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城市水涝灾害的生态机理分析 与新型雨水排放系统的探讨 摘要 近年来随着城市化进程的加快，我国部分生态敏感城市的水 涝灾害频发，地面沉降日趋严重，而传统的雨水排放系统本身就 成为城市水涝灾害的成因之一。本文对杭州市历年来的水涝灾害 情况进行调查，以沿山河汇水流域的黄龙体育中心地段为例，用 生态学的、系统的方法论及定量的方式探讨城市化与城市水系生 态环境问题的关系，从水环境综合治理、防灾的整体宏观角度， 探讨改善城市水系循环、维护水文生态、利于该地区防灾减灾的 雨水排放系统方式，为城市的可持续发展提供可靠的保障。 关键词：城市水涝灾害水文生态系统雨水渗透与贮存 a n a l y s i so fe c 0 1 0 9 i c a lm e c h a n is mo fu r b a nf l o o d a n ds t u d yo fn e ws t o r m w a t e r d r a i n a g es y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o nt h e s ey e a r s ，t h e f r e q u e n c yo fw a t e r l o g g i n gi n c r e a s e sa n ds u b s i d e n c eo f g r o u n de x a c e r b a t e si ns o m ee c o v u l n e r a b l ec i t i e so fc h i n a ， w h i l et r a d i t i o n a l s t o r m w a t e rd r a i n a g e s y s t e mh a sb e c o m e o n eo ft h ec a u s e s i nt h i s d i s s e r t a t i o nw a t e r l o g g i n go f h a n g z h o ui nt h ep a s ty e a r si s s u r v e y e d i l l u s t r a t e dw i t h y e l l o wd r a g o ns p o r t sc e n t e ra ty a n s h a nr i v e rd r a i n a g eb a s i n w 1t ht h e m e t h o d o l o g yo fe c o l o g ya n ds y s t e m t h is d i s s e r t a t i o nq u a n t i t a t i v e l yd i s c u s s e st h e r e l a t i o n b e t w e e nu r b a n i z a t i o na n du r b a n h y d r o e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tp r o b l e m s ，a n dt h e r e s o l v e n to fs t o r m w a t e r d r a i n a g ew h i c hc a ni m p r o v eu r b a nw a t e rc i r c u l a t i o n p r o t e c th y d r o e c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n db e a d v a n t a g e o u s t 0u r b a nd i s a s t e r r e d u c t i o nf r o mt h ep o i n to fv i e wo f w a t e r e n v l r o n m e n ti n t e g r a t e dr e n o v a t i o na n dd i s a s t e rp r e v e n t i o n p r o v i d ead e p e n d a b l eg u a r a n t e ef o r t h eu r b a ns u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：u r b a n f l o o d ，h y d r o e c o l o g i c a ls y s t e m ， s t o r m w a t e ri n f i l t r a t i o na n d s t o r a g e 浙江大学硕士学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 一 笙二兰 一 一 第一章绪论 1 1 本研究的社会背景、目的和意义 世界上很多地区都处在水资源分布时间、空间上都很不均匀的状况。一方面， 部分地区由于自然的因素( 如气候干旱、远离江河) 而水资源严重匮乏。另一方 面，部分地区却因为降雨量过大或过于集中、上游来水过多而饱受洪涝灾害之苦。 同时，人口剧增、不合理的水资源利用、土地利用和水浪费、水污染、水土流失 等导致诸多的水环境问题，严重威胁着城市的发展以及影响城市居民的生活和安 全。