城市化的發展,下墊面情況變化較大,區內一小(二)型水庫經廢棄改造。本次主要研究在大面積下墊面面積變化的同時,水庫廢棄對片區水文情勢的影響。(3)油松河龍華新城片區:該片區城市化主要表現為片區內由于居住人口的增加,大部分面積變成居住用地,硬化面積比重加大。本次主要研究硬化面積的變化對河道水文情勢的影響。

該研究將在現有研究工作的基礎上,將整個流域分為城市區和山丘區兩種地貌類型。分析該片區有關的水文、洪水特性和下墊面變化狀況,在此基礎上,建立其反映區域水文特點的水文模型。

城市水文效應是城市人類活動與水相互關系的重要問題,它對局部水分循環和水量平衡有著明顯的影響。又與城市的氣候效應、環境效應、社會經濟效應密切相關。對它的研究要涉及多種學科的理論,為城市建設服務打下基礎。

二、觀瀾河流域的水文情況

觀瀾河流域位于深圳市中北部,是東江水系石馬河的上游段,源于大腦殼山,自南向北流經布吉街道、平湖街道、龍華街道、觀瀾街道、光明農場,在觀瀾街道企坪下進入東莞市境內,交界處以上集雨面積189.3km2,河長22.56km,河流平均比降2.12‰,是深圳市五大河流之一。

流域內總的地勢是南高北低,西高東低,屬丘陵谷地地貌帶。觀瀾河的河谷地貌特征表現為:河谷較順直,谷地平原較窄,河谷橫剖面也較簡單,無階地發育,兩側的地形面對稱。

流域中上游土壤為花崗巖風化赤紅壤為主,下游為砂頁巖風化赤紅壤為主,局部(白花河下游)分布有片巖及片麻巖。流域土壤大體主要分五類:(1)花崗巖石地紅壤,主要分布在羊臺山,低山高丘地帶;(2)花崗巖赤紅壤,廣泛分布在流域低丘及臺地區,風化層深厚,含砂量高,淋溶作用強烈;(3)砂頁巖赤紅壤,主要分布在流域下游及雞公山地帶,土層較薄,夾有半風化的母巖碎塊;(4)侵蝕赤紅壤,廣泛分布在流域低丘及臺地區,成土母質以花崗巖風化殼為主;(5)河谷沖積田,發育在河岸沖積平原及沖積階地上,主要有河砂質田、河沙泥田和河泥田。

由于中上游森林植被覆蓋較差,近年來大規模的開發建設,水土保持措施不足,造成流域內水土流失極為嚴重。

蓄水工程:觀瀾河流域內已建有小(二)型以上蓄水工程28宗。觀瀾河流域地處北回歸線以南,屬南亞熱帶海洋性季風氣候。夏季長,冬季不明顯,氣候溫和,光照充足,雨量充沛。夏季受熱帶氣旋控制,盛行東南風和西南風。二三月份受海洋暖氣流與北方冷空氣影響,多為陰雨天氣;四月份起至六月份為前汛期,以鋒面雨為主;七至九月,太平洋及南海生成的熱帶氣旋和臺風,帶來了大量的水汽,形成熱帶風暴雨。臺風是本地區主要的災害性天氣,臺風帶來暴雨或大暴雨,造成洪水泛濫,人民生命財產受到威脅。十一月份起西風環流加劇,降水量明顯減少。

據深圳氣象臺資料統計,多年平均氣溫為22℃,多年平均雨日140天。多年平均相對濕度為79%,多年平均氣壓為1010.8mbar。多年平均蒸發量為1345.7mm,多年平均風速為2.6 m/s,多年平均最大風速為22.8m/s。

流域內降雨量年際、年內間分布不均。觀瀾河無客水經過,屬于雨源型河流,其徑流、洪水的形成與暴雨均有重要的關系。本地區雨量主要集中在4~9月,往往是由臺風帶來的暴雨,一場暴雨即引發一次洪水,反映在洪水暴漲暴落,徑流、流量變幅大,洪水暴漲暴落等的特性尤為突出。

流域內共有高峰、茜坑和甘坑三個雨量站,臨近流域有石巖雨量站、西瀝雨量站和梅林雨量站。各雨量站情況見表1:

三、城市化對流域雨洪和流域降水量的影響

(一)城市化對流域雨洪的影響

城市化對流域雨洪的影響物理機制主要有:(1)城市熱島效應;(2)城市阻礙效應;(3)凝結核效應。

(二)城市化對流域降水量的影響

通過對流域內高峰雨量站1962~2002資料系列的分析,流域年降雨總量并沒有發生較大的變化,但降雨天數及暴雨次數卻有明顯的增加現象,流域降雨主要是因為海洋水汽受山脈抬升影響所致,流域年總降雨量多年來相差不大,但流域城市化造成城市水面面積減少,城市硬化地面增多,城市凝結核效應增強,降雨天數有明顯增加的趨勢。具體的流域歷年降雨天數變化趨勢與降雨量變化趨勢見表2:

