时间：2023-07-25 17:16:57
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇海绵城市的缺点，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：海绵城市 安阳市 城市改造 建议
中图分类号：F291
文献标识码：A
文章编号：1004-4914（2016）08-203-02
一、海绵城市的概念
海绵城市，简单地来理解，就是城市像海绵一样，在降雨过程中将雨水收集起来，等待需要的时候在释放出来，用于灌溉、冲洗路面、补充景观水体。城市可以像海绵一样压缩和恢复，能够最大限度上地防洪减灾。城市的“海绵体”不仅包括小区建筑物的屋顶、植草沟、园林绿化、透水铺装等，还包括城市的各种水系，例如江、河、各种自然人工湖等。
传统城市，未能考虑城市降水资源的综合利用，只考虑到“排”。传统城市雨水通过管道将雨水快速排出城市。随着传统城市的不断发展，道路硬化增多，不透水的路面面积大大增加，盲目的发展使得雨水无法下渗到土地内，这样就造成了城市的内涝和径流污染发生次数大大增加。和传统城市不同，海绵城市可以有效地解决城市内涝问题，对于维持房地产开发前后的水文特征，维持人与自然的和谐发展有着极其重要的作用。
二、安阳市城市概况
河南省安阳市处于太行山脉与华北平原交界的过渡地带，地势总趋势为西高东低，自西向东呈阶梯式下降，大致以京广铁路为界，西部为山丘区，间有小型盆地，最高山峰海拔1632米。安阳市东部为冲击平原，最低洼地海拔高度为50米。地貌由山地、山间盆地、丘陵、平原、岗地、泊洼六种自然形态组成。
安阳市全市多年平均水资源总量为16.403亿m3，人均水资源占有量为322m3/人，亩均水资源占有量301m3/亩，低于河南省人均占有量470m3/人、亩均占有量400m3/亩的水平，分别为全国人均水资源占有量的七分之一，亩均水资源占有量的六分之一，属于水资源匮乏，供需矛盾严重的地区。
三、海绵城市的构成
海绵城市利用低影响开发雨水系统，使得开发前后的环境水文保持不变，能够使得城市像海绵一样吸收和释放雨水，达到调节环境的目的。低影响开发影响的种类有很多，以下就介绍几种低影响开发设施。
绿色屋顶，顾名思义是将植被种植于各类建筑的屋面、天台、露台等。绿色屋顶由建筑屋顶的结构层、防水层、保护层、排水层、隔离滤水垫层、蓄水层和种植基质、植被层组成。绿色屋顶可以有效地增加小区的人均绿化面积，以30万m2的住宅小区为例，假设屋顶面积为25%，则将近有7.5万m2的绿化面积；传统的屋面材料在视觉上观感较差，绿色屋顶则能带给人赏心悦目的感觉；绿色屋顶还能调节屋顶温度，研究表明，在夏日屋顶最高温度可达80摄氏度，而冬天最低可达零下20摄氏度，巨大的温差容易导致屋面材料老化，而绿色屋顶可以克服这一缺点，种植植被的屋面夏季温度通常可以保持在20～25℃，可以有效地防止屋面的老化变形，减小了屋面裂缝的可能，提高了建筑物的使用寿命。同时在冬季，绿色屋顶可以起到保温的作用，统计表明，冬季无绿色屋顶的屋面比有绿色屋顶的屋面温度低2.4℃；绿色屋顶可以有效地截留雨水，削减雨水径流总量，减少排水不畅和洪涝灾害。同时，绿色屋可有效的节约水资源，促进环境的保护和水循环的平衡；绿色屋顶可以吸收空气中的灰尘及二氧化碳，减少温室效应。植物可以通过光合作用及叶片的吸附等作用，对空气污染进行削减。同时，绿色屋顶可以通过绿化层的滞留、吸收，将屋顶的污染物有效削减。从而保护大气环境和水环境，免受破坏。
透水铺装是指将孔隙率较高、透水性较好的材料应用于道路路面。它可以使雨水进入透水铺装的内部，贮存适量的雨水或随内部的排水管道排出，减少洪峰流量，削减径流系数。透水铺装由土基、垫层、基层、过滤层、面层等构成。透水铺装可以有效的削减径流流量，使雨水迅速的入渗，减少洪涝灾害的风险；使得水资源得到有效的补充，利于生态环境的保护；透水铺装可以使路面无积水或有少量积水，从而增强道路的安全性能，保证了行人和驾驶人员的生命安全；透水铺装的较大孔隙不仅可以吸收噪音，还可以缓解温室效应，使得路面温度得到有效的降低，延长道路的寿命。
植草沟又称为植被浅沟，是一种种植有植被的具有景观欣赏性的地表沟渠，它可以通过重力流收集、转输和排放雨水。植被浅沟既是一种径流传导的设施，也可以与低影响开发的其他设施一起，输送径流雨水并且收集、净化雨水。植被浅沟根据构造的不同，共分为干式植被浅沟、湿式植被浅沟和转输型植被浅沟三种。植草沟可以有效地滞留雨水，促进土壤的渗透。同时，它还可以减缓雨水的流速，保持水土，削减径流量。植草沟对于污染物的去除和迁移也起到了较好的作用。
雨水花园通常建设在地势低洼的地区，由种植的植物来实现初期雨水的净化和消纳，是低影响开发技术的一项重要措施。雨水花园具有造价低、管理维护方便，易于与当地的景观所融合等特点。它被欧、美等多个国家广泛应用在居住小区、商业区等不同的地区。雨水花园主要由蓄水层、覆盖层、种植土层、人工填料层和砾石层等五部分组成。重金属、沉淀物等不同的污染物质随雨水径流汇入雨水花园。通过植物的吸收、微生物的作用等，将污染物去除。植物的根系，对土壤的净化也起到了一定的作用。雨水花园可以有效地去除氮、磷等污染物，与传统的措施相比，具有成本低、与周围环境融合度高、不产生其他污染等优点。
