确定城市土地利用变化水文影响的两个指标(上)

［美国］R.古恩 等

1 概述

在城市化进程中，农业用地和林业用地快速地转化为住宅区。例如，1997年印第安纳州223 km2土地转变为城市用地。城市化对水文情势的影响包括短期影响和长期影响。短期影响表现为最大径流量增加、汇流时间减少、洪涝量级和频率增加、天然河道形状、形态以及生物多样性发生改变、土壤侵蚀增加。长期影响可包括年平均径流量增加，导致地面径流增加，地下水补给减少。地下水位降低将导致河道基流减少，威胁饮用水供应。

评估城市土地利用变化的水文影响，是一个复杂的问题，需要了解水利工程、土地利用变化和政治等相关情况。小型社区条件有限，常常无法解决这样的问题，因为受委托提供解决方案的专业技术人员往往只熟悉某一领域的问题，而对其他领域的问题则了解有限。选出或者指定的负责实施解决方案的官员必须理解所实施的方案。

尽管许多社区可以获得当前及过去的土地利用情况、土壤及降水、地块、道路以及排水规划等资料，但由于受资料格式的限制，从中获取有价值的信息以量化社区的环境影响并不容易。

某些社区采取预防措施，颁布了关于新开发活动中雨水问题的规定，以解决土地利用变化带来的水文影响问题。然而，这些规定中通常只包含一两种水文特征值。另外，关于调节特定设计暴雨的最大径流量的法令，以及据此提出的在住宅区排水口处设立滞洪洼地等此类终端解决方案，仅仅只能解决短期影响问题。其他社区则做出了基于不透水总面积的土地开发的规定。在上述种种情况中，土地利用产生的水文情势变化都没有得到充分反映，不利于利用最佳管理措施和低影响开发手段推进综合雨水管理。

因此，就规划和立法层面而言，需要一种简单直观且易于理解的解决方案。这种解决方案，应该可容易获得，量度指标简单，且指标需要资料少，同时又能够提供关于土地利用变化产生的短期和长期影响的准确信息。本文提出了两个指标，作为这一问题的解决方案。社区可以利用这两个指标确定土地利用的水文影响。本文以实例介绍了这些指标的计算方法。

2 雨水排水条例

对于排水系统以及雨水控制设施，社区通常都制定了规划及设计标准。力求通过这些条例控制暴雨径流导致的淹没和土地利用变更，使其造成的生命财产及自然资源损失最小化。为达成这一目的，在制定这些条例时应寻求维持特定设计暴雨开发后最大径流量不超过开发前的特定值。例如，印第安纳州蒂珀卡努县制定的综合雨水管理条例一般条例规定，10a一遇以及100a一遇设计暴雨的开发后下泄量不得超过2 a一遇及10a一遇的开发前最大径流量(蒂珀卡努县)。在实际应用该导则时，需要透过下渗、蒸散发以及雨水收集因素考查自然水平衡，确定其是否合理和/或客观。在开发后，利用最佳微观管理措施以及低影响开发手段可以获得与开发前相同的滞洪能力，且不损害地下水与下游水体的自然整体性。其他的县，包括印第安纳州内以及其他州的县，都有类似的条例。该条例隐含的主要原则是，开发人必须利用一种预先确定的方法证明:开发后特定历时的100a一遇暴雨的最大径流量一定不大于10a一遇暴雨的开发前最大径流量。特定暴雨历时是指需要最大拦洪库容的暴雨历时。该条例要求使用TR－55版提出的方法或者推理公式法确定最大径流量。然而，关于最大径流量的规定，该条例存在一些局限，它仅仅解决土地利用变化短期影响的问题，而且大部分普通公众也不容易理解这些规定。

3 长期水文影响评估模型(L－THIA)

长期水文影响评估模型(L－THIA)是一个简明分析工具，用于估算过去或者已规划的土地利用变化所产生的径流以及非点源污染。通常情况下，特定事件暴雨是分析土地开发变化影响的依据。然而，在评估土地利用变化长期影响时，短历时暴雨事件的累积影响比罕见大暴雨事件更加合适。L－THIA模型是一种供土地利用规划者使用的评估工具，采用电子表格形式，简单且用户友好。该模型根据曲线数值法，利用研究区域的土地利用、土壤组合以及长期气候数据估算长期年平均径流量。由于在分析中使用的是多年气候数据，因此，L－THIA模型主要考虑的是平均影响而非极端年份或者极端暴雨事件。由于界面简单且需要的数据少，因此L－THIA模型易于为各种用户使用，可获得准确的预测结果。

