（自然地理学专业论文）不同坡度下城市下垫面景观结构对降水蓄渗影响实验研究.pdf

摘要 城市下垫面包括城市范围内的水域、林地、草地、硬地面、农田和裸地，是城 市土地利用的总和。城市化高速发展的今天，随着城市人口的集中，城市面积的扩大， 大量街道、建筑物等相继建成，除绿地之外城市下垫面基本被水泥、沥青覆盖，使城 市下垫面形成了不透水层。由于城市中大量不透水面积的存在，阻碍了雨水的下渗， 大量的雨水径流没有利用就直接排放掉了，一方面地下水得不到足够的补充而引起枯 竭，另一方面造成了水资源的严重浪费；当降雨量很大时，要在短时间内排出大量的 雨水，加大了城市排水设施的负担，增加了城市雨水洪灾的概率；另外，还会导致城 市地表水分环境与自然状况显著不同，对地表的热力特性有极大地影响，加大了城市 热岛效应的出现几率。不同城市的地貌类型不同，同一城市的地面坡度也不相同，坡 度对于地表径流的形成，对降水的下渗都有重大的影响，因此坡度也是影响城市下垫 面降水蓄存的重要因素。本文通过实验室模拟实验，研究了不同坡度条件下，景观结 构与降水蓄渗的关系，有利于解决城市雨水资源利用、管理、调控等问题，对社会、 经济、环境的和谐发展和统一具有深远的意义。 本文采用的是实验室模拟实验，模拟城市下垫面地形、景观结构以及大气降水， 研究了不同坡度情况下，景观结构与降水蓄渗的关系。在0 。2 0 。之间每隔5 。， 改变不透水斑块的重要值、形状、均匀度和分离度，测定降水产流量，并计算降水蓄 渗率。对实验数据进行比较后得出结果：，当下垫面坡度相同时，降水蓄渗率随不透水 斑块重要值、形状、均匀度、分离度的改变而相应发生变化，其中不透水斑块的重要 值影响最大，形状、均匀度和分离度的影响次之；当下垫面坡度不同时，在坡度较小 的情况下，景观结构对于降水蓄渗的影响影响较大，但随着坡度的增大，景观结构对 于降水蓄渗的影响越来越小，即随着坡度的增大，对于降水蓄渗的影响将从景观结构 为主导，转变为坡度占主导地位。 关键词：不同坡度：城市下垫面；景观结构：降水蓄渗 a b s t r a c t c i t yu n d e r l y i n gs u r f a c ei n c l u d e sw a t e ra r e a 、h o l t 、g r a s s p l o t 、h a r dg r o u n d 、f a r m l a n d a n db a r eg r o u n di nt h ec i t y , w h i c hi st h es u m m a t i o no fc i t yl a n du s i n g t h eu r b a n i z a t i o ni s d e v e l o p i n gq u i c k l y , l o t so fs t r e e t sa n db u i l d i n g sa r eb u i l tw i t ht h eu r b a np o p u l a t i o n c e n t r a l i z i n g a n du r b a na r e a i n c r e a s i n g t h e r ei s as t a u n c hl a y e r , b e c a u s et h e c i t y u n d e r l y i n gs u r f a c ei sc o v e r e dw i t hc e m e n ta n db i t u m e n m u c hs t a u n c ha r e ao b s t r u c t st h e u r b a nr a i n f a l li n f l t r a t i o n t h er a i n w a t e ri sd r a i n e dw i t h o u tu s i n g ，s ot h a tt h eg r o u n d w a t e r i sd r i e du pf o rs h o r to fs u p p l e m e n to fs u r f a c ew a t e ra n dw a t e rr e s o u r c ei sw a s t e ds e r i o u s l y ； l o t so fr a i n w a t e ri sd r a i n e di ns h o r tt i m ew h e nh a r dr a i n i n g ，s oi tb r i n g sa h l l g ep r e s s u r eo n t h eu r b a nd r a i n a g es y s t e ma n da g g r a v a t e st h ef l o o dd i s a s t e r ；i ta l s oc a l lm a k et h ed i f f e r e n c e b e t w e e nu r b a ns u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n ta n dn a t u r a le n v i r o n