下沉式绿地有广义和狭义之分，广义的下沉式绿地除包括了狭义之外，还包括渗透塘、雨水湿地、生物滞留设施等；狭义的下沉式绿地，又叫下凹式绿地，低势绿地，指高程低于周围的路面或铺砌硬化地面约20cm内的绿地。下沉式绿地可以在降雨时，让雨水较大程度的入渗至绿地中，滞留大量的雨水，避免了传统方式中雨水管渠的阻塞、下水缓慢等问题。雨水中携带了较多的有机污染物和无机物等，随着雨水径流进入下沉式绿地。下沉式绿地可有效的阻断面源污染，使污染物得到削减。下沉式绿地的建设，减少了雨水检查井的修砌，避免了雨水井盖的偷盗事件，确保了行人的安全，防止伤人事故。
蓄水池指专门储存雨水的收集利用设施，同时它能够削减洪峰流量。蓄水池需结合当地的土质、地形等条件，可选用钢筋混凝土、砖砌等多种形式，用于地上或地下。蓄水池可用于具有雨水回用要求的小区等，回用的雨水可用于冲厕、浇洒绿地、景观用途等。
湿塘是指具有收集雨水和净化雨水的功能，是景观水体的一种。湿塘能够在平时发挥其景观功能，供人们休闲和娱乐。在降雨时，发挥雨水调蓄的功能。湿塘可以用在居住小区、公园、广场等具有较大空间的地方，对于生态保护和丰富居民生活有着重要意义。
四、构成海绵城市低影响开发小区案例研究
低影响开发的技术措施的探讨，主要是为了指导工程实践，为建设海绵城市奠定坚实的基础。下面通过对安阳市某小区的工程案例的模拟，探究低影响开发技术措施的环境效益、经济效益和社会效益，同时利于低影响开发技术措施的推广与应用。
御水园商住小区建设项目位于安阳市中华路与金沙大道东北角，项目规划总用地面积21.5公顷，规划总建筑面积71.07万m2，容积率2.47，建筑密度22.05%，绿地率达42.35%。项目主要由23栋高层住宅楼和17栋多层住宅楼组成，设计总户数约3295户。小区以水为名，小区内有河流通过，正符合了海绵城市合理利用雨水的初衷，河道的经过也有利于小区进行低影响开发。
现对该小区低影响开发的效果进行简单的评估，以判定低影响开发技术措施对于建筑小区的作用：在建筑小区的各个高层的屋顶建设绿化屋顶，种植适宜安阳市当地的种植植物，从而削减屋顶雨水径流量，减少径流污染，提高屋顶的美观及楼宇的舒适性。小区的人行道、广场等地、非机动车道均采用透水混凝土铺设，以促进雨水的尽快渗透，减少小区雨后的积水，确保行人的安全，降低小区的噪声，减少环境污染。小区绿化均设置为下沉式绿地，下沉深度比地面高程低约100mm左右，使雨水从路缘石的缺口处流入绿地。在小区设置雨水花园，从而减少雨水的径流总量，削减径流污染，提高居住小区的生活质量。
结论
安阳市是水资源匮乏的城市，水资源有着很大的不足，同时水资源污染的问题也十分严重。由于城市化进程的不断推进，居民小区拔地而起，不透水路面面积的增大，造成了安阳市部分低洼地区逢雨必涝的现象。本论文针对以上问题进行分析研究，得出以下结论：
海绵城市安阳市小区建设中应用是十分有必要的。海绵城市将传统的雨水管渠与低影响开发技术措施相结合，使得城市在小区开发前后的水文及生态环境特征保持不变，在抵抗自然灾害时，如同海绵一样，具有一定的“弹性”。在安阳市建设海绵城市，需要利用低影响开发技术措施从源头、中途和末端三方面进行控制。源头的控制，可以通过绿化屋顶、初期雨水弃流、渗透井、植被浅沟等措施实现；中途的控制，可以通过透水铺装、下凹式绿地、雨水沉淀池、滞留池等措施来实现；末端的控制，可以通过稳定塘、湿塘、人工湿地、渗透塘、雨水花园等措施来实现。
参考文献：
[1] 王建龙，车伍.低影响开发与绿色建筑[J].中国给水排水，2011，27（20）
[2] 陶一舟.城市街道雨水的管理与利用[J].园林，2007，22-23
[3] 张伟，王建龙，王思思.利用绿色基础设施控制城市雨水径流[J].中国给水排水，2011，27（4）
[4] 王莉萍，蔡峻.沣西新城打造会呼吸的“海绵城市”先行样本[N].城市学研究，2015
关键词：雨水收集；绿色建筑；0020
中图分类号：TU992 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0109-02
1 概述
近年，随着海绵城市的发展以及人们对于绿色建筑的关注度逐渐提升，雨水收集利用系统也愈发的体现了其在建筑系统中的重要性。但是由于常用的室外雨水收集池存在占地面积大，埋深要求高等缺点，尤其是对于一些位于市中心的改造项目，如何平衡用地紧张与雨水利用二者关系成为很多建设单位的关注点。本项目即在室外用地紧张的情况下，综合考虑设计雨水收集系统，解决了这一难题。
2 项目概况
常州市中医医院位于常州市天宁区的核心区域，西临城市主干道和平路，南临麻巷路，始建于1956年，是常州地区唯一一所集医疗、教学、科研、预防保健、急救于一体的三级甲等综合性中医医院。本次在现有院区内规划建设急诊病房综合楼，总建筑面积41993.36平方米，其中地上32309.77平方米， 地下9683.59平方米。床位数345张。主要使用功能为急诊急救、胸痛门诊、口腔门诊、中医康复及治未病、产科门诊、病房、行政办公等功能。地上19层，地下2层。
本项目由于与老楼共用院区，用地紧张，既要满足室外绿地面积及管线布置的需求，又要达到绿色二星年径流总量控制率55%的标准，考虑到室外院区无法设置安装雨水收集池，所以本项目通过在裙房屋面设置了一套雨水收集回用系统来解决这一问题。流程如下：首先主楼屋面雨水通过87式雨水管系统收集到7层裙房屋面减压初滤雨水箱中，雨水经过7层裙房屋面的减压初滤雨水箱进行减压并过滤大块颗粒物（5mm以上的颗粒物），然后进入到6层小屋面的雨水收集水箱，最后通过设置在6层小屋面的雨水消毒设备处理后，进入到室外浇洒系统进行院区的绿化。
