城市化对水文情势的影响浅析

叶志辉

摘要:为了研究城市化对环境造成的影响,以观澜河流域为研究对象,文章对深圳市城市化前后的水文情势的变化进行分析,并寻求能够缓解及解决城市化所带来的不利影响。

关键词:深圳城市化;观澜河;水文情势

中图分类号:P33文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)21-0078-02

城市化水文效应是一个公众尚未熟知的概念,它是指在快速城市化区域,由于屋顶和硬质地面等不渗透面积的大幅增加,导致该地区的雨水汇流特征改变的现象,其表现为洪水总量增多,洪峰流量加大,洪水汇流时间缩短。简单说就是城市化产生的不渗透地面把本应渗入土中的一部分雨水给截留了,从而更易产生洪灾。

一、城市化概述

城市化的快速发展,不但改变了自然地形地貌,以不透水地面铺砌代替原有的透水土壤和植被,造成下渗与

蒸发的显著减少,使同等强度暴雨下增大地表径流量,增大洪峰流量,增大防洪与排水压力,另一方面,城市化过程中工业化的结果,产生大量污水,污染河湖等水域,减少了水资源的可利用量,造成供水的不足,又同时制约了经济的发展。

深圳是一个经济高速发展、人口急剧增长的新兴城市,一方面,随着城市化进程加快、城市范围的扩大,不透水面积增加,使江河水文情势和城市地区的下垫面条件出现较大改变,从而带来一系列防洪(潮)新问题;另一方面,由于过去的水文观测及研究比较薄弱,历史资料短缺,无法为规划、设计工作提供可靠的数据。随着深圳市科学技术的提高,对水文分析计算的要求愈来愈高,《广东省暴雨径流查算图表》已经不能满足深圳市水文计算要求,主要有以下几方面的原因:(1)城市面积增加和不透水程度的加强,城市化对局部地区水文特征产生了愈来愈明显的影响;(2)广东省暴雨径流查算图的历次洪水经验总结而得的参数距今已近20年,如今水文地理条件上已发生较大的变化。

因此,当前的水利工作中,迫切需要将城市水文进行研究。本次以观澜河流域为研究对象,对流域城市化的影响进行了研究,重点选取了观澜河流域内三种具有代表性的片区进行研究,特点如下:(1)白花河社区:主要表现为片区内大面积鱼塘由于城市发展而变成不透水硬化面积。本次主要研究在大面积鱼塘转化后对地表水文情势的影响。(2)岗头河下雪村片区:该片区随着周边片区城市化的发展,下垫面情况变化较大,区内一小(二)型水库经废弃改造。本次主要研究在大面积下垫面面积变化的同时,水库废弃对片区水文情势的影响。(3)油松河龙华新城片区:该片区城市化主要表现为片区内由于居住人口的增加,大部分面积变成居住用地,硬化面积比重加大。本次主要研究硬化面积的变化对河道水文情势的影响。

该研究将在现有研究工作的基础上,将整个流域分为城市区和山丘区两种地貌类型。分析该片区有关的水文、洪水特性和下垫面变化状况,在此基础上,建立其反映区域水文特点的水文模型。

城市水文效应是城市人类活动与水相互关系的重要问题,它对局部水分循环和水量平衡有着明显的影响。又与城市的气候效应、环境效应、社会经济效应密切相关。对它的研究要涉及多种学科的理论,为城市建设服务打下基础。

二、观澜河流域的水文情况

观澜河流域位于深圳市中北部,是东江水系石马河的上游段,源于大脑壳山,自南向北流经布吉街道、平湖街道、龙华街道、观澜街道、光明农场,在观澜街道企坪下进入东莞市境内,交界处以上集雨面积189.3km2,河长22.56km,河流平均比降2.12‰,是深圳市五大河流之一。