m e n t ，a f f e c tt h ee n e r g e t i c c h a r a c t e ro fg r o u n ds u r f a c e ，a n da d dt h ep r o b a b i l i t yo ft h eh o ti s l a n di m p a c ti nt h ec i t y t h ep h y s i o g n o m yi sd i f f e r e n ti ne v e r yc i t y , a n dt h eg r o u n dg r a d i e n t sa r ea l s od i f f e r e n ti n t h es a m ec i t y t h eg r a d i e n ti st h ef a c t o rw h i c ha f f e c t st h er a i n f a l li n f i l t r a t i o no fc i t y u n d e r l y i n gs u r f a c e ，b e c a u s ei th a sa l li m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h ef o r m i n go fs u r f a c er u n o f f a n dr a i n f a l l i n f i l t r a t i o n o b v i o u s l y , i t i s f a r - r e a c h i n gm e a n i n g s t ot h eh a r m o n i o u s d e v e l o p m e n ta n du n i f i c a t i o no fs o c i e t y 、e c o n o m ya n de n v i r o n m e n tb ys o l v i n gt h e p r o b l e m so fu s i n g 、m a n a g e m e n ta n d c o n t r o lo fu r b a nr a i n w a t e rr c s o u r c e i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra d o p t st h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r y , a n ds i m u l a t e s c i t yu n d e r l y i n gs u r f a c e 、l a n d s c a p es t r u c t u r ea n da t m o s p h e r i cr a i n f a ht os t u d yo nt h e r e l a t i o n s h i po fl a n d s c a p es t r u c t u r ea n dr a i n f a l li n f i l t r a t i o ni nd i f f e r e n tg r a d i e n t s c h a n g i n g t h ep r o p o r t i o n 、s h a p e 、e v e n n e s sa n ds e p a r a t i o no fs t a u n c hp a t c ha ta ni n t e r v a lo f5 。 b e t w e e n0 。a n d2 0 。m e a s u r i n gt h es u r f a c er u n o f fy i e l da n dc o u n t i n gt h er a t eo fr a i n f a l l i n f i l t r a t i o na f t e rs i m u l a t i n gr a i n f a l l a f t e rc o m p a r i n g , t h er e s u l t ss h o wt h a tr a i n f a l l i n f i l t r a t i o nc h a n g e sb yc h a n g i n gt h ep r o p o r t i o n 、s h a p e 、e v e n n e s sa n ds e p a r a t i o no fs t a u n c h p a t c h ，t h ep r o p o r t i o no fs t a u n c hp a t c hh a st h eg r e a t e s ti n f l u e n c e ，a n dt h es h a p e 、e v e m l e s sa n d s e p a r a t i o no fs t a u n c hp a t c hh a v el e s si n f l u e n c e ；l a n d s c a p ei n s t r u