系统流程图（如图1所示）：
3 雨水收集利用系统设备的选择
3.1 雨水收集系统计算
3.1.1 室内外雨水系统计算
采用常州市的暴雨强度公式：
q：暴雨强度L/（s・hm2）
T：重现期 a；
t：降雨历时 min；
屋面雨水量计算：降雨重现期按10a，降雨历时5min计算，q10=4.49（L/s・100m2）；
主楼屋面雨水量=ψFq=0.90*1600*4.49/100=64.66L/s
3.1.2 屋面雨水收集系统计算
公式：W=10ψFh
ψ：雨量径流系数
F：汇水面积（hm2）
h：设计降雨厚度（mm）
主楼屋面面积1600m2=0.16hm2
（1）雨水可利用量计算
参见10SS705《雨水综合利用》南京资料
降雨重现期按1a，最大降雨厚度45.6mm，弃流厚度3mm；
设计主楼屋面雨水收集量V=10*ψFhy=10*0.90*0.16*（45.6-3）=61.34m3
（2）总浇洒用水量
院区绿化面积：2600m2
室外绿化浇洒面积用水：Q=Qd*F=4*2600/1000=10.4m3
（3）院区道路面积：7500m2
室外道路浇洒面积用水：Q=Qd*F=4*7500/1000=30m3
总浇洒用水量W=10.4+30=40.4m3
（4）雨水收集池容积计算
V（61.34m3）≥W（40.4m3）
综上所述雨水收集池有效容积需大于等于61.34m3，水箱尺寸为5m*3.5m*4.5m（h），有效容积为65m3。
3.1.3 年径流总量控制率校核
已知条件：项目场地面积7783m2
参见南京55%年径流控制率对应设计控制降雨量11.5mm，场地综合径流系数：0.649， 室外院区80mm下凹绿地面积：200m2。
建设项目场地内设计降雨控制量：V=11.5/1000*7783=89.5m3
入渗实现控制率：1-0.649=0.351
实现降雨控制量：V1=89.5*0.351=31.41m3
下凹式绿地收纳容积：V2=200*0.08=16m3
通过调蓄收集回用措施的降雨控制量：V3=89.5-31.41-16=42.09m3
雨水收集池有效容积65m3>42.09m3，满足年径流总量控制率55%的要求。
3.2 雨水收集系统设备选型
3.2.1 雨水排水系统的选择与设计
根据计算，主楼屋面雨水按照十年重现期，设计排水量为64.66L/s，共设置5个DN100的87式雨水斗，设计排水能力为75L/s；减压初滤水箱进水管管径为DN250排水能力117L/s。七层裙房屋面雨水按照十年重现期，设计排水量为8.73L/s，考虑水箱事故发生的情况，在裙房屋面上设置2个DN200一个DN300的87式雨水斗，设计排水能力为96L/s，满足主楼屋面及裙房屋面的总排水量73.39 L/s的要求；六层小屋面雨水按照十年重现期，设计排水量为1.54L/s，考虑故障发生情况，共设置两个DN150的87式雨水斗，并且在女儿墙上开设一个据地面高100mm，长*宽为300*300的泄水口，设计排水能力为114L/s，满足主楼屋面及小屋面的总排水量66.2L/s的要求。
3.2.2 雨水水箱的选择与设计
根据计算，初滤减压水箱进水管管径为DN250，从主楼屋面至七层裙房屋面高差为50.7m，在雨水较大时，管道内雨水为半有压或有压流态，考虑安全因素，选择不锈钢作为水箱的材质，为了减少对水箱的冲击，进水管采用淹没出流，并且在出水口设置一个180°的向上回弯，在回弯底部开设一个De50的小孔，用于初期弃流及减压；初期污染较严重的雨水进入水箱后，先通过设置在水箱底部DN150的弃流管直接排到7层裙房屋面上，随着时间的推移，雨势逐渐增大，雨水通过设置在p压初滤水箱中打有5mm孔洞的过滤钢板网，进入到DN250的出水管里，出水管管中心距离水箱底450mm，保证弃流厚度，使进入到雨水收集水箱的雨水不存在较大的颗粒物；同时为了安全，分别在水箱中两侧各设置了一个DN250的溢水管，保证在流量较大时，也可以把超过溢流水位的雨水排到室外屋面上。减压初滤水箱作为中转水箱，设计储存不小于20%即13m3的雨水量，为了方便检修，高度不宜小于2m，故尺寸定为5m*2m*2m（h），有效容积为15m3。
减压初虑水箱剖面图（如图2所示）：
雨水从减压初滤水箱出来后，再经过设置在出水管的Y型过滤器，进一步对雨水进行过滤，随后进入到六层小屋面上的雨水收集水箱，同样考虑到安全因素，选择不锈钢作为水箱的材质，为了减少对水箱的冲击，进水管采用淹没出流，并且在出水口设置一个180°的向上回弯，在回弯底部开设一个De50的小孔，用于减压，并且在水箱中设置两根DN250溢流管，保证超过溢流水位的雨水可以及时排出。为了不影响建筑整体外立面效果，充分利用六层小屋面面积，雨水收集水箱尺寸为5m*3.5m*4.5m（h），设置两根DN50的出水管与雨水加压泵连接，经过加压的雨水先进入到全自动自清洗过滤器进行处理，再进入到紫外线消毒装置进行消毒后重力流进入到院区浇洒系统中，高差22m，经过处理后的雨水无需二次加压，即可满足浇洒使用需求。
雨水收集水箱平面图（如图3所示）：
4 结束语