L－THIA模型已经用于估算土地利用变化对水文和水质的影响。例如，利用该模型比较了城市改造与城市扩建的长期效益。学者比哈杜里等利用该模型分析了城市化对印第安纳州印第安纳波利斯附近小鹰河流域的影响。该项研究表明，1973～1981年不透水面积增加18%，导致年平均径流量增加80%左右，铅、铜和锌非点源年平均荷载增加50%以上。另外一项研究也使用了该模型，研究了几个住宅区的径流及非点源污染变化，以及周边区域的重新规划对印第安纳州拉斐特市附近一个住宅区的影响。有学者利用L－THIA模型研究了过去及未来的城市扩张对区间水文及区域水文的影响。L－THIA模型预测结果表明，非点源污染、径流量以及养分损失都有所增加。

4 方法

4.1 水文特征值

选择了4个评估特征值描述研究区域的水文情况。一般而言，这4个特征值在规划和流域管理中非常重要，它们分别是汇流时间、2 a一遇24 h暴雨最大径流量、10a一遇24 h暴雨最大径流量、年平均径流量。在该研究中，根据雨水管理要求选择这4个水文评估特征值作为保持开发前水文条件的参考依据。其他水文特征值，如径流历时以及径流量数值等，可用来描述研究区域的水文情况。

这些特征值易于确定，同时也方便于提供土地利用变化影响程度的基本信息。例如，汇流历时是流域响应降雨事件的特征值。土地利用变化使得不透水地面面积增加，导致最大径流量明显增加，表现为汇流历时缩短。汇流历时描述了水从流域中水文意义上的最远点汇集到出口断面所需的时间。实际上，汇流时间从出现超渗降雨开始计算，此时流域内的所有部分对汇集点(出口断面)的流量都有贡献。

人们认为，2 a一遇的历史暴雨资料对受水河道的自然形状和形态有严重影响，使用10a一遇的暴雨事件设计过流能力比较合适，可使洪涝导致的财产损失最小化。该研究使用学者施瓦布等提出的NRCS曲线数值法计算最大径流量。该方法假定暴雨的自然过程线一般大致呈三角形。最大径流量由单位洪峰流量、流域面积以及径流深度确定。由汇流时间及初损(Ia)与24 h降雨(P)的比值计算单位洪峰流量。使用学者施瓦布等提出的公式计算径流深度。例如，计算2 a一遇24 h暴雨的最大径流量，可使用24 h降雨量。

年平均径流量比短期大洪峰流量更适合于评估土地利用和土地开发的长期水文影响。采用L－THIA模型以及30a的降水量资料计算年平均径流量。L－THIA模型计算得到30a降水资料中每一场暴雨的平均径流量。然后，L－THIA模型将这30a的计算结果取均值，得到年平均径流量。最终结果是一个单一的数值，用于计算本文所述的指标。分析时所用的径流量没有经过调整，因为分析的目的就是阐明开发的理论影响，开发人向决策人提交的初步研究中，就是这种情况。如上所述，L－THIA模型中使用的计算程式为NRCS CN法(美国自然资源保护局曲线数值法)。

4.2 指标的建立

利用上述4个水文评估特征值建立两个指标，量化土地利用变化对水文的影响。案例研究中，这两个指标都被使用。

4.2.1 开发前 －开发后指标(PPH)

PPH从年平均径流量、汇流时间、2 a一遇24 h暴雨最大径流量、10a一遇24 h暴雨最大径流量4个方面对比了开发前和开发后的水文条件。经比较开发前、开发后水文条件，当前变化占开发前水文条件的比例可用下列公式计算:

式中H为4个水文评估特征值中的一个，post以及pre表示开发前及开发后水文条件的数值。PPH值接近于零表示开发后水文条件更倾向于未超过开发前的情况(也就是说，土地开发未产生负面的水文影响)，PPH值越大，表示影响程度越高。为实施有效雨水管理，在场地规划过程中需要提供土地开发方案，4个评估特征值中的单个PPH值可用来近似反映土地开发方案的水文响应。然而，在该公式中有一种例外情况，即汇流时间需要使用负的PPH值，原因是汇流时间缩短标志着产生了负面的水文影响。负的PPH值并非一定意味着土地开发没有产生负面水文影响，因为负变化可导致年径流量减少，从而可能影响基流，最终影响河流生态以及水资源管理。然而，该指标范围的假定是，相对于高PPH值，PPH值接近于零为理想情况。