c t i o nh a sg r e a t e ri n f l u e n c e t or a i n f a l li n f i l t r a t i o nw h e nt h eg r a d i e n ti ss m a l l ，h o w e v e r t h ei n f l u e n c ei sl e s sa n dl e s s ， n a m e l yt h eg r e a t e ri n f l u e n c eo fl a n d s c a p es t r u c t u r et ot h er a i n f a l li n f i l t r a t i o nh a st u r n e dt o t h eg r e a t e ri n f l u e n c eo ft h eg r a d i e n tt ot h er a i n f a l li n f i l t r a t i o nw i t ht h eg r a d i e n ti n c r e a s i n g k e yw o r d s ：d i f f e r e n tg r a d i e n t s ；c i t yu n d e r l y i n gs u r f a c e ；l a n d s c a p es t r u c t u r e ；r a i n f a l l i n f i l t r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名： ) 冬 刃可专 日期： 土! 幸童：1 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的 规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大 学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：监指导教师签名：滋 日 期：型啦研日期：立掣 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 1 引言 1 1 选题依据及研究意义 城市化是工业化的必然结果，是人类进入工业社会后农业活动比重逐渐下降而非 农业活动逐渐上升的过程，是人类社会文明程度提高的重要标志。城市化带来了城市 人口的增多，城市面积的扩大，城市基础设施的改进，城市法规制度的健全。城市的 经济飞速发展，使城市居民的生活水平有了大幅度的提高。然而，城市化也带来了许 多负面影响，如水资源短缺、水灾害频发，以及雨水资源的流失等问题。 城市地表水文过程与自然状态下的地表水文过程有着显著的区别( 如图1 1 、图 1 2 ) ： 大气降水 ： 图1 1 自然地表水文过程示意图 大气降水 iiii iiii liii liil liii il ii 图1 2 城市地表水文过程示意图 城市化的发展对水资源的需求非常大，许多城市都处于严重缺水之中。根据水利 部1 9 8 6 年完成的全国水资源评价结果，我国多年平均降雨量为6 1 8 8 9 亿1 1 1 3 。多年平均 径流总量为2 7 1 1 5 亿m 3 ，多年平均地下水资源量为8 2 8 8 亿m 3 ，扣除两者的重复计算量， 水资源总i 为2 8 1 2 4 亿m 3 ，即降水量的4 5 转化为地表水和地下水，5 5 消耗于蒸发【1 1 。 l 可见，我国降雨量的大部分都消耗于蒸发，如通过一定的技术措施增加产流、抑制蒸 发，则可减少蒸发损失，增加可利用水资源量。而在许多城市，大量雨水资源没有得 到有效的利用，通过地表径流白自流失，雨水利用率还不到1 ，这更加重了城市的 缺水程度。另外，城市建设中，树木、绿草地面积的减少，大量的房屋和道路的兴建， 导致了城市下垫面不透水面积的增加，阻碍了降雨的渗透，造成了降雨对地下水入渗 补给的大量减少，加剧了地下水枯竭的程度和范围。 在城市中，天然的调蓄系统湖泊、洼地池塘、沟壑不断被填平，河道被侵占，加 上河道长期淤积，造成河道泄洪排涝能力下降。城区雨水排放管网的修建，会造成径 流量的增加以及地面汇流时间的缩短，从而加速雨水在城市河道汇集。德国鲁尔区对 城区、闲置农田及森林在相同的降雨条件下的径流量进行对比，发现最大径流量城区 为7 0 9 i s k m 2 ，闲置农田为3 0 7 l s k m 2 ，森林为3 l s k m 2 ，得出了在相同降雨条 件下城区的径流量远大于农田及森林的结论l ”。显然，城市化导致的径流量增大以及 径流的稳定性变差成为导致城市水灾害日趋严重的重要因素，同时大量的雨水的排放 也给城市的排水系统带来了巨大的压力。 另外，城市透水面积小，雨水入渗少，导致的城市地表水分环境与自然状况显著 不同，对地表的热力特性有极大地影响，进而使地表对空气的加热也与自然状况显著 不同，加大了城市热岛效应的出现几率。 不同的城市地貌不同，同一城市中地面坡度也不同。从理论上说，随着坡度的增 加，降落到土壤表面的雨滴所形成的坡面水流流速越大，水层厚度变小，水层的正压 力越小，入渗能力就降低了。坡度对于地表径流的形成，对降水的入渗都有重大的影 响。