在裙房屋面设置雨水收集水箱，需要充分考虑雨水收集过程及使用时的安全问题，同时由于雨水水箱往往体积较大，如何平衡建筑外立面效果及水池容积这两个问题也需要经过精心设计和充分沟通。但是，这种设计方式既可以满足绿色建筑及海绵城市的相关要求，又可以解决改造项目中室外用地紧张无法安装雨水收集池的问题，同时处理后的雨水通过重力流即可供水还可以减少二次加压产生的用电费用，在用地紧张的改造项目中，在裙房屋面设置雨水收集池不失为一种适合的解决办法。
关键词：高层建筑；抗震材料；抗震结构
中途分类号：TU5 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-01-0191-01
高层建筑是社会经济发展很科技进步的产物。随着城市的发展，城市用地紧张，市区低价日益高涨，促使近代高层建筑的出现，电梯的发明更是高层建筑越建越高。高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多样性，而且在高度上也有大幅度增长。然而一次又一次的地震灾难及教训，警示着我们。高层建筑设计及材料是工程设计面临的迫切任务。
高层抗震可选用的材料：
一、框架抗震结构
框架―剪力墙结构，俗称为框剪结构。主要结构是框架，由梁柱构成，小部分是剪力墙。墙体全部采用填充墙体，由密柱高粱空间框架或空间剪力墙所组成，在水平荷载作用下起整体空间作用的抗侧力构件。适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑。（1）、加强框架的角柱。角柱是连结纵横框架的枢纽，要增加框架的空间整体性，就要加强角柱的抗剪性能。（2）、沿周圈框架平面按K形支撑和X形支撑布置一定数量的钢筋砼抗剪墙板或配筋砌块抗剪墙板，能有效克服框架的剪力滞后现象，显著提高框架的整体性和抗推刚度，减少结构的整体侧移，特别有利于减小层间侧移。但这种结构的延性较差，因此，可以在墙板上开十字形结构竖缝使之出现薄弱部位，形成延性耗能墙板。（3）、设置偏交斜撑等赘余杆件，用弯曲耗能代替轴变耗能，其中折曲撑由钢纤维砼杆制造，偏心连结支撑可用钢杆或劲性钢筋砼杆组成。在强烈地震作用下，一方面可利用这些赘余杆件的先期屈服和变形来耗散能量，另一方面当赘余杆件破坏或退出工作后，使得结构由一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，引起结构自振周期的改变，以避开地震卓越周期的长时间持续作用所引起的共振效应。
.在框剪结构中，保护和改善剪力墙的抗震性能是关键。增加多道抗震防线和延性耗能机构是提高结构抗震性能的有效途径。协调各构件的刚度、承载力和延性相匹配，可大大提高框剪结构的空间整体性能和抗震可靠度。
二、加气混凝土
加气混凝土是一种轻质多空，保温隔热，防火性能良好，可腚，可锯，可刨和具有一定抗震能力的新型建筑材料。加气混凝土是以硅质材料（砂、粉煤灰及含硅尾矿等）和钙质材料（石灰、水泥）为主要原料，掺加发气剂（铝粉），通过配料、搅拌、浇注、预养、切割、蒸压、养护等工艺过程制成的轻质多孔硅酸盐制品。 因其经发气后含有大量均匀而细小的气孔，故名加气混凝土。英文：Autoclaved aerated concrete （AAC）。分类从广义上来讲是所有加了气的混凝土，包括加气混凝土砌块，泡沫混凝土及加了引气剂的混凝土。狭义上的讲就是加气混凝土砌块。一般根据原材料的类别、采用的工艺及承担的功能进行分类。加气混凝土按形状，可分为各种规格砌块或板材。加气混凝土按原料，基本有三种：（水泥，石灰，粉煤灰加气砖）；（水泥，石灰，砂加气砖）；（水泥，矿渣，砂加气砖）加气混凝土按用途，可分为非承重砌块、承重砌块、保温块、墙板与屋面板五种。加气混凝土的特性由于加气混凝土具有容重轻、保温性能高、吸音效果好，具有一定的强度和可加工性等优点，是我国推广应用最早，使用最广泛的轻质墙体材料之一。性能优点：质轻 防火 隔音 保温 抗渗 抗震 环保 耐久 快捷 经济
高层框架建筑。多年的实践证明。加气混凝土在高层框架建筑中的应用是经济合理的，特别是用砌块来砌筑内外墙，已普遍得到社会的认同。抗震地区建筑。由于加气混凝土自重轻，其建筑的地震为就小，对抗震有利，和砖混建筑相比，同样的建筑，同样的地震条件下，震害程度相差一个地震设计设防级别，如砖混建筑在达7度设防，它会受破坏，而此时加气混凝土建筑只达6度设防，就不会破坏。1975年海城地震时，30余幢多孔混凝土建筑展害轻微，而邻近的砖混建筑则震害严重；1976年唐山地震时，北京市白家庄的一栋五层加气混凝土承重楼，自重仅700kg/m2，当时处于地震烈度为6度强的情况下，震后没有出现新的裂缝，而在50m处的四层混合结构的住宅，下部却产生大斜裂缝。严寒地区建筑。加气混凝土的保温性能好，它200mm厚的墙的保温效果相当于490mm厚的砖墙的保温效果，因它在寒冷地区的建筑经济效果突出，有竞争力。软质地基建筑。在相同地基条件下，加气混凝土建筑的层数可以增多，经济上有利。 加气混凝土主要缺点是收缩大，弹性模量低，怕冻害，因此加气混凝土不适合下列场合，温度大于80℃的环境，有酸、碱危害的环境；长期潮湿的环境，特别是在寒冷地区尤应注意。3抗震防水建筑材料；4碳纤维复合材料；具有抗拉强度高，密度小，耐腐蚀性和耐久性好等优点。5缓冲抗震材料；聚乙烯，EVA，EPE，橡胶，海绵等。6高速公路地下防潮抗震材料――XPS挤塑板7一种隔热抗震幕墙复合材料――由内层板，中间层，聚氨酯发泡塑料，外层板，蜂窝支架组成。