(三)城市化對流域雨強的影響

流域由于“熱島效應”使空氣層極不穩定,以及“阻障效應”引起機械湍流促使城市上空熱力對流發展,對流性降水有所增加,而勢必對流形成的雷雨范圍小,雨勢急,時間短,造成城市雨強較郊區大。觀瀾河流域80年代以前,流域年最大1日暴雨量基本上比較均勻,80年代以后,暴雨量變化幅度較大,極不均勻,個別年份最大暴雨量為其他年份的兩倍。

(四)城市化對流域洪水的影響

城市化后流域下墊面變化情勢,在深圳90年代初以來,經濟迅速發展,城市化進程加快,導致城市硬化面積增多,流域產水量增多,洪峰變大。

城市化影響不僅是表現在流域不透水面積增大,導致流域產水量增多,更主要的是表現在洪水傳播的變化上。城市化進程中,河道整治所帶來的河道糙率減小,截彎取直等因素大大減少了流域匯流時間,降低了河道的調蓄能力,導致發生暴雨時,洪峰明顯提前,若下游不做好洪水疏導措施,則對沿河的防洪建筑物都是一個很大的考驗。以臨近流域龍崗河為例,該流域經過多年城市化改造,流域內河道基本完成防洪改造,斷面規整,城市化前后洪水過程變化(如圖1),當發生同等強度的降雨過程時,由于匯流時間縮短,洪峰產生時間提前。

(五)城市化對流域水環境的影響

城市化是一個復雜的空間形態變化和社會、經濟發展過程。我國城市化水平總體來說不高,但發展速度較快,尤其是改革開發以來,發展速度已接近發展中國家的平均水平。如此快的增長速度帶來了人口的迅速增長,工業化進程加快,但與此同時也帶來大量的生活污染、工業污染,加重了環境的承受壓力,污染治理措施的滯后和人們環境意識的薄弱更是造成現在環境及水體嚴重污染的最主要原因。根據觀測數據,觀瀾河溶解氧、高錳酸鹽指數、生化需氧量、非離子氨、揮發酚、石油類和總磷的年均值超過Ⅲ類標準,懸浮物、亞硝酸鹽氮、總汞、總鎘和六價鉻的監測值也出現超標,水質類別為劣Ⅴ類。城市化所帶來的水環境污染問題較為嚴重。

針對城市化后,造成流域暴雨量增加、洪峰流量增加、流域產匯流時間提前、流域水環境問題日益嚴峻等問題,為城市河流防洪排澇帶來了大量的難題,但同時也為河道水環境綜合整治帶來很大的考驗和契機。

1.針對城市化后流域暴雨量的增加。針對城市化后,熱島效應、降雨凝結核增多等問題造成流域降雨量增多,雨強增大,解決的方法主要有:(1)增加城市植被覆蓋率,以增強空氣質量,增加空氣中的負離子濃度,減少空氣塵埃數量,致使降雨凝結核減少,降低降雨次數;(2)增加城市水面面積的總量,提高城市水面率,從而使流域降雨強度減小。

2.針對城市化后洪峰流量增加,流域產匯流時間提前。針對城市化后,不透水硬化地面的增加,下墊面情況變化造成流域產匯流時間縮短,洪峰流量增加,根據各河道實際情況,采取不同的工程措施:(1)對條件允許的河道進行拓寬加高,提高河道防洪能力,從根本上解決河道防洪隱患;(2)對穿過城市人口密集區的河道,無條件拓寬或加高的,在流域內尋求合適的地區建立多功能滯洪區等工程措施減輕河道的防洪壓力。

3.針對城市化后帶來的水環境問題。針對城市化后所引起的人口數量增加,環境自凈能力減弱,周邊環境特別是水環境日益惡化等問題,主要還是依靠在努力提高片區流域截污治污的工程措施外,提高經濟集約化程度,增加科技含量,提高原料利用率,降低污染排放量,同時還要通過宣傳環保知識,培養和提高公民的環保意識。

4.多功能調蓄湖雨洪利用。建立多功能調蓄湖,在雨季可起流域調蓄洪水的作用,延緩流域匯流時間,起到削峰滯洪的作用;在非雨期可利用湖泊蓄水庫容,蓄引境外水量或雨洪資源,提高片區供水保證率需或僅作為湖區內部綠化、景觀用水。

在經濟化和科技化的時代,我們不僅要加快前進的步伐,也要想到其對環境所造成的影響。在觀瀾河流域的水文數據上表明,深圳在城市化同時,也帶來了很多的對環境上的影響。如果我們不認真地分析和思考,解決相應的突發性問題,那么就會帶來很多不必要的損失,更有可能帶來無盡的災難。所以,在能適應新的水文情勢的水文分析方法面世之前,對城市化水文影響的分析和討論是非常有必要和值得堅持的。