城市水文的理解、管理和模拟及其对受纳水体的影响:当前发展水平

本文摘译自:Fletcher TD, Andrieu H, Hamel P (2013) Understanding, management and modelling of urban hydrology and its consequences for receiving waters: A state of the art. Advances in Water Resources 51:261-279. 如引用文章的内容请引用该文献。翻译能力有限,有翻译不当的地方,请见谅。
 

1.  引言

    城市化的趋势在世界范围内均具有势不可挡的趋势。城市化对水文具有重要影响,如增加径流量(速度),降低渗透率,减少基流,提高降雨径流的反应时间。因此,城市水文学作为一门新兴的学科产生,其主要目的是提高城市水文系统的管理,从而保护公共健康,城市环境,防治城市洪水及水污染等。城市水文涉及到多个领域,如工程,环境科学,社会学,公共卫生学等。

    水文模拟能力,很大程度上取决于是否具有高时空分辨率的降雨驱动数据,对于城市而言,这一点显得更为重要。因此,目前出现了许多新的降雨观测技术,如雷达,降雨模型和微波等。降雨径流的转变,伴随着城市污染物的产生,使得接纳水体(receiving water)的水质下降。因此城市暴雨过后,污染物的产水、转移和影响成为了目前集中研究的热点领域。但是由于最近一些新的污染物(如农药,激素等)的产生,又为这方面的研究提出了新的问题。
    如何减少城市化的水文和水质影响,过去已经提出了多种方法,但是到目前为止,这些方法仍然存在很大的争议。这也表明,城市水资源管理的复杂性和艰难性。现在有一个明显的发展趋势是,通过综合的方法来同时处理径流和水质问题,这种方法不再仅仅将洪水作为一种不利的因素,而是将其视为一种资源。
    最后,尽管城市水文具有其特殊性,但是它仍然不能完全脱离自然的水文。城市水文的多目标特征,及其与城市水文系统的其它部分(e.g. sewer system,detention)相互作用,使其成为一门应用科学。下面,我们就目前城市水文的理解,管理和模拟及其对水质和受纳水体的影响,做一个简单的回顾(Review)
2.  城市水文学中的降雨
    前面已经提到,城市降雨径流的模拟和预测精度很大程度上取决于降雨驱动的精度。城市水文中降雨的研究方向主要包括降雨观测,降雨预测,降雨模拟。
(1)降雨观测
    城市水文的薄弱环节就是获取高时空分辨率的降雨驱动数据,目前高时空分辨率降雨驱动获取方法主要有三种,分别是密集的降雨观测网(dense rain gauge network),降雨雷达(weather radars),微波方法(microwave links)。新技术有利于扑捉降雨的时空特点,但是对这些新技术的验证必不可少。
(2)降雨预测
    由于城市流域面积一般较小,水文响应时间较短,所以对于城市洪水管理,定量的降雨预测是非常重要的输入。密集的降雨观测不适合获取短时间步长的定量降雨预测,因此发展短时期定量降雨预测的方法,主要基于实时的雷达观测数据。目前有多种分析降雨雷达影像的方法。如拉格朗日方法(Lagrangian methods), 欧拉方法(Eulerian methods)等。最近的定量降雨观测方法主要是基于综合不同类型的雷达数据及数值模型。
(3)降雨模拟
    时间序列的降雨数据模拟在城市水文中具有多种用途。降雨数据的模拟主要由两种模型完成,一种是点过程随机模型(point process stochastic models) 和 random multiplicative cascades
(4)城市区域对降雨的影响
    大城市对降雨的影响研究可以追溯到19世纪70年代,但这方面的研究仍是是一个热点领域。目前已经存在大量的的研究表明了城市化对降雨具有明显的影响。
3.  城市水文过程
    城市不透水面及人工排水系统是城市水文变化的两个基本驱动因素。它们会导致洪峰流量、年平均径流及径流的变化率增加,而使下渗和水文反应时间减少。
(1)地表径流过程
    不透水面对水文具有重要影响,它能够消除下渗,因此使地表径流量大幅度增加。街道和道路被认为是不透水的,但是他们的水文特征随降雨强度和持续时间而变化。然后,不仅仅是地表状况决定其水文特征,他们与受纳水体连接关系也具有重要的影响。此外,不透水面对径流温度变化的影响也是最近的新研究方向。与此同时,大量的研究还分析了城市区域的透水表面的产流特征。一些研究表明,城市透水区域对径流的贡献较小,而另一些研究认为贡献较大。这也说明了城市透水区域的水文状况很难模拟,需要一些统计或者分布的植被-土壤-水文模型。
