城市化对城市降水和径流的影响分析

杨明全

(秦皇岛水文水资源勘测局，河北 秦皇岛 066000)

城市化的不断发展是我国国民经济提升的显著标志，根据2019年2月4日国家统计局发布数据：截至2018年底，我国城市化率为58.78%，预计到2050年突破70.00%，达到中等发达国家水平。城市化率的提高虽然代表了国民经济水平的提高，但这种人为改造自然的做法也对区域水文、气候等条件产生了影响，尤其是降水和径流。将自然地表大面积改变为不透水地表，造成城市洪水灾害问题越来越突出。

1 研究区域概况

秦皇岛市位于河北省东北角，地处环渤海经济带中心位置，拥有世界第一大能源输出港——秦皇岛港，而且自然环境优美，是全国著名的旅游城市。截至2018年底，秦皇岛城市化率已经达到57.42%，位居河北省第四，市区面积大约2131.51 km2，市区人口139.63万人。随着城市规模不断扩大，相当大面积自然土地被改造为不透水地面，导致水文循环发生剧烈变化，城市洪涝灾害风险也在不断增加。

2 城市化对降雨影响机理分析

城市化是国民经济发展的必然结果，其中房地产行业是最为显著的标志，近20年时间我国各地政府都在不断批地建楼，很多地方财政对房地产依赖程度超过40%以上。随着城市规模不断发展，建筑物密度、城市人口数量、能源消耗也在增加，同时也直接或间接改变了城市自然环境[1]。

2.1 改变下垫层属性

现代城市本质上就是由钢筋混凝土建造而成，将原有土地面覆盖上混凝土、柏油路、路砖等各种不透水材料，且建筑材料比热容相对于土体明显变小，即在相同太阳辐射条件下，吸热和放热都快(如图1所示)。此外，城市拥有大量汽车、工厂、居民等热源，造成城市热岛效应显著[2]。

图1 相同辐射下混凝土(A)和绿地(B)表面温度变化对比

根据图2统计数据显示：秦皇岛市在晴天最大热岛强度达到3.7 ℃左右，且一整天热岛强度变化波动很大；阴天热岛强度稳定在0.8～1.6 ℃之间。由此可见对整个秦皇岛市区太阳辐射很敏感。

图2 秦皇岛市热岛强度

2.2 城市大气污染

目前，雾霾天气影响着我国绝大多数城市，而雾霾产生的主要原因是空气中含有大量氮氧化物、灰尘、硫酸、硝酸等物质。而雾霾就像一层被子覆盖在城市上，吸收下垫层产生的热辐射，可导致明显的温室效应。2018年在全国190个城市中，秦皇岛PM2.5含量年均值为59 μg/m3(水平：良)，位居102位，受雾霾影响较小，对降雨影响可忽略不计。

2.3 高温对降雨的影响分析

燕山大学环境与化学工程学院陈思发教授带领团队通过近一年的跟踪分析，得出秦皇岛市存在较明显的热岛效应。而热岛效应可导致城市上空气层结构不稳定，进而引起热力对流。而当城市上空水汽充足时，就会很容易形成对流雨，尤其是在夏季。这种降雨形式的典型特征是强度大、时间短，且时常伴有冰雹，是秦皇岛发生夏季暴雨的主要原因。而且由于城市建筑的阻碍作用，导致空气运动减缓，且产生机械湍流，造成雨水滞留时间增长。表1是秦皇岛市区和附近农村地区气候对比，由此可知：城市化是城市降雨量增多的重要原因[3]。

表1 秦皇岛市城区与附近农村气候对比

3 城市化对径流影响机理分析

3.1 对径流系数的影响

很多学者通过试验得出不同下垫面径流系数与降雨强度、降雨时间关系，具体相关系数如表2所示。由此可知拟合方程准确性很高，足够日常使用。

表2 降雨强度与径流关系拟合方程及相关系数

注：降水历时10 min。

城市化建设造成下垫面硬化，直接导致降水入渗量减少，从而径流量增大。通过相关技术人员在秦皇岛市不同下垫面进行现场试验，得出不同地表面下降雨入渗量数据，见表3所示[4]。

表3 秦皇岛市不同地表面降雨入渗量

注：时间标准为1 h。

3.2 对汇流时间的影响

城市化导致硬化路面所占比例越来越大，而硬化路面的摩擦系数相对于天然地表大大减小，表4给出了常见几种地表绝对粗糙度数据，其中混凝土路面仅仅为杂草地的1/50。地面粗糙度减小可使雨水汇流时间大大缩短，同时由于排水系统的完善，会使河道流量高峰形成时间提前，且洪峰强度、持续时间均增大。据调查：秦皇岛市洪峰形成时间在45～60 min，在该时间段根本来不及采取应急措施。

表4 几种常见地表绝对粗糙度

4 城市雨洪控制方案分析

通过参考国内外城市雨洪控制成功经验，结合秦皇岛市实际情况，切实可行的措施有以下两种：(1)减小降雨径流系数。(2)提高城市排水泄洪能力。在此根据以上两个措施来设计秦皇岛市具体的城市雨洪控制方案。

4.1 大力推广绿色屋顶技术

绿色屋顶是指在屋顶上种植绿色植物，可对降雨进行存储和截留，一定程度上降低径流系数。同时能够美化城市环境，使秦皇岛市的旅游名片更加响亮。绿色屋顶技术的关键在于植物和土壤的选择，其中土壤要求孔隙率高、密度小、耐冲刷等[5]。

4.2 发展雨水渗透技术

雨水渗透技术可增加雨水渗透量，缓解排水泄洪压力。目前常见的渗透路面结构如图3所示，其中最上层为多孔沥青，下层又设计储水层，雨水可以大量通过储水层而进入土体，这样即缓解路面积水问题，又能减小降雨径流系数。

图3 雨水渗透路面结构示意图

4.3 普及下凹式绿地设计

下凹式绿地是一种高程低于周边地面的公共绿地，利用空间来承接和贮存雨水，达到减少径流外排目的。通过结合秦皇岛当地实际条件，综合考虑行人车辆安全问题，建议下凹式绿地下凹深度在0.25～0.30 m范围。

4.4 推广雨水花园

美国马里兰州乔治王子郡的多年使用表明：雨水花园可减少75%～80%的地面雨水径流量。一般雨水花园结构从上到下依次为：蓄水层(厚度100～250 mm)、树皮覆盖层(厚度75 mm)、植被及种植土层(250 mm)、人工填料层(500～1200 mm)、砾石层(200～300 mm)。雨水花园见图4。

图4 雨水花园实景图

在选择植物时，应遵循以下几个原则：(1)从适应环境、管理方便角度考虑，尽量选择乡土植物，且根系发达。(2)选择耐旱又耐泡(一般浸泡要求为40～48 h)的植物。植物一般以灌木和草本为主，秦皇岛地区可选择的植物包括：木槿、冬青、沙地柏、芦苇、萱草等。雨水花园可以在公共绿地、各企事业单位、住宅区中进行推广，既不影响整体美观，又可减小雨季地面径流量。

5 结 语

夏季暴雨灾害已经成为我国很多城市面临的问题之一，交通瘫痪，地势低处被淹，每年造成的损失数以亿计。秦皇岛市旅游业作为重点产业，必须做好城市防洪排涝，城市化程度越高的地区，防洪排涝压力越大，因此在新规划用地时将该因素纳入考虑范围，而且在已建成区域采取切实可行的雨洪控制措施。