因此，坡度是影响城市下垫面降水蓄存的重要因素。 本文通过实验室模拟实验，研究在不同坡度条件下，景观结构与降水蓄渗关系问 题。通过定量研究这三者的关系，可以促进城市雨水资源利用，缓解城市水资源短缺 的问题：可以加强对城市雨水资源的管理，降低洪灾发生的概率；可以促进城市水资 源的合理循环，改善城市小气候，对社会、经济、环境的和谐发展和统一具有深远的 意义。 景观生态学的研究对象包括三个基本方面：( 1 ) 景观结构，即景观组成单元的类 型，多样性及其空间关系；( 2 ) 景观功能，即景观结构与生态学过程的相互作用，或 景观结构单元之间的相互作用；( 3 ) 景观动态，即指景观在结构和功能方面随时问推 移发生的变化。景观的结构，功能和动态是相互依赖、相互作用的，结构在一定程度 上决定功能，而结构的形成和发展又受到功能的影响。本文研究的城市下垫面的不透 水斑块对降水蓄渗的影响，即城市下垫面的景观结构与降水蓄渗功能的关系问题，很 好地将二者结合起来进行了研究。 景观格局与景观功能的关系问题是景观生态学研究重要方面，但是以往景观生态 学倾向于研究水平面上景观格局、过程和功能之间的关系，本文则是把范围扩展到垂 直方向上，将坡度、景观结构与降水蓄渗功能联系在一起，通过实验室模拟，研究了 坡度对景观结构与降水蓄渗功能的影响，这使景观生态学的研究得到了深入，推动了 2 景观生态学的发展。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 景观结构研究现状 景观结构一直是景观生态学研究的核心问题之一，在国内外一直受到重视。 1 2 1 1 国际上景观结构的研究现状 景观要素是景观的基本单元。按照f o r m a n ( 1 9 8 6 ) 的斑块廊道基质模 式，依据各种景观要素在景观中的地位和形状，可将景观要素分成三种类型：嵌块体 ( p a t c h ) 、廊道( c o r r i d o r ) 、基质( m a t r i x ) p l 。 s i m o n ( 1 9 6 2 ) 认为，以相似的速度和空间尺度运行的城市要素彼此之间相互作用并 形成复杂、嵌套状等级结构，而一个( 稳定) 城市系统吸收或适应突发性干扰的能力， 很有可能与这种结构有重要关系1 4 j 。 km i c h a e l 指出，大范围的景观结构和多尺度的研究方法有助于城市科学和区域 科学的研究，这种研究视角需要从时间、空间和城市规模等多种尺度来分析城市规模 分布的等级结构模式【5 1 。 f r e l i c h 等( 1 9 9 8 ) 利用马尔可夫模型研究了森林景观中的l 临近效应( n e i g h b o u r h o o d e f f e c t ) 对斑块结构的影响。研究结果表明临近效应不可能引起大范围的异质性，但 在小范围，是森林景观格局及异质性形成的重要动力。 f o r m a n 和g o & o n ( 1 9 8 6 ) 在观察和比较各种不同景观的基础上，认为斑块与其 相临区域的对比度可以影响许多重要的生态过程【6 l 。 r a n n e y e ta l ( 1 9 8 1 ) 指出边缘效应很大程度上受到斑块之间对比度的影响，在沿 着具有高对比度的边缘，微气候的改变( 如风、光照强度等) 可以更深入的影响到斑 块内部m 。 e d w a r d s 等( 1 9 9 6 ) 研究了放牧草地景观中植被的空间格局，研究结果表明，牧 草并非随机地分布，而是呈斑块状。在小尺度下，牧草( 白三叶) 斑块的平均大小为 1 1 m ，分割斑块的间隙( 无白三叶的区域) 平均为2 3 m 。随着尺度的增加，小斑块 聚集成更大的斑块，被更宽的( 4 1 m ) 的间隙所分割。在放牧下，斑块格局没有显著 的变化。在删割中，斑块面积增加，分割间隙的面积则减小；同时生物量、覆盖显著 增加，表明异质性的利用方式对草地景观空间格局的维持与发展具有及其重要的作 用。 。 。 1 2 1 2 国内景观结构的研究现状 近年来我们国家的学者针对景观结构的研究开展了大量的工作，也取得了很大的 成绩。主要研究领域包括：使用景观指标定量分析景观结构特征和变化的理论、方法 和应用研究、利用g i s 管理和分析空间数据计算景观指标、利用遥感技术和地理信 息系统进行景观结构格局的定量和定性分析等。主要的研究课题有： 随着景观生态学的成熟和发展，大量的数量方法已经被引入对景观结构的研究之 中f 小。这些数量方法，按其描述内容可分为：斑块( 其中包括斑块数量、斑块大小和 斑块形状等) 、综合景观( 包括景观异质性、格局与尺度、景观动态) 。如王胜在文章中 着重地介绍了描述景观结构特征的数量化方法，包括斑块数量、斑块大小、景观的异 质性分析和景观的格局和尺度的分析等等【1 。傅伯杰描述了景观中常用的多样性指数 包括：丰富度及相对丰富度，s i m p s o n 指数，s h a n n o n w e i n e r 指数，相对分块性、优 势度等指数 1 2 a 3 1 。 傅伯杰等( 1 9 9 5 ) 通过对比陕北黄土丘陵沟壑区景观多样性的分析发现，沟间地 景观类型多样性低，优势度高，相对丰富度和破碎化低；沟谷地景观类型多样性高， 优势度低，相对丰富度和破碎化度高。