流域内总的地势是南高北低,西高东低,属丘陵谷地地貌带。观澜河的河谷地貌特征表现为:河谷较顺直,谷地平原较窄,河谷横剖面也较简单,无阶地发育,两侧的地形面对称。

流域中上游土壤为花岗岩风化赤红壤为主,下游为砂页岩风化赤红壤为主,局部(白花河下游)分布有片岩及片麻岩。流域土壤大体主要分五类:(1)花岗岩石地红壤,主要分布在羊台山,低山高丘地带;(2)花岗岩赤红壤,广泛分布在流域低丘及台地区,风化层深厚,含砂量高,淋溶作用强烈;(3)砂页岩赤红壤,主要分布在流域下游及鸡公山地带,土层较薄,夹有半风化的母岩碎块;(4)侵蚀赤红壤,广泛分布在流域低丘及台地区,成土母质以花岗岩风化壳为主;(5)河谷冲积田,发育在河岸冲积平原及冲积阶地上,主要有河砂质田、河沙泥田和河泥田。

由于中上游森林植被覆盖较差,近年来大规模的开发建设,水土保持措施不足,造成流域内水土流失极为严重。

蓄水工程:观澜河流域内已建有小(二)型以上蓄水工程28宗。观澜河流域地处北回归线以南,属南亚热带海洋性季风气候。夏季长,冬季不明显,气候温和,光照充足,雨量充沛。夏季受热带气旋控制,盛行东南风和西南风。二三月份受海洋暖气流与北方冷空气影响,多为阴雨天气;四月份起至六月份为前汛期,以锋面雨为主;七至九月,太平洋及南海生成的热带气旋和台风,带来了大量的水汽,形成热带风暴雨。台风是本地区主要的灾害性天气,台风带来暴雨或大暴雨,造成洪水泛滥,人民生命财产受到威胁。十一月份起西风环流加剧,降水量明显减少。

据深圳气象台资料统计,多年平均气温为22℃,多年平均雨日140天。多年平均相对湿度为79%,多年平均气压为1010.8mbar。多年平均蒸发量为1345.7mm,多年平均风速为2.6 m/s,多年平均最大风速为22.8m/s。

流域内降雨量年际、年内间分布不均。观澜河无客水经过,属于雨源型河流,其径流、洪水的形成与暴雨均有重要的关系。本地区雨量主要集中在4~9月,往往是由台风带来的暴雨,一场暴雨即引发一次洪水,反映在洪水暴涨暴落,径流、流量变幅大,洪水暴涨暴落等的特性尤为突出。

流域内共有高峰、茜坑和甘坑三个雨量站,临近流域有石岩雨量站、西沥雨量站和梅林雨量站。各雨量站情况见表1:

三、城市化对流域雨洪和流域降水量的影响

(一)城市化对流域雨洪的影响

城市化对流域雨洪的影响物理机制主要有:(1)城市热岛效应;(2)城市阻碍效应;(3)凝结核效应。

(二)城市化对流域降水量的影响

通过对流域内高峰雨量站1962~2002资料系列的分析,流域年降雨总量并没有发生较大的变化,但降雨天数及暴雨次数却有明显的增加现象,流域降雨主要是因为海洋水汽受山脉抬升影响所致,流域年总降雨量多年来相差不大,但流域城市化造成城市水面面积减少,城市硬化地面增多,城市凝结核效应增强,降雨天数有明显增加的趋势。具体的流域历年降雨天数变化趋势与降雨量变化趋势见表2:

(三)城市化对流域雨强的影响

流域由于“热岛效应”使空气层极不稳定,以及“阻障效应”引起机械湍流促使城市上空热力对流发展,对流性降水有所增加,而势必对流形成的雷雨范围小,雨势急,时间短,造成城市雨强较郊区大。观澜河流域80年代以前,流域年最大1日暴雨量基本上比较均匀,80年代以后,暴雨量变化幅度较大,极不均匀,个别年份最大暴雨量为其他年份的两倍。