三、结束语
经济安全是抗震设计的重要技术政策。从长远来看，如何从我国高层建筑抗震设计现状及国际高层抗震设计发展趋势出发，探求一种新型的结构与材料的应用，应该成为地震区高层建筑的发展新方向。
参考文献：
[1]《抗震结构设计》（化工版） 抗震结构设计
[2]《抗震结构设计》（武工版）
1.1城市化的水文效应研究
综合已有研究,将城市化过程中对区域水循环和水文过程产生的影响以及由此引发的水文现象称为城市化水文效应.从水文过程的本身来看,城市化带来的水文过程效应主要包括:城市降雨过程特征突变、城市耗散强度增大以及城市产汇流过程畸变等.对于城市降雨过程,众多研究表明,城市市区内的降水量显著高于郊区降水量,城市周围降水时空趋势性分布十分明显.其主要原因是城市化对水分和能量收支的影响,这些影响被称之为城市“热岛效应”、“雨岛效应”、城市“干/湿岛效应”等.其中,城市“雨岛效益”和“干/湿岛效应”与城市“热岛效应”密切相关.在城市“热岛效应”方面,Gedzelman等人、Champollion等人、Bottyan和Unger、Nadir基于城区和郊区的气温观测数据分别研究了美国纽约、法国巴黎、匈牙利塞巨(Szged)、苏丹喀土穆等城市的热岛效应,发现纽约城市热岛效应最强,城区和郊区的气温差最高可达8℃.张景哲等人、周淑贞对北京、上海的“热岛效应”做了系统研究.在“热岛效应”定量模拟方面,日本学者Kimura和Takahashi,Toshiaki和Kazuhiro建立了人工热排放(包括汽车尾气、工业废热、人工取暖等)的精细模拟模型,绘制了较为详细的逐日和年际人工热排放变化图.香港城市大学Chan教授建立了考虑热岛效应的城区温度变化修正曲线.在“雨岛效应”方面,黄国如和何泓杰,王栋成等人在济南的研究表明:“雨岛效应”导致城市增雨率约为10%;曹琨等人选取1959~2007年上海市龙华站降水、气温资料及青浦、嘉定降水资料,运用累积曲线、距平统计和相对偏差对比等方法对上海地区降水量进行统计分析,发现“雨岛效应”主要集中于汛期5~10月,市区降水平均年增长率为郊区的1.6倍;目前,在国际上关于“雨岛效应”具有2个基本观点:一是城市化导致城区高强度降水增加;二是城市化及其工业污染产生的气溶胶导致城区降水减少.第一种观点的代表性研究在墨西哥城,Jauregui和Romales通过1941~1985年的数据分析,发现夏季城区“>20mm/h”的高强度降水明显增加,而同时期郊区雨量站的降水没有显著变化.第二种观点的代表性人物是Daniel,他基于NOAAAVHRR数据和历史降水数据分析得出“城市化和工业污染导致区域降水量减少”.这两派观点看似矛盾,实际具有科学上的内在一致性,城区点上极端(高强度)降水增加,是以面上其他区域降水的减少为代价的,因为区域水汽通量条件并没有发生大的变化,“点”上多必然导致“面”上少.在“干/湿岛效应”方面,目前的研究主要集中在对长时期、大范围气象观测资料的对比分析上,Katharine等人基于全球1973~2003年系列5°5°分辨率的逐月地表湿度分布数据分析发现,城市化及其他人类活动导致地表水汽含量(绝对湿度)明显增加.Brown和Degaetano基于美国145个气象站的逐小时湿度数据分析了美国1930~2010年的地表湿度演变趋势,发现绝对湿度普遍增加,相对湿度在城市和郊区表现不一样,东部、中部和西部表现也不一样,大体是东部城市呈现“干岛”,西部城市呈现“湿岛”.顾丽华等人利用4个气象站1961~2005年水汽压、相对湿度的资料,对南京市的城市干岛和湿岛效应进行了全面、细致的研究,发现南京在平均相对湿度和水汽压上表现为明显的干岛效应,随着城市规模的发展,南京城市干岛效应总体为增强的趋势;在浙江丽水和福建厦门,潘娅英等人和张少丽等人的研究也得到了“城市干岛”的结论.在城市蒸散发研究方面,已有研究认为,由于城市化进程使植被、土壤等下垫面条件被不透水硬地面替代,持水下垫面的减少会导致蒸发量的减少.倪广恒和敬书珍基于遥感技术研究了城市蒸散发过程与土地利用/覆盖的响应关系;吴炳方和邵建华基于遥感影响建立了区域蒸腾蒸发量的时空推演方法,该方法在流域大尺度范围内应用较好,但其空间分辨率较低,对城市区的模拟精度受到限制,而且也没有考虑城市人工取用水的蒸发耗散.Qin等人将下垫面分为5类(耕地、城乡居工地、陆生植被区、水生植被区、未利用土地),分别提出了各项ET的理论与计算方法,在城市耗水计算中综合运用了用水定额、耗水系数和水量平衡法.在耗水率计算方面,李彦东认为“工业和生活用水的蒸发耗水率不超过10%”.孟凡贵在博文“制度性干旱”的附文中()测算北京市区工业和生活蒸发耗水仅为133mm,由此推断城市单位面积水耗远比农田小,对水源的贡献远比农田大,这一计算忽略了城市中水回用及复杂的循环转化消耗过程,结果偏小.“制度性干旱”的观点一度引起学术界的争论.中国科学院南京土壤研究所张佳宝研究员()在接受《科学时报》采访时说:“(孟凡贵)之所以能得出一些令人触目惊心的结论,是因为该文在计算各项水资源消耗量时有一些问题”.以上争论从一个侧面反映了学术界和社会公众对蒸发耗水的关注.总体来看,目前城市蒸散发对自然侧、大尺度的研究较多,对考虑城市耗用水过程的综合蒸散发过程的研究还比较少.