一般来讲，沟间地只分布有梯田农地，坡耕地 和草地等景观类型，而沟谷地分布有坝地、坡耕地、草地、灌木林地和乔木林地，景 观类型多，相对丰富度高，多样性指数大，破碎化度大，优势度低，受多种类型的景 观支配。通过研究，根据景观生态学中连接性和网络结构等原理，以及景观类型对坡 面径流和水土流失的影响，在构建地上，要逐渐增加景观类型，提高景观多样性。特 别在梁峁顶和梁峁坡，以及梁峁坡地地形转换线周围，也是水土流失类型由溅蚀，片 蚀到细沟侵蚀，浅沟侵蚀到沟谷和重力侵蚀地转换带上，栽植l o m 宽地灌木林带， 既能有效控制土壤侵蚀，保持水土；又能建造长形地生态廊道，与现有灌木和林地构 成网络，有利于物种的迁徙及本地物种的恢复与保护【l ”。 王晗生等人根据景观生态学的观点，对流域的产沙特征及其与林草植被的关系进 行了探讨，表明流域土壤侵蚀状况是由其农、林、草地等生态系统之间产流与拦蓄两 种作用相互影响的结果，其中作为地表径流滞纳区的林草植被斑块起重要作用。林草 覆盖率越高，植被对侵蚀的绝对控制能力越强，否则流域地形因素的影响亦不可忽视。 还分析了流域临界林草覆盖率的定义，表明i 临界林草覆盖率随其平均坡度的增大而增 大。当流域林草植被整体覆盖率达5 0 以上时，植被可稳定高效地抑制水土流失。进 一步分析认为，利用计算机技术并借助有关图件深入研究植被的空间格局才能完整阐 明植被的整体防蚀作用，同时探讨植被斑块对富集叠加径流的滞纳作用也是十分必要 的【1 4 】。 王夏晖等人选取了天津于桥水库北岸桃花寺流域作为实验流域，进行了流域景观 格局对生态水文及磷污染物迁移转化过程影响的野外实验研究。研究结果表明，流域 中广泛分布于季节性河流附近的汇型景观结构( 石坝、植草水道、植被过滤带、干塘、 缓冲区等) ，通过滞留缓冲功能，对地表径流的流速及流量具有双重调控作用，延长 了养分物质在流域内部的滞留时间，对产生于不同源区的面源污染径流具有截留、吸 纳、贮存作用，使径流中泥沙和磷素浓度逐渐得到降低，减少了养分对下游水体的负 荷输出多次降雨径流的监测结果表明，无论在大暴雨下的连续流事件还是在小雨下 的间断流事件中，汇型景观结构均能表现出良好的养分持留功能。在间断径流事件中， 污染径流全部为汇型景观结构所截留，泥沙和磷素的持留率更高。对2 1 场降雨径流 事件的统计分析结果表明，干塘和植被过滤带是本实验流域控制污染物输出较为稳定 的两种结构l l ”。 4 何念鹏等人以研究点与村落中心间的距离作为人为干扰强度的划分指标，把村落 按重度人为干扰、中度人为干扰和轻度人为干扰3 个等级分为中心区、过渡区和基质 区，分析不同人为干扰强度与村级景观特征的相互关系。结果表明：随着人为干扰强 度的增强，多样性指数、相对丰富度指数和均匀度指数均相应增大，在中度人为干扰 强度区，上述3 种指数均最大，但优势度指数最小。随着干扰强度的增强，与人们生 活密切相关的景观类型的分形维数减小，斑块的相似性增强i l “。 景观结构指数是区域生态安全评价体系的重要指标因子群组。左伟等利用模型技 术与g i s 技术相结合的方法，在g i s 及多种软件平台优化组合的基础上，实现遥感 数据的小流域景观结构指数的信息提取【l ”。 李团胜，肖笃宁应用g i s 技术，对沈阳市城市景观结构进行了分析，结果是： 景观多样性指数2 8 4 7 ，优势度指数1 0 5 9 ，聚集度指数o 8 0 3 ，均匀度指数5 8 2 ， 斑块密度3 7 - q k m 2 ，一环内斑块密度8 8 2 5 + k m 2 ，道路密度5 5 2 k m k m 2 ，水系密 度0 1 9 8 k i n k i n 2 。结论是：目前常用的景观指数适干城市景观。沈阳市城市景观结构 不合理，工业用地过多，市政设施用地和商业服务用地严重不足。在空间布局上，工 业用地占据区位条件好的市中心地带，所以用地结构必须调整1 1 ”。 余世孝，郭泺将泰山风景区划分为8 个区域1 1 个基本景观类型，包括松林、栎 林、刺槐林、侧柏林、针阔叶混交林、经济林、灌丛、裸岩、荒地、水体、建筑。在 此基础上，利用3 s 技术和分形理论对各个景观要素进行了分析，并讨论了景观特性 及其变化的分形性质。结果表明：( 1 ) 分维值的大小反映了景观斑块面积、斑块数量 和平均斑块面积等因素的相互作用，在一定尺度下分维的大小反映了区域内景观斑块 的不规则程度和复杂程度，斑块越不规则、越复杂，其分维越大，反之亦然。在泰山地 区，自1 9 8 6 年至2 0 0 1 年，刺槐林一直保持着较高的分维值，其它景观类型的分维值 则差别不大，而针阔叶混交林的分维值变化较大；( 2 ) 森林景观受多种因子的影响， 在高海拔区域主要受垂直地带性规律影响为主，在旅游区主要受人类活动的影响为 主，1 5 a 来各个区域分形维数的总体变化趋势相似；( 3 ) 大部分区域在2 0 0 1 年的景 观多样性、破碎度高于1 9 8 6 年的，而景观优势度则略为下降1 1 9 1 。 曾辉等人利用多时段景观遥感制图信息和景观格局研究方法，对深圳市龙华地区 快速城市化过程中城镇建成区和新开发区两种建设用地类型的结构和空间分布特征 进行了研究。