对于使用该指标的框架，也存在一些限制。一个缺陷是，该方法没有考虑住宅开发中的家庭数量。为了说明这一问题，可设想规划2 km2农田用于开发。开发商的目标是建设40套房子。如果开发商用2000m2建设了20套房子，而不是用1000m2建设了40套房子，那么这种开发的得分较高(即变化百分率较低)。然而，很可能需要另外2 km2农田来建设剩余的20套房子。将另外2 km2农田用于开发，对水文产生的总体影响会更大。因此，在使用该指标时需要特别关注家庭的数量。该方法的另外一个缺陷是对数值的量级太敏感。例如，如果某一区域的年平均径流由3.0cm变化到3.25 cm，那么该指标为8%。另外一种情况是，当年平均径流从8.0cm变化到8.25 cm时，该指标仅为3%。这两种情况的年平均径流变化都是0.25 cm，但是指标却不同。然而，这也是合理的，因为该指标值越大，土地利用变化对水文的影响一定越明显。

4.2.2 最大值范围指标(EH)

EH比较研究区域开发后条件下这4个水文评估特征值的最小值和最大值。该方法描述了实际评估特征值与可能最大评估特征值(如径流量)的比。它可以确定开发干扰自然水文情势的最大程度，计算公式如下:

式中H为开发后条件下4个水文特征值中的一个特征值。Hmin为开发前条件下的径流量或者最大径流量。假定前提是:未经开发前土地利用的水文影响最小。Hmax为开发区域全部被具有水力联系的不透水表面覆盖情况下的径流量或者最大径流量。该指标表示最大可能的水文影响。与第一个指标类似，汇流时间是一个例外，公式中的变量需要做相应调整，使Hmin反映全部不透水情况，Hmax反映未开发条件下的汇流时间。

年平均径流量以及最大径流量发生显著变化时，该指标的实际上限为100。产流过程类似于天然条件下的产流过程，该指标的实际下限为0。计算值小于假定下限0是可能的，特别是汇流时间因素，因为汇流时间越短，水文影响就越大。如果采取暴雨控制措施，如湿地、现场生物截留设施、或者雨水桶等，汇流时间也会大于天然水文条件下的上限。

4.2.3 使用指标时的注意事项

水文评估的目的是确定实现雨水管理目标所需的控制水平。这些指标提供了土地利用变化水文影响的总体情况，在没有进行深入研究之前无法用于设计或者模型应用。PPH依据现有或者规划的土地开发方案比较了开发前和开发后的水文条件，包括汇流时间、2a一遇24h暴雨最大径流量、10a一遇24 h暴雨最大径流量、年平均径流量。EH比较了研究区域开发后水文条件下水文评估特征值的可能最小值和最大值。EH的目的是确定某一区域最大程度开发对天然水文情势的影响程度。

使用时选择何种指标，取决于社区的需求以及可以获得的数据。如果目的是概述开发前和开发后条件下水文变化情况，那么应用PPH可以获得所需的控制水平。PPH可用于比较不同区域的开发，为基于特定区域确定雨水控制特征值提供决策支持。计算PPH值时，主要考虑开发后条件下具有水文联系的不透水覆盖。地理信息系统(GIS)可以用来快速准确提取具体土地利用、土壤信息以及类似于该研究使用的研究区域的其他有关特征。

如果社区希望采取更为积极的态度，尽量恢复天然水文情势，那么选择EH比较好。EH使用了保守的分析方法，以确保实现雨水管理目标。与PPH类似，计算EH开发前和开发后数据。然而，EH假定研究区域开发后总不透水覆盖具有水文联系。使用两个指标描述研究区域的水文情况更为完整。不存在确定开发何时产生负面影响的指标限值。使用者应该通过合理判断来确定PPH和EH的高值与低值。经验规则是将开发后水文特征值的变化控制在开发前水文特征值的10%以内。

(未完待续)