1.2城市化伴生的水环境及水生态效应
从历史的发展来看,城市化和工业化往往导致城市环境恶化,生态受到较大破坏.中国目前处于工业化中后期和快速城市化时期,城市环境和生态质量逐渐成为制约社会可持续发展的重要因素.其中,水环境和水生态是城市生态环境体系的重要组成部分.2007年,经济合作与发展组织(OECD)的“中国环境报告”指出,中国在经济迅速发展的同时,环境质量水平大幅度下滑,“与世界上最贫穷的国家近似”.根据中国人民共和国环境保护部《2013中国环境状况公报》,中国已有超过30%的主要河流、70%的湖泊和20%的沿海水域遭到严重污染,尤其是河流流经城市段的污染最为严重.同时,城市区域地下水污染问题不容忽视,地下水水质优良的比例仅占37.3%.水环境和水生态恶化不仅对居民饮用水安全构成威胁,也是城市实现可持续发展,经济稳定增长的绊脚石.因此,近些年来,城市化、工业化伴生的水环境与水生态效应相关研究成为城市水文学领域的热点之一.在城市水环境方面,以水环境承载力研究为着眼点,Zacharof等人,Schütze等人在此基础上提出了水环境纳污能力计算、水环境过程演变模拟等模型和污水处理系统的实施监控方案.水环境纳污计算模型可以定量求解水环境承载力,对城市建设决策,可持续发展提供有力依据.郭怀成和唐剑武以山东临淄为例,建立了该区水环境系统动态预测与决策模型,由模型获得定量化水环境承载力,以研究城市水环境与社会、经济综合协调发展战略及对各协调策略进行评价.崔凤军采用系统研究方法,利用城市水环境承载力指数分析城市水环境,对策略变量做出预测、优化,并利用系统动力学模拟手段进行了实证研究.左其亭等人提出了计算城市水环境承载能力的“控制目标反推模型”(COIM模型),同时以郑州市为应用范例,介绍城市水环境承载能力计算模型应用及水环境调控对策制定.水环境和水质过程演变研究主要从污染物性质,污染事件的过程与方式等方面认识环境恶化与水质劣变过程的演化机理,同时提出相关防治对策.张学勤和曹光杰就城市水质问题提出了节约用水、控制点源和面源污染、加强城市绿地建设、生态修复城市水体等改善城市水环境质量的具体措施.任玉芬等人通过对不同城市下垫面的分析,研究了屋面和路面等不透水面以及绿地3类城市主要下垫面形式的降雨径流污染.Zheng等人通过动态建模方法,研究城市雨水径流多环芳香烃(PAH)的污染评估.Gnecco等人研究了在城市表面的降雨污染,分别调查了屋顶和路面污染情况.结果显示在路面径流中最显著的污染物为溶解形式的Cu,Pb和Zn的重金属;关于屋顶径流,锌浓度是非常高的.Vizintin等人使用结合过程的模型,测定考虑城市水循环的城市冲积含水层地下水污染.在城市水生态方面,相关研究结合城市生态建设管理实践,通过水与其他生态要素的统一分析,为城市生态可持续发展提供决策依据与科学建议.早期的城市生态建设规划主要考虑城市结构、形态设计等,忽视了能源的节约和环境的保护,直到20世纪90年代初,城市水问题、水环境和水生态的研究才逐渐受到重视.Kattel等人认为,城市生态是一个联合的整体,是建筑、土地利用、城市绿地、道路、湿地、栖息地及岛屿等不同的组合聚集在一起形成的,维持城市生态,保障城市可持续发展十分重要.Gbel等人提出了拟自然的城市水文生态管理方法,并评估了这种管理模式下城市地下水的响应规律.王沛芳等人提出了水安全、水环境、水景观、水文化和水经济五位一体的城市水生态系统建设模式.Wang等人研究了青岛崂山区水资源和生态环境的综合管理,对于城市居民区的废水排放,为预防水体富营养化和藻类的营养物质汇集,人工湿地和沿岸水生植物形成了缓冲地带.周文华等人以北京市为例,探讨了城市水生态足迹的内涵和4种典型城市水生态足迹的发展轨迹,提出了基于城市生态需水量的水生态足迹的核算方法.刘武艺等人定义了基于城市水生态系统健康的生态承载力,提出了“基于城市水生态系统健康的生态承载力-压力量化模型”,并根据理论模型设计了计算模型.综上所述,城市水环境与水生态效应研究不单单局限于水资源本身,需要结合城市整体建设规划,考虑经济和社会因素.在水环境治理方面,水环境承载力具备了一定的研究基础,今后主要的研究方向应该侧重于污染物的运移转化,以及污染事件和水质劣变过程机理的认识和模拟等方面.水生态研究作为城市生态建设的重要部分,则紧密结合了经济、社会等各类因素.城市生态需水量、城市生态承载力等研究都已开展.在城市生态建设日益得到重视的情况下,水生态学的研究将以可持续发展为目标,为统筹规划、综合管理提供理论依据.
1.3城市化水文过程机理研究
城市化水文过程机理研究是城市水文研究的另一重要分支,这部分研究可划分为“自然”和“社会”2个方面.“自然”方面重点研究天然降水在城市复杂下垫面上的运动转化和消耗过程;“社会”方面则集中于城市供用水方式和排水过程特征等领域.“自然”方面早期主要关注城市暴雨洪水及市政排水设计等工程问题,中国部分高校为此开设了“城市水利工程”专业.近期关注城市水文内在机理与模拟预测等基础科学问题,包括不同城市下垫面的降雨-径流关系、城市产汇流集成模拟、城市暴雨洪水的源头控制(Perrine等人),代表性成果包括Smith等人,Ragab等人,Amaguchi等人,Naftaly等人,Thomas等人,Yang等人,Ramier等人.研究结果表明,城市化对天然水循环的影响作用主要集中在以下几个方面:
(1)城市化进程改变了天然的下垫面条件,隔断了地表、土壤与地下的水文联系,在一定程度上改变了区域的产汇流特性;
(2)城市化进程破坏了已有的水文格局,改变了原有的水生态系统平衡,对城市生态环境造成一定程度的影响;
(3)城市化进程从整体上改变了城市水文系统的调节能力,增大了城市洪水内涝的发生风险.“社会”方面,已有研究重点关注城市供水安全,研究不同城市单元的用水量及其影响因素以及城市水体水质劣变与驱动机制研究等.Mercedes等人对巴塞罗那居住区游泳池的用水量进行了分析,发现城市游泳池的用水约占了总用水量的10%,富人区游泳池相对较多,人均用水量也更高一些.Rachelle等人通过澳大利亚金海岸城132个家庭的用水观测和行为分析,研究了有无节水意识对最终生活用水量的影响.Peter和Denny对澳大利亚布里斯班城市资源消耗(水资源、能源、住房)的决定因素的半定量分析表明,用水量的决定因素主要取决于收入水平,个人节水意识对片区用水量的影响较小.Angela和Thomas研究了西班牙马洛卡旅游度假区的用水量,指出高端旅游度假区人均用水量最高,其原因之一就是其私家花园的用水量占到了夏天总用水量的70%,大众旅游度假区的花园用水量占30%,城市居住区约占20%.刘家宏等人、左其亭剖析了中国城市生活用水指标的演变机理,建立了考虑气候、经济发展水平等因素的城市生活用水指标计算模型.城市水质劣变和污染负荷驱动机制是“社会”侧的新的研究热点.Chebbo和Gromaire通过法国巴黎一个名叫“LeMarais”的城市试验小区的综合观测,定量分析了下水道系统的污染负荷,分别估计了径流,废污水和下水道的沉积物对总污染负荷的贡献.Campisano等人利用数学建模和实验观测,研究了下水道的冲洗脉冲波对管道沉积物的冲刷效应.李家科等人从机理模型、统计模型和概念模型3个方面进行了归类整理,梳理总结了城市面源污染估算的主要方法和模型,系统地阐述了城市地表径流污染的过程机理与描述方案.