(2)地下径流过程
    城市化与地下径流的关系已经被详细的研究,结果表明,由于自然流域特征的变化及城市化本身的特点,使城市地下径流很复杂。地下径流由于城市化的原因可能增加也可能减少。城市排水,下水道和水供给设施还与地下径流相互作用。正因为城市地下径流复杂,而地下径流对受纳水体的水质状况具有重大影响,研究合适的工具和一些常用的指标是未来研究的重要研究领域。
(3)城市蒸散发
    在林地集中的自然流域,蒸散发占降水的60-95%,因此定量城市蒸散发对于解决城市水量平衡至关重要。到目前为止,城市蒸散发主要有气象学家来研究。最近,它才从城市水文学的角度受到关注,因为城市水文学家想弄清楚城市设计及雨洪管理对水量平衡的影响。考虑到蒸散发在城市水量平衡中的重要作用,发展一些城市蒸散发观测方法,并进一步进行模拟是至关重要的。
(4)城市化对河川径流(streamflow)的影响
    在降雨径流模型中精确的定量不透水区域是非常重要的,进一步表明城市化,特别是自然和人工排水系统对城市水文具有关键性的作用。研究城市化的影响,主要有数据统计方法和模型方法。流域总的不透水面往往被用来定量城市化的影响,但是不是所有的研究都将进入受纳水体和进入邻近的透水面的不透水产流量区分开来。同时,很少有模型对城市周边区域或者城市郊区流域的水文状况进行模拟,这应该是目前这方面研究的一个不足。
4. 城市水文对受纳水体的影响 (Impacts of urban hydrology on receiving water)
    即使城市流域的受纳水体城市化程度很低,由于城市化的水文影响,也可能不断退化。
(1)城市水文对生态退化的重要影响
(2)对水质的影响
    城市化对水质的影响主要通过两种机制,一种是通过土地利用变化和人为的活动,增加污染的产水;另一种是通过增加的地表径流及水力效率(hydraulic efficiency)。总体上,对水质的影响研究主要集中在水质,有机物,营养物,重金属方面,但是最近,越来越集中在致病菌方面。过去20年,城市污染物浓度的预测一直是一个难点,目前最受人关注的方法,是通过决定性模型,这种模型将水质作为水文和水利现象的直接函数。
(3)对地形的影响
5. 管理城市水文的综合方法
(1)原理和目标
    管理城市径流是随着其环境影响认识而发展的,综合方法有许多叫法,如Sustainable Urban Drainage Systems(SUDS) , Water Sensitive Urban Design (WSUD)  and Low Impact Development (LID),但他们的目标是基本相同,如城市水循环可持续发展,水资源保护,水质保护与恢复,增强城市景观及城市舒适度。
(2) 城市径流的管理技术
    城市径流管理技术的应用主要包括两个方面,一是水质的治理,二是水文变化的减缓(mitigation of hydrologic changes). 根据水流特征,城市径流的管理方法包括两类,一类是基于下渗的雨洪管理技术,如swales, infiltration trenches, basins, unlined bioretention systems (rain gardens), porous pavements;一类是基于滞留(retention)的雨洪管理技术,如wetlands, ponds, vegetated roofs, rainwater/storm water harvesting。但是前者需要考虑增加下渗的同时也增加了地下水被污染的风险,后者需要考虑的是,这种技术可以降低peak flow, 但是可能增加洪峰的持续时间。
6. 模型(modelling)
(1)城市流域水文模拟
    尽管现在有一些很流行和广泛使用的软件,用于城市水文和雨洪排泄的问题的解决,降雨径流模型仍然是一个热点研究话题。模型可以具有不同的时间步长,从天到分钟。除了时间分辨率,城市水文模型可以根据不同的标准进行划分:根据空间分辨率,可以划分为集总式和分布式模型;根据连续性可以划分为基于事件的模型(event based models)和连续性模型(continuous models)。城市水文模型的发展趋势是发展更好的描述降雨径流响应的时空变化的模型。利用越来越多城市空间信息,城市水文越来越多地被分布式的方法进行模拟。未来更好地描述径流空间变化特征,近期研究重新将单位线的概念应用到城市流域中。这种基于事件的概念,能够利用详细的城市排水系统来概括在整个流域尺度水道网络的作用。基于单位线的方法,都认为流域的响应与城市排水系统直接相关。最近几年,连续性的模拟是城市水文模型发展的一个趋势。虽然这种方法需要更多的计算和时间,但它能提供更加丰富的有用信息。向连续性模拟发展,需要解决和预测流域水份状况,从而计算降雨超渗产流量。流域水分包括下渗,填洼,地下水,管道水,retention等。连续性模拟模型要综合考虑不透水面,透水面、城市基础设施和地下径流之间的相互作用。