结果表明，两种类型研究期间斑块数量、平均面积大幅度增加，碎裂化 程度不断降低；建成区增长主要有大型居民点持续扩张和独立小斑块不断产生两种模 式，开发区建设的高峰时期是1 9 9 0 1 9 9 4 年，受地形和交通等因素的影响，建成区 一直表现出显著宏观异质性分布特征，但孔隙度水平不断降低，中小尺度的分布差异 仍然比较明显：新开发区受与建成区相同的约束条件限制，同样表现为宏观异质性特 征，空间不均匀分布的表现尺度大于建成区。工作区内因城建用地快速膨胀引起的各 种生态问题急需通过土利用政策的调整加以解决【硼。 娄彩荣等人利用地理信息系统m a p i n f o 技术，采用景观多样性、优势度、均匀 度和破碎度等景观生态学指标，对江苏省徐州市三环路内城市公园绿地系统的景观结 5 构进行了定量分析。结果表明，徐州市三环路内公园绿地景观总量少；景观多样性偏 低；公园绿地以大面积的自然景观类型为主；公园绿地总体分布不均匀，呈“内高外 低”、“北高南低”之势。在徐州市三环路内各区的公园绿地布局中，泉山区的综合评 价结果最好，云龙区和鼓楼区次之，九里区最差【2 l l 。 1 2 2 城市降水蓄渗与地面产流的研究现状 1 。2 2 1 国际上城市降水蓄渗与地面产流的研究现状 雨水作为一种极有价值的水资源，早已引起许多发达国家的重视，在这些国家， 雨水利用工程已是一项重要的水资源利用工程，有些国家和地区已建立了适合其地区 的实施体系、评价方法和监督管理机制，以及一系列的法律法规。其中，发展较快的、 雨水利用技术已达到世界领先水平的是德国和日本等国家，其城市雨水的资源化和收 集利用已有较长的历史，并逐步进入到标准化和产业化阶段。德国雨水利用技术已从 第二代向第三代即设备的集成化过渡。 近二十多年国外在减轻城市洪涝灾害方面发展很快，建造了各种新型的抑制降雨 径流的设施。总体上可分为硬措施和软措施两大类，其中为减轻城市洪涝灾害而采取 的新型设施主要为流域雨水贮留设施、流域雨水渗透设施两大类i z 2 - 3 们。 日本是雨量充沛的国家，在城市屋顶修建了雨水浇灌的“空中花园0 在减少城 市地表径流的同时，减少自来水的消耗，增加了城市的绿地面积，美化了城市环境， 净化了城市空气，吸收了城市噪声，还能够降低城市的热岛效应 3 7 1 。日本也注重修 建蓄积雨水的工程设施，既控制了汛期多余的雨洪径流，又减少了排水设旄，同时也 缓解了城市水资源的供需矛盾。如日本名古屋的若宫大通调节池，建在城市街道下面 ( 与地面仅有一层混凝土板相隔) ，长约3 1 6 m ，宽度为4 7 5 0 m ，最大贮流量约为1 0 x 1 0 m 3 【3 8 】。近年来，各种雨水流入设施在日本得到迅速发展，包括渗井、渗沟、渗 池等，这些设施占地面积小，可因地制宜地修建在楼前屋后。日本政府于1 9 9 2 年颁 布了“第二代城市排水总体规划”，正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体 规划的组成部分，要求新建改建的大型公共建筑物必须设置雨水下渗设施。 德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一。在上个世纪初期就已经发布了 “对未受污染雨水的分散回灌系统的建设和测量”。德国利用公共雨水管收集雨水并 经简单的处理后达到杂用水水质标准，可用于街区公寓的厕所冲洗和庭院浇洒， 部 分地区利用雨水可节约饮用水达5 0 1 3 外。目前，德国在新建小区( 无论是工业、商 业、居住区) 时均要设计雨水利用设施，否则，政府将征收雨洪排放设施费和雨水排 放费l 删。德国k r o n s b e r g 的城区，在建筑区域和铺筑地面，所有的降雨量都被吸收、 收集并逐渐释放。在公共街道，雨水流入设置在路边的“m r 系统”( 水洼渗水沟系 统) 中，依靠该系统强大的蓄水能力保留雨水并逐步渗透地下，多余的雨水依靠排水 管排放；在私人开放空间、屋顶和铺筑地面的雨水也通过各种方式被收集并逐渐释放； 而在居住区域，这些雨水则被引入池塘等开放水系，通过恰当的设计，形成良好的生 态环境，并创造了高质量的开放空间。同时，还在所有的用水设备上安装节水器以节 约用水量1 4 ”。 6 美国的雨水利用是以提高天然入渗能力为其宗旨，针对城市化引起河道下游洪水 泛滥问题，美国的科罗拉多州( 1 9 7 4 年) ! 佛罗里达州( 1 9 7 4 年) 和宾夕法尼亚州( 1 9 7 8 年) 分别制定了雨水管理条例。各州普遍推广屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水 路面组成的地表回灌系统，其中加卅i 富雷斯诺市年回灌量占该市年用水量的1 5 f 4 甜。 1 2 2 2 国内城市降水蓄渗与地面产流的研究现状 中国城市雨水利用起步较晚，目前主要在缺水地区有一些小型、局部的非标准性 应用。比较典型的有山东的长岛县、大连的獐子岛和浙江省舟山市葫芦岛等雨水集流 利用工程。大中城市的雨水利用基本处于探索与研究阶段，但已显示出良好的发展势 头。北京、上海、大连、哈尔滨、西安等许多城市相继开展研究。由于缺水形势严峻， 北京市的工作步伐较快。2 0 0 1 年国务院批准了包括雨洪利用规划内容的“2 1 世纪初 期首都水资源可持续利用规划”。