城市化对水资源的影响分析及对策

刘同僧,季志恒,何 平

(1.河北省廊坊水文水资源勘测局,河北 廊坊 065000;2.河北省保定水文水资源勘测局,河北 保定 071000)

城市化是世界各国发展的共同趋势,城市缺水已成为全球关注的问题。由于城市化增加了房屋和道路等不透水面积及排水设施,改变了径流形成的条件,使地下水得不到足够的补给,破坏了自然界的水循环。城市化还带来了局部气候变化、耗水量增加和水质污染等问题。

1 城市化对气候的影响

由于城市化增加了房屋和道路等不透水面积,绿化面积减少,用人工表面代替了土壤和草地等自然地面,改变了下垫面的组成和性质,从而改变了反射和辐射面的性质,改变了近地面层的热交换和地面的粗糙度,导致大气的物理状况受到影响,形成了城市热岛。在天气晴朗无云、大范围内气压梯度极小的形势下,由于城市热岛的存在,城市中形成一个低压中心,并出现上升气流。从热岛垂直结构看来,在一定高度范围内,城市低空都比郊区同高度的空气为暖,因此随着市区热空气的不断上升,郊区近地面的空气必然从四面八方流入城市,风向向热岛中心辐合。

城市排出的大量各种气体和颗粒物,会显著地改变城市的大气组成。因人为造成的大气污染,颗粒物质为雾的形成提供了丰富的凝结核。这种大气污染不仅会使城市大气中的有害气体含量增高,而且还会使城市的云量、雾量和降雨量也都增高。城市中鳞次栉比的建筑物群,增加了下垫面的粗糙度,减少了风速,为雾的形成提供了合适的风速条件。又由于城市热岛环流,郊区农村带来的水汽,使低空辐合上升凝结成雾的机率增大[1]。

2 城市化对雨洪径流的影响

2.1 城市化对降水的影响

城市规模的不断扩大,在一定程度上改变了城市地区的局部气候条件,又进一步影响到城市的降水条件。在城市建设过程中,地表的改变使其上的辐射平衡发生了变化,空气动力糙率的改变影响了空气的运动。工业和民用供热、制冷以及机动车增加了大气中的热量,而且在燃烧中把水汽连同各种各样的化学物质送入大气层中。建筑物能够引起机械湍流,城市作为热源也导致热湍流,因此城市建筑对空气运动能产生相当大的影响。而城市上空形成的凝结核、热湍流以及机械湍流可以影响当地的云量和降雨量。城市中的降水量一般比郊区多 5%～15%[2]。

2.2 城市化对径流的影响

随着城市化的发展,树木、农作物、草地等面积逐步减小,工业区、商业区和居民区的面积不断增加。城市化过程也使相当部分的流域(例如小的河道、湖泊和湿地)为不透水地表所替代,减少了蓄水空间。由于不透水地表的入渗量几乎为零,使径流总量增大,使得雨水汇流速度大大提高,从而使洪峰出现时间提前,同时使入渗量减小,地下水补给量相应减小,枯水期河流基流量也将相应减小。排水系统的完善,如设置道路边沟、雨水管网和排洪沟等,增加了汇流的水力效率。城市中的天然河道被裁弯取直、疏浚和整治,使河槽流速增大,导致径流量和洪峰流量加大。与郊区相比,城市在降雨后,径流量急剧增高,很快出现峰值,然后又迅速降低,其径流曲线非常陡峻,急升急降。

3 城市化对地下水资源的影响

3.1 地下水严重超采

由于地表水资源短缺,地下水资源就成为城市生产和生活的主要供水水源。随着城市化规模越来越大,水资源利用量亦越来越大。为满足城市正常的生活和生产,不得不集中大量开采地下水,因此,目前地下水超采严重,不但涉及大中城市,而且也有小城市和乡镇。地下水的严重超采,不仅有可能导致地下水枯竭、影响城市供水,而且还会造成地面沉降、建筑物破坏等一系列环境地质问题[3]。

3.2 地下水资源的补给减少

城市建筑物及沥青、混凝土路面的增多,使不透水面积的比例增大,一般可达 80%以上。对于各种屋面、混凝土和沥青路面,其地表径流系数为0.90左右,也就是说,仅大约 10%的雨水渗入土壤。降雨后,雨水除少数的截留与蒸发外,大部分通过地下雨水管道系统排出,成为地面径流,因此,降雨补给地下水的资源量大为减少。如果地下水埋深较小(≤4 m),地下水尚可少部分补给,如果地下水埋深较大,几乎不能产生补给。