1.4城市水文过程模拟模型
城市水文过程模拟模型研究主要集中在城市产汇流与暴雨内涝过程方面,已有研究认为城市化导致城市产汇流机制和产汇流特性均发生改变.Urbonas等人绘制了城市暴雨径流系数与城市不透水面积比例的相关关系图,表明随着城市下垫面不透水特性的增强城市产流系数迅速增大.Brun和Band研究表明,城市不透水面增加0.1~1倍,产生的地表径流将增加2~5倍.Seth等人在美国对高度城市化流域和自然流域进行对比研究后发现,城市化区域降雨径流峰值要比自然流域高出30%以上,同时,城市化区域径流衰退系数要比自然流域低40%左右.Mark等人和Schmitt等人解析了暴雨洪水时城市表面流和下水管道流量之间的相互作用.我国学者在城市产汇流和洪涝研究领域主要集中在对城市降雨和径流的预报上.许有鹏等人以我国南方城市地区为例,借助“3S”技术平台,对区域径流过程进行了模拟,结论表明快速城市化导致区域不透水率增加,河网滞蓄能力下降,区域径流深度和径流系数增大.由于水文过程的复杂性和不确定性,原型观测的难度较大.随着计算机技术和数学模拟技术的发展,借助区域或者流域水文模型对城市化过程中的水文过程进行模拟越来越受到研究者的重视.Lhomme等人建立了基于GIS的城市地表产汇流模型.Vieux和Bedient用数值方法分析了人口稠密的城市化地区洪水预报的不确定性.Valeo和Ho分析了目前融雪模型的一些问题,建立了以野外实验得到的城市融雪参数为基础的融雪模型,解决了城市地区的融雪问题.Berthier等人用二维数值模型来确定土壤在城市集水区径流的形成中的作用,发现土壤出流的贡献可以占到径流总量的14%.城市水文过程模拟模型基本上可以分为以下几类:
(1)概念性水文模型;
(2)物理性水文模型;
(3)水动力模型.其中,水文模型将城市水循环系统看做一个“黑箱”或者“灰箱”系统,借助输入-输出响应关系或者具有一定物理机理关系的方程来描述系统的水文过程和水循环行为.此类模型结构简单,对输入数据和参数的要求不高,便于普及应用,缺点在于模拟精度受到一定的限制,模拟过程的时空尺度不宜太小.水动力学模型对城市水文过程进行了显式刻画,利用地表水动力学方程,管道流体运动方程等对城市水循环过程进行模拟计算,大大地提高了模拟精度,并且可以显著降低模拟的时间尺度.但是由于建模过程需要大量复杂的输入数据和参数,限制了模型的广泛应用.当前,城市水文和水动力模型层出不穷,但每一种模型都具有其独特的适用范围.这些模型在特定区域和特定工况条件下取得了较好的研究成果.总结来看,SWMM模型、InfoWorks模型和MIKE模型是应用成功的典型.SWMM模型的全称是城市暴雨雨水管理模型(StormWaterManagementModel),是由美国环保局于20世纪70年代初开发的.该模型可以模拟城市区域次降雨径流过程,包括城市地面暴雨径流的过程响应以及在城市排水系统的水力运动过程等.模型问世以来,被广泛地应用于世界各地的城市规划和管理中,在城市暴雨径流预报模拟、污水排放的环境效应分析以及城市雨水污水排水设计等领域均有应用.我国学者针对SWMM模型开展了广泛的应用研究,刘俊和徐向阳利用SWMM模型对天津主城区外环河以内的主要河道进行了建模计算,得到了研究区重要河道断面的流量过程.陈鑫等人对郑州市主城区的暴雨径流过程进行了模拟,并对研究区设计排涝标准和排水重现期进行了分析.InfoWorks模型由英国Wallingford集团负责研发.该模型的最大特点是可以仿真模拟城市水循环过程,对城市管网的水流过程模拟能力比较强大.我国学者近些年来也积极引进该模型.姚宇建立了城市工业园区排水网络模拟模型,仿真模拟城市排水管网的运行性能.张伟分析了城市排水管网的水力特性,并模拟管网水流的沉积规律,为城市管网防淤塞管理提供有力工具.MIKE模型是丹麦水资源及水环境研究所(DHI)的产品.DHI是非政府的国际化组织,基金会组织结构形式,主要致力于水资源及水环境方面的研究,拥有世界上最完善的软件、领先的技术.MIKE模型家族中有一款专为城市水系统量身定做的模拟工具-MIKEURBAN模型,其前身为MIKEMOUSE模().MIKEURBAN是模拟城市排水,污水系统的水文,水力学和水质等集成工程软件,它集成了城市下水系统中的地表流,明渠流,管道流,水质以及泥沙传输等计算模型,具有强大的城市水循环及伴生过程模拟能力.文献检索显示,MIKE系列模型目前在国内已有广泛的应用,但是MIKEURBAN模型的应用还不是很多.随着我国城市化的迅速推进,基于城市水循环调控与城市水生态系统保护修复的需要,MIKE-URBAN模型会有更广阔的应用前景和提升空间.