(四)城市化对流域洪水的影响

城市化后流域下垫面变化情势,在深圳90年代初以来,经济迅速发展,城市化进程加快,导致城市硬化面积增多,流域产水量增多,洪峰变大。

城市化影响不仅是表现在流域不透水面积增大,导致流域产水量增多,更主要的是表现在洪水传播的变化上。城市化进程中,河道整治所带来的河道糙率减小,截弯取直等因素大大减少了流域汇流时间,降低了河道的调蓄能力,导致发生暴雨时,洪峰明显提前,若下游不做好洪水疏导措施,则对沿河的防洪建筑物都是一个很大的考验。以临近流域龙岗河为例,该流域经过多年城市化改造,流域内河道基本完成防洪改造,断面规整,城市化前后洪水过程变化(如图1),当发生同等强度的降雨过程时,由于汇流时间缩短,洪峰产生时间提前。

(五)城市化对流域水环境的影响

城市化是一个复杂的空间形态变化和社会、经济发展过程。我国城市化水平总体来说不高,但发展速度较快,尤其是改革开发以来,发展速度已接近发展中国家的平均水平。如此快的增长速度带来了人口的迅速增长,工业化进程加快,但与此同时也带来大量的生活污染、工业污染,加重了环境的承受压力,污染治理措施的滞后和人们环境意识的薄弱更是造成现在环境及水体严重污染的最主要原因。根据观测数据,观澜河溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、非离子氨、挥发酚、石油类和总磷的年均值超过Ⅲ类标准,悬浮物、亚硝酸盐氮、总汞、总镉和六价铬的监测值也出现超标,水质类别为劣Ⅴ类。城市化所带来的水环境污染问题较为严重。

针对城市化后,造成流域暴雨量增加、洪峰流量增加、流域产汇流时间提前、流域水环境问题日益严峻等问题,为城市河流防洪排涝带来了大量的难题,但同时也为河道水环境综合整治带来很大的考验和契机。

1.针对城市化后流域暴雨量的增加。针对城市化后,热岛效应、降雨凝结核增多等问题造成流域降雨量增多,雨强增大,解决的方法主要有:(1)增加城市植被覆盖率,以增强空气质量,增加空气中的负离子浓度,减少空气尘埃数量,致使降雨凝结核减少,降低降雨次数;(2)增加城市水面面积的总量,提高城市水面率,从而使流域降雨强度减小。

2.针对城市化后洪峰流量增加,流域产汇流时间提前。针对城市化后,不透水硬化地面的增加,下垫面情况变化造成流域产汇流时间缩短,洪峰流量增加,根据各河道实际情况,采取不同的工程措施:(1)对条件允许的河道进行拓宽加高,提高河道防洪能力,从根本上解决河道防洪隐患;(2)对穿过城市人口密集区的河道,无条件拓宽或加高的,在流域内寻求合适的地区建立多功能滞洪区等工程措施减轻河道的防洪压力。

3.针对城市化后带来的水环境问题。针对城市化后所引起的人口数量增加,环境自净能力减弱,周边环境特别是水环境日益恶化等问题,主要还是依靠在努力提高片区流域截污治污的工程措施外,提高经济集约化程度,增加科技含量,提高原料利用率,降低污染排放量,同时还要通过宣传环保知识,培养和提高公民的环保意识。

4.多功能调蓄湖雨洪利用。建立多功能调蓄湖,在雨季可起流域调蓄洪水的作用,延缓流域汇流时间,起到削峰滞洪的作用;在非雨期可利用湖泊蓄水库容,蓄引境外水量或雨洪资源,提高片区供水保证率需或仅作为湖区内部绿化、景观用水。

在经济化和科技化的时代,我们不仅要加快前进的步伐,也要想到其对环境所造成的影响。在观澜河流域的水文数据上表明,深圳在城市化同时,也带来了很多的对环境上的影响。如果我们不认真地分析和思考,解决相应的突发性问题,那么就会带来很多不必要的损失,更有可能带来无尽的灾难。所以,在能适应新的水文情势的水文分析方法面世之前,对城市化水文影响的分析和讨论是非常有必要和值得坚持的。