北京建筑工程学院和北京城市节水办公室从1 9 9 8 年开始立项研究，并于2 0 0 1 年4 月通过鉴定，开始在城区以示范工程来推广应用； 北京市政设计院开始立项编制雨水利用设计指南；北京市政府6 6 号令( 2 0 0 0 年1 2 月1 日) 中也明确要求开展市区的雨水利用工程1 4 3 j 。 近几年我国在城市降水蓄存方面的研究工作主要集中在三个方面：一是改变铺面 的材料，提高雨水下渗率，将城市不透水铺面改变成透水性路面，如采用有孔眼的不 透水铺面、多孔沥青、草皮砖等材料；二是采用渗水池、雨水调节池和湿地等收集处 理，并进行雨水再利用；三是扩大绿地面积，减小径流系数和削减降雨径流峰值。主 要的研究课题包括，“城市下垫面组成及其对水平衡要素的影响”( 曹伟征，曲春晖， 王邵玲，1 9 9 8 ) ，“研究湿地有效面积对暴雨径流调控作用的多因子模型”( 毛战坡， 尹澄清，单保庆，李贵宝，2 0 0 2 ) 等。 李岩，孙志毅研究了大连地区降雨产流模型，他们采用降水、蓄渗、蒸散发和径 流的黑箱子模型，求出流域的蓄渗量、蒸散发量和径流量，其中蓄渗量和蒸散发量由 三层蒸散发模型确定，径流量由蓄满产流模型确定。该模型与大连地区洪水汇流模型 联合，已在大连地区几座大型水库洪水预报中得到应用，基本可达到水库控制运用的 要求【4 4 1 。 车伍在他的书中，以循环经济和可持续发展的思想为指导，较系统地总结论述了 城市雨水利用技术与管理。突出城市雨水利用系统工程原理和科学理念，在重点介绍 城市雨水利用技术体系的同时也强调对城市雨水利用工程管理的重要性。雨水利用技 术体系的内容主要包括：城市雨水利用工程决策、城市雨水水质特征、雨水收集与截 污措施、雨水调蓄、雨水处理与净化技术、雨水集蓄利用系统、雨水渗透技术、雨水 综合利用系统等。城市雨水利用工程的管理主要涉及：雨水利用工程项目的评价、技 术经济分析、工程验收、运行与维护管理等。还介绍了较多的国内外城市雨水利用工 程的实例和成功经验【4 5 】。 徐向阳，纪桂霞等人在实验室内针对不同的土壤和水分条件，就开有孔眼的不透 水铺面下渗能力进行土柱试验，并分析了对城市地表径流系数的削减作用。探讨了目 前国外正研究采用的，将城市不透水铺面改变成透水性路面，以增加雨水下渗量和减 小地表径流系数，对我国城市的适用性1 4 6 1 。 李树平，黄廷林提出为减轻城市径流流量提高和水质污染所带来的不良后果，需 要采取必要的收集、处理和雨水再利用措施，这些措施包括就地径流控制措施( 如多 孔沥青、草皮砖和绿化等) 和现场外径流措施( 如渗水池、雨水调节池和湿地等) 1 4 7 。 杨翼涛，李夏通过工程实例，分析如何利用挡水设施( 在小区入口处设置拦水沟， 拦截小区外部市政道路及周围场地雨水，减轻小区内雨水管网负荷) ；地面径流控制 措施( 提高小区绿化覆盖率，敷设多孔沥青路面、草皮砖等都能减小径流系数，合理 充分地利用雨水涵养地下水源) ；现场外径流控制措施( 设计时可利用小区现有的水 系、池塘等洼地作为雨水渗水池和调节水池，在雨水管道上设置溢流管道与水池连 通。当暴雨强度超过设计排水能力时，雨水通过溢流管道流至水池，待降雨高峰过后 再慢慢排除) 等方法，解决大型低洼小区雨水排水问题i 铝j 。 张荣峰指出在城市中由于地下水被超量开采，造成潜水位下降，从而引起矿物 质流失，土体收缩，导致地面下陷、开裂，建筑物倾斜、倒塌等危害。为了防治城市 的这种水土流失应采取降水贮留入渗措施，如建贮留入渗林草地，高埂贮渗梯田、渗 透性铺盖、入渗池、入渗塘、入渗槽、入渗井等入渗工程，在城郊建贮留入渗型小流 域，并将贮留入渗纳入城市建设规划 4 9 1 。 1 2 3 坡度对城市降水蓄渗影响的研究 目前，关于坡度对降水影响的研究多存在于水利学领域，基于景观生态学领域的 研究几乎没有。研究多集中在降雨后坡度对土壤侵蚀量的影响或是对产沙过程的影 响；研究某一坡面上降水的入渗情况，研究方法多集中在实验模拟。关于坡度变化对 降水蓄渗影响的研究非常少。 周星魁，王忠科等采用小型降雨入渗仪模拟降水，研究植被和坡度对于降水蓄渗 过程的影响。得出以下结论：( 1 ) 提高植被盖度，可增加土壤水分的入渗能力，减少 地面径流，从而降低水土流失；( 2 ) 减少地面坡度，亦可相应增加土壤水分的入渗， 减少地面径流，从而降低水土流失御j 。 王秀英、曹文洪、陈东在他们的文章中阐述了坡度影响土壤侵蚀的机理，并对土 壤侵蚀l | 每界坡度进行了初步探讨，分析其存在的原因，指出临界坡度与土壤内在性质 植被、泥沙粒径、降雨特性、入渗等因素有关，并不是一个常数：最后结合小区径流 场试验资料分析了坡度对土壤侵蚀的影响1 5 1 1 。 石生新采用野外人工降雨的方法，研究了高强度降雨条件下地面坡度、植被对坡 面产沙过程的影响。研究结果表明：( 1 ) 影响坡面累积产沙量的临界坡度明显存在， 本试验中临界坡度介于2 3 4 。2 7 3 。之间；( 2 ) 植被具有良好的减沙作用。当植被 覆盖度超过6 0 ，植被的减沙效益均在9 0 以上( 与休闲地相比) 5 2 1 0 袁建平在文章中分析了目前土壤入渗试验装置的优缺点，研制了一套适用于野外 坡地土壤入渗产流的试验装置，该装置模拟雨强谱宽广( 0 a 1 0 m m m i n ) ，精度较高， 重复性好，误差不大于5 5 。