3.3 地下水的污染加重

城市中工业生产过程中排出的污水、居民的生活污水等,如果不经处理,排入河道或湖坑都会间接污染地下水。向透水地面倾倒污水、垃圾堆放被雨水冲淋、污水管道泄漏以及污染物经雨水冲刷,均可造成对地下水的污染。

目前,塑料袋在人民生活中仍广泛应用,然而留在土壤中的大量残膜,经过长时间的地下溶解,其化学溶解物对地下水资源的水质也有一定影响。

4 酸雨对水质的影响

工厂、汽车、居民每天要耗用众多的煤和石油,它们在燃烧过程中会释放出大量的 SO2,SO2遇水形成亚硫酸。高温燃烧形成的 NO,排入大气后,大部分转化为NO2,NO2遇水成为硝酸或亚硝酸。SO2和NO2加上大气中还有其他至酸物质,降雨时,雨水呈现出酸性。

对于pH≤5.6的雨水称为酸雨。近年来,酸雨在我国分布较广,许多大中城市已出现了严重的酸雨现象,尤其是工业型大城市。据统计资料显示,南方部分城市的酸雨多年平均 pH为4.5～5.5,上海个别地区曾测到强酸雨,其 pH值为2.1[3]。在北方城市,酸雨也时有发生。酸雨亦能随风移入附近农村。

酸雨不仅使地表水体酸化,也能通过土壤渗入地下,酸化地下水资源。这种呈酸性的水还可影响鱼类和生物的繁殖和发育,能伤害植物的嫩枝以及腐蚀城市建筑物和地下管道。酸雨还会引起人类呼吸系统的疾病,影响人体健康。

5 城市化对水资源影响的对策

5.1 适当的开源

虽说水资源是可再生资源,但是在时间和空间上往往不具备快速可再生的能力,所以要根据本地的实际情况来开源。1)修建水库调节水资源在时间上的分布不均;2)充分开发利用雨洪资源、再生水,以限制开采地下水;3)开展调水工程,解决水资源空间上分布不均。

5.2 开展节流

大力倡导节约用水,推进节水型城市、节水型社会建设。 1)积极推广防渗管道输水、喷灌、滴灌、微灌、膜下灌等节水灌溉技术,推广节水种植模式,提高农业用水的利用率。2)应限制高耗水行业和生产工艺的发展,改善工业生产工艺水平,提高工业水重复利用率。 3)积极推行用水定额管理和阶梯式水价机制,利用水价管理机制对于水资源浪费现象进行有效的惩罚。4)积极推广与普及生活节水器具,特别应加强公共事业单位和服务业生活用水节水器具的普及。

5.3 加强水环境的综合整治

1)要增加城市透水层面积,改善水文条件。在雨水管道系统设计、用地规划和地面覆盖上考虑雨水渗透。雨水渗透控制措施包括渗水路面、渗水渠道、人工湿地以及植树种草等。合理、充分地利用雨水涵养地下水源,既能缓和城市水资源危机,又能增加土壤中的含水量、调节气候,从而减少所需雨水排水系统容量,降低雨水排水系统的投资和运行费用,减轻城区水涝灾害和水体污染。

2)完善排水管渠系统,充分利用城市污水和雨水资源。要恢复清澈的河水和生态平衡系统,必须杜绝工业废水、生活污水及其它污染源进入水体,因此需要建设和完善污水收集系统、改造合流制管道系统、建设污水处理厂,同时注重雨水调蓄设施、城市防洪设施的建设与维护。城市雨(污)水经妥善处理后可作低质用水,如用作工业冷却用水和杂用水(厕所冲洗水、洗车水、洒水、消防用水、空调用水等)。

3)采取有效措施,防止城市酸雨。要减少尾气排放量,制订各类汽车的废气排放标准,呼吁使用“绿色汽车”,即用天然气、氢气、酒精、甲醇、电等清洁能源作为汽车动力,以减少二氧化碳和二氧化硫等酸性气体的排放。加强植树栽花等城市绿化工作,根据城市环境规划,选择种植一些吸收 SO2和粉尘能力较强的植物,如石榴、菊花、桑树、银杉等,以净化空气。城市绿化,不仅可以防止酸雨,也可有效地降低城市热岛效应。

[1]周翠宁,任树梅,杨培岭,等.城市化对降雨特征影响研究[J].水利水电技术,2007,38(10):62-65.

[2]李树平,黄廷林.城市化对城市降雨径流的影响及城市雨洪控制[J].中国市政工程.2002,(3):35-37.

[3]金光炎.水文水资源分析评价 [M].北京:中国水文科学出版社,2008.