(2)城市径流综合管理模型
    城市径流综合管理模型的一个范例就是同时将供水,排水和污水作为整个水循环的一部分。综合方法试图从不同目标(保护公共卫生,预防洪水,保护受纳水体的生态系统,最终降低城市化对水文的影响)中找到最优方法。它需要从不同尺度上模拟城市水循环的各个部分。最早的雨洪模型只关心水文和水力影响,后面才关心水质影响。在复杂的水力学模型和概念性模型之间仍然存在鸿沟,水力模型能够描述网络尺度上的水力影响,而往往不能描述洪水管理和截留技术,而概念性模型恰好能描述。因此整合水力模型和概念性模型是未来研究的一个具有重要意义的方向。在最近的一段时间,一些更雄心壮志的模型被开发,并致力于将雨洪管理策略的设计和评价纳入到一个更广泛的城市水资源管理系统中,包括水供给、污水处理、下渗、蒸散发、生活用水等。尽管这类模型比较先进,但是它们需要的数据更多,需要充分理解各部分之间的关系,而且不容易评价其模拟精度。
7. 模型验证和不确定性分析
    水文模型的应用具有许多不确定性,包括输入数据、模型参数、模型结构、及校准和验证数据。因此,模型校准和验证、敏感性和不确定性分析是评价模型精度和可靠性的重要问题。不确定性分析,有利于模型应用者在决策过程中更加合理的执行。由于现在流行的模型越来越复杂,并且开始研究气候变化等的水文响应,使不确定性分析越来越具有挑战性。
8. 结论和展望
    在过去几十年,城市水文在基本认识和研究方法方面都具有很大的发展。新兴的降雨观测、分析和预测技术不断出现,使得解决较小时空尺度的降雨径流响应研究的可行性不断增加,但是,充分地理解降雨的时空特征仍然比较薄弱。因此,一个重要的研究重点应该致力于发展短期降雨预测的可靠技术,而这需要水文学家和气象学家一起合作,并且考虑城市化对降雨的影响。
    易变和复杂的城区降雨径流响应仍然是一个热点研究话题,特别是在混合城区和自然区域的流域,可能发生多重洪峰,较难预测。尽管不透水区的径流相对比较容易模拟,而透水区的变化及其对地表和地下径流的影响比较复杂,而且具有地域限定性。
    由于更加综合的水流机制研究方法逐渐取代传统的单一的仅考虑洪峰的研究方法,城市化对降雨径流响应的影响变得更加复杂。然而,综合的方法由于在水文指标和城市化对基流影响方面的意见不一致性而受到阻碍。与此同时,雨洪管理还涉及到对城市污染物的产生、转移和运输。
    尽管蒸散发对产流和城市景观都具有很大影响,由于城市化导致的蒸散发损失,仍然不能很好的量化,需要发展先进的蒸散发观测工具。目前一个比较感兴趣的方向,是将蒸散发恢复技术融入到一个更加综合的雨洪管理方法中,但这种尝试仍是是很简单的。
    虽然城市化增加的径流会对人类和受纳水体产生威胁,但对于城市来讲,也是一个很好的机会。采集过量的雨水,可以保护水生生态系统,并且为城镇提供重要的水资源。因此雨洪的环境、经济和社会价值具有进一步得到研究。
    随着城市数据越来越丰富,城市水文模型向着分布式连续性模型发展。由于考虑了城市水循环的各个部分,模型更加复杂,因此需要更加复杂的技术评价其不确定性。分布式连续性模型的发展很快,但不幸地是,模型的验证和不确定性分析滞后于其应用。
    一个新出现的重要问题就是气候变化对城市水文的影响。因此,迫切需要更好地理解城区的降雨特征,评价这些变化对雨洪管理系统的效率及可靠性的影响。伴随着这些变化在时空上的不确定性,也迫切需要知道城市雨洪系统如何能够被设计成适应未来变化的系统。
    总之,在更加广泛的城市水资源管理框架下的综合雨洪管理系统是发展的一个明显趋势。需要认识到的是,城市水文成分之间的相互作用于水文成分本身一样重要,从而需要收集新的数据类型和发展新的模型。同时,这种需要并不说明我们不需要对城市降雨径流响应及雨洪管理进行更深入的认识。这种需要只是说明,城市化的水文影响研究涉及到多个学科领域。城市水文仍然是城市水系统管理的一个驱动变量,但是只有通过综合考虑气候、土地利用、生态和社会,才能得到最佳的结果。因此,未来的研究将更加复杂,以满足不断城市化的世界的需求。

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