试验结果表明：该装置是研究野外坡地土壤入渗产流 产沙较好的工具1 5 。 陈力、刘青泉、李家春采用运动波理论和两次改进后的g r e e na m p t 入渗模型建 立了坡面降雨入渗产流的动力学模型，并得到了实验资料的良好验证。运用该模型研 究了简单坡面上降雨入渗产流的动力学规律，分析了雨强、土壤初始含水量、渗透系 数、坡面阻力，以及坡长、坡度等因素对坡面产流过程的影响规律，得出了一些有益 的结论i 。 刘贤赵，康绍忠利用黄土高原沟壑区典型小流域坡地天然降雨入渗产流的实测 资料分别对考虑滞后效应与不考虑滞后效应的情况进行了模拟研究，结果表明：在降 雨入渗一产流过程中，滞后效应加快入渗速率，减少径流量；滞后模型使土壤含水量、 产流过程更加接近实测值。由此可见，土壤水滞后效应对土壤含水量、入渗速率、产 流过程及产流量都有相当大的影响，因此在水量转化研究工作中考虑滞后效应的影响 是必要的p 5 1 。 1 2 4 景观结构对城市降水蓄渗影响的实验研究 目前的研究多数停留在对某一景观的结构分析阶段，但能够把景观结构与城市降 水蓄渗结合起来的却不多。 岑国平，沈晋等人采用室内模拟降雨实验，对各种城市地面，如土地面、草地、 混凝土地面及其多种组合的产流特性作了系统试验，分析了降雨强度与历时、土壤湿 度与密实度、地面覆盖、不透水面积比例等因素对径流系数和产流过程的影响。 郭雪莲把景观结构与城市降水蓄存相结合，作了初步的研究，她研究了城市下垫 面空间构型与降水蓄存的关系。通过实验模拟，研究了景观结构对于降水蓄渗的影响， 最终得出不透水斑块的重要值对降水蓄渗的影响最大，均匀度和分离度的影响次之， 不透水斑块的形状指数影响最小。 总之，无论是国际还是国内，关于城市降水蓄存方面的研究、景观结构方面的研 究、坡度对降水的影响的研究都很迅速，也都取得了很大成绩，但将坡度、景观结构 与城市降水蓄渗结合在一起进行研究则很少。虽然现在已经有人定量地研究了城市典 型下垫面空间构型与降水蓄存的关系，但坡度与它们两者的关系还需要进一步的研 究。 o 2 实验室模拟实验 2 1 实验目的 1 研究不透水斑块的重要值、形状、均匀度、分离度与降水蓄渗的关系。 2 研究在不同坡度条件下，景观结构与降水蓄渗的关系。 ( 1 ) 不同坡度下不透水面积重要值对降水蓄渗的影响 ( 2 ) 不同坡度下不透水面斑块形状对降水蓄渗的影响 ( 3 ) 不同坡度下不透水面斑块分离度对降水蓄渗的影响 ( 4 ) 不同坡度下不透水面斑块均匀度对降水蓄渗的影响 3 。确定坡度、景观结构与降水蓄渗的关系 2 2 实验测试指标 2 2 1 景观结构指标 景观格局指数包括两个部分，即景观单元特征指数和景观异质性指数( 1 a n d s c a p e h e t e r o g e n e i t yi n d e x ) ，景观要素特征指数是指用于描述斑块面积、周长和斑块等特征 的指标；景观异质性指标包括多样性指数( d i v e r s i t yi n d e x ) 、镶嵌度指数( p a t c h i n e s s i n d e x ) 、距离指数( d i s t a n c ei n d e x ) 及景观破碎化指数( 1 a n d s c a p ef r a g m e n t a t i o ni n d e x ) 等四类。应用这些指数定量地描述景观格局，可以对不同景观进行比较，研究它们结 构、功能和过程的异同1 5 6 1 。城市景观生态系统由自然景观生态系统和人文景观生态 系统组成，城市下垫面包括建筑物、道路等不透水面积和树木、绿草地等透水面积两 种。本文选用了景观斑块的重要值、形状指数、均匀度和分离度四种指标，来分析城 市下垫面不透水斑块对降水蓄渗的影响情况。 2 2 1 1 景观斑块的重要值 曰a t ：= 1 0 0 f 2 1 ) 1 5 6 1 a 式中，i 是斑块的重要值；e a 是某一景观类型的总面积；a 是景观总面积。 在本文中，景观斑块的重要值表示的是城市下垫面不透水斑块的面积比例。本次 实验选取不透水斑块重要值分别为o 、1 3 、1 2 、2 3 和1 。 2 2 1 2 景观斑块的形状指数 一般面言，形状指数通常是经过某种数学转化的斑块边长与面积之比。结构最紧 凑而又简单的几何形状( 如圆或正方形) 常用来标淮化边长与面积之比，从而使其具有 可比性。具体地讲，斑块形状指数是通过计算某一斑块形状与相同面积的圆或正方形 1 0 之间的偏离程度来测量其形状复杂程度的。本文选用斑块周长与等面积圆的比值来表 示：。 d s = ；( 以圆为参照几何形状)( 2 2 ) 1 5 6 1 2 4 j r a 式中，p 是斑块周长；a 是斑块面积。 当斑块形状为圆形时，式( 2 2 ) 取值最小，等于1 。对于式( 2 2 ) 而言，正方形 的s 值为1 1 2 8 3 ，边长分别为1 和2 的长方形的s 值为1 1 9 6 8 。因此，斑块的形状指数代 表斑块形状与圆形相差的程度。该指数的最小值为1 ，其值越接近1 ，表示斑块形状与 圆形越相近；其值越大，则斑块形状与圆形相差越大，形状越不规则。 本次实验保持不透水斑块重要值为1 2 ( 即不透水斑块面积0 1 2 5 m 2 ) ，选取的不 透水斑块形状有圆形、方形( 长宽比分别