2城市水文学发展趋势
城市水文研究是通过分析城市化对于降水、城市下垫面产汇流规律、城市暴雨洪水以及供需水、水资源保障、水环境、水生态等方面的影响机制,来实现对城市气候成因分析、洪水预测计算、污染事件防控、景观生态系统建设、雨洪资源化利用等目的.通过以上国内外文献检索可以发现,城市水文学兴起于20世纪80年代,主要开展城市化的水文效应、城市水文机理与模拟等方面的研究.目前学术界对城市热岛效应的研究结论基本一致,对产生“热岛效应”的机理认识也比较清楚.研究手段已从数据对比法(包括城/郊观测数据对比、城区长系列历史数据对比)上升到模型模拟和实验室模拟阶段,建立了一系列能够反演城市“热岛效应”的统计模型、能量平衡模型、数值模型、解析模型和物理模型.目前对城市夏季“雨岛效应”的研究结论基本一致,对“雨岛效应”的产生机理认识也比较统一.但对城市干/湿岛效应的研究结论在不同地区并不一致,这与城市水循环的复杂性、城市所在区域气候背景的差异性,以及水分相变过程与能量平衡(显热/潜热转化)过程的高度契合性密切相关.城市干/湿岛效应与城市蒸散发密切相关,欲从机理上阐释干/湿岛形成的原因,必先弄清城市蒸散发的机制及其各项水分来源.城市水文机理与模拟方面,“自然侧”的降水-产汇流研究比较系统,已建立了包括城市屋面、硬化地面、城市绿地等复杂城市下垫面的降水-蒸发-径流定量模拟模型.“社会侧”的用水规律和需求预测研究也比较多,剖析了收入水平、节水意识、生活习惯等因素对城市用水量的影响,建立了考虑气候、经济发展水平等因素的城市生活用水指标计算模型.对城市人工取用水的耗水机理研究较少,在城市综合耗水强度“是高还是低”的定性认识上还存在激烈争论.目前对工业、生活及城市景观生态用水消耗的定量计算做了一些探索,定量方法主要是经验性的耗水系数法,尚没有建立具有物理机制的城市用水蒸发耗散模型.从城市化的发展趋势、水资源消耗的空间分布,以及城市化对水分收支影响等关键科学问题来看,城市综合耗水的内在机理研究将是现代城市水文学研究的前沿和热点,该方面研究获得的城市蒸发耗水的定量计算成果,可以建立水分相变过程(蒸发)的能量吸收(潜热)与气温(显热)的关系模型,从而架起城市蒸发耗水与能量收支之间的桥梁,为解释不同地区、不同季节、不同湿度条件下城市热岛效应的强弱奠定科学基础.理论上,蒸发耗散强度大(相对于郊区)的城市,其热岛效应弱,反之则强,因为蒸发吸收显热,对温度升高具有抑制作用.在应用方面,随着城市内涝问题的日益凸显,城市建成区短历时暴雨洪水的精细模拟预测、城市水文极值事件的定量描述、“海绵型”社区建设(低影响社区)模式及其水文响应规律等也是城市水文研究重要方向.城市水文学理论的发展过程中还存在很多问题需要解决,目前国内在机理和模型上的研究还要朝以下几个方面努力:首先,要重视水文效应机理研究.之前诸多研究结果表明:城市水文效应存在明显的区域性,不同地区存在不同的水文现象.把握城市水文效应的规律性并开发定量模拟模型是今后工作的重点.如城市暴雨产流过程的时空精细化模拟,重点要探究城市“雨岛效应”、“干湿岛效应”对城市局部气候的定量化影响,提高降雨预报精度和预见期.其次,要发展多学科交叉及应用研究.做好城市水文学研究必须涉及多个领域、学科的交叉合作,城市水文研究不仅与大气科学密切相关,还与环境科学、生态学及社会科学、城市规划等学科领域相互关联,只有协调好学科间的相互关系,领域之间互相合作,才能更好地认识和理解城市水文效应机制.最后,要把握好气候变化对城市水文过程的响应.全球变暖已经成为科学界不争的事实,诸多学者认为全球变暖现象对于城市水文过程及水生态系统存在一定的影响,相对于其他系统而言,城市系统对于气候变化的影响更加脆弱,因此分析气候变化对于城市水文过程的影响十分必要.
3结论与展望
城市水文学是水文学的一个重要分支,20世纪80年代正式独立成为一门学科,早期重点关注城市排水工程设计等水文计算问题.21世纪以来,随着城市化进程的加快,城市水文学面临的问题更趋复杂,学科研究领域逐渐拓宽,囊括了城市化伴生的水环境与水生态效应、城市水文过程机理解析和过程模拟等内容.近30年来,城市水文学在城市水文与伴生过程模拟、城市水资源配置与高效利用、城市防洪减灾等方面取得了丰硕成果,基本形成了一套完整的机理、模型和实验观测方法.但是,目前城市水文学还有诸多问题存在争议.随着气候变化和城市化进程的推进,这些问题逐渐受到广泛关注.
(1)城市区域局部气候变化与极端天气事件频发问题.目前,城市区域的“热岛效应”、“干岛效应”和“湿岛效应”受到学界广泛认可,但上述效应的产生机理以及定量表征方法研究还很不充分.
(2)受到气候变化和强人类活动干扰影响,城市水文要素和自然流域相比发生了深刻变化.其中,城市区域的综合耗水强度和蒸散发量显著升高.认识城市高耗水过程机理,实施ET耗水管理,控制城市高耗水对促进区域真实节水具有重要作用.