诸多迹象显示，全球水环境正在进一步恶化，从2 0 0 2 年年初以来，世界8 0 多个国家超过8 0 0 万平方公里的土地遭受洪灾，造成3 0 0 0 多人死亡，1 7 0 0 多万 人的生活陷入困境，财产损失高达3 0 0 亿美元，其中中欧和中国的洪灾最为严重。 同时，持续干旱使非洲中部和南部许多国家的饥荒形势更加严峻；在北美，干旱 经袭击了美国3 7 的国土；印度等一些国家还遭受洪灾和旱灾的双重威胁。造 成这些灾害的人为因素不容忽视，比如侵占河湖堤岸和低洼冲积原、滥伐森林和 不合理使用水资源等。 中国雨水资源丰富，年降水量达6 1 9 0 0 亿m 3 ，由于没有健全的汇集和调蓄 设施，大量的雨水迅速流走，造成暴雨时的洪涝灾害和旱季的严重缺水。由于水 资源紧缺和地表水污染严重，近年来，许多城市为了生产和生活的需要，不得不 超采地下水，造成大面积的地面沉降。如下所述： 自古以来，中国就是一个旱、涝灾害频繁的国家。从公元前2 0 6 年到公元 1 9 4 9 年的2 1 5 5 年期间不同地区发生较大洪水灾害达到1 0 9 2 次。如下表所示： 表1 】5 世纪以来我国东部1 7 省不同级别水灾频数表 受灾县数水灾在各世纪中出现年数 1 51 61 71 81 9合计 1 0 2 01 62 01 62 3 2 19 6 2 1 4 01 22 93 72 92 51 3 2 4 1 8 011 11 4 2 0 2 2 6 8 8 1 以上22281 4 合计2 96 26 97 47 63 l o 从上表可以看出，近几个世纪以来，小范围的水灾出现的次数略有增加但不 明显，而影响范围较大的水灾出现的次数明显增加了，这既有自然因素，也从一 方面反映了人类活动在空间的扩张：过去洪涝影响到的无人区域，在人类涉足之 后再遭遇洪涝时就构成了灾害。 到了2 0 世纪，随着我国城市化进程的加快，部分城市水涝灾害频发，特别 是进入9 0 年代后更有愈演愈烈的趋势。可以看下面的例子： 浙江大学硕士学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 籀一章 杭州市自8 8 年以来几乎每年有水涝问题，据统计，建国以来杭州所遭受的 最大的1 2 次洪涝灾害中，有4 次发生在9 0 年代，占1 3 ，而且都集中在近5 年内。1 9 9 6 、1 9 9 7 、1 9 9 9 、2 0 0 1 年6 7 月的暴雨中，杭州市区局部都出现严重积 水。尽管多年来杭州市政府做了许多治理措施，可是积水点中大部分是“屡犯不 改”，在部分低洼地区改造后得到改善的同时又有许多新的积水点不断出现。 上海百年前就开始建城市排涝设施，近十年来，上海城市建设取得很大进展， 新建了一些大口径、附有强大动力的先进管网，但是，2 0 0 1 年6 月刚刚入梅，城 区局部地区街道就出现积水、市民家庭进水。部分街道在降雨后的5 ，6 小时路 面积水还有7 0 至8 0 c m 深。 这几年，广东省不少地方在水库、堤围没有发生险情的情况下，却出现了严 重的涝灾，其中“水浸街”频现，“内水涝灾”不仅已经上升为广东省主要水灾害种 类，同时日益成为城市化进程加快后内涝危及的“含金量”迅速提升必须正视的新 问题。像深圳这样处于沿海经济开发区的高速发展中的新型城市，防洪设计标准 虽为“5 0 年遇”，但1 9 9 3 年6 月、9 月的两场“5 2 0 年一遇”暴雨，就几乎使 深圳全城瘫痪。 从济南的黄台水文站1 9 5 6 年6 月21 日与1 9 9 1 年7 月28 日洪水过程的记 录也可以看出城市化后地表径流的变化：两次洪水降雨量分别为5 3 2 m m 和 5 7 7 r a m ，前期雨量也相近，而1 9 9 1 年洪水径流系数和洪峰明显增大，洪峰滞时 明显减小，洪峰相差1 6 倍，洪量相差2 1 倍，洪峰滞时相差8 9 h 。 城市地表硬质化后，雨水下渗量大大减少了，地下水得不到补充；另一方面， 随着经济的发展，城市日益增加的用水量需求与水资源的有限之间的矛盾日益突 出，很多城市只能大量地抽取地下水来弥补城市水源的不足，导致地下水位大幅 度下降、地基承载力减弱、地面沉降。如济南市著名的趵突泉于1 9 7 2 年枯季出 现泉池干枯，之后大多数时间都断流，“泉城”已名不副实。浙江省嘉兴市4 0 年来，地面沉降累计达8 l 。4 厘米，其周围城镇如海宁、桐乡、海盐、嘉善等县 城地面沉降也均超过5 0 厘米，沉降总面积达2 0 0 0 平方公里，与苏、锡、常、沪 形成了一个沉降区。宁波平原沉降面积1 5 0 平方公里，而且地面仍在以每年1 厘米的速度下降。目前，河北、河南豫北地区和山东西北地区的地下水降落漏斗 已经连成一片，形成包括北京、天津在内的华北平原地下水漏斗区，面积超过4 万平方千米。地面沉降引发了一系列环境问题如城市局部形成洼地、建筑物失稳、 产生裂缝，地下埋设的通讯光缆公共设施发生开裂和错位等。 近年来，我国城市的建设以前所未有的速度在发展，但是城市水涝灾害、水 资源紧缺、水污染严重等问题与城市可持续发展的矛盾也日益突出，其中，城市 化造成城市水害最为严重，并有愈演愈烈的趋势，给人民生命财产带来的损失最 大。然而现代化的城市在水患面前却变得日益脆弱，因此城市化与城市水涝灾害 浙江大学硕士学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 第一章 的关系己成为人们关注的焦点问题之一。用生态学、系统论等新观念作为指导思 想，用综合的城市水环境科学研究城市化与上述城市水涝灾害问题的关系的研究 迫在眉睫。 我国对城市水涝灾害的研究还非常的匮乏。过去很多已有的研究往往是针对 流域的洪水演算，研究区域很少明确针对城市，很少从生态学的、系统的、整体 的观点来考虑水涝灾害问题，也没有将水量、水质、水资源与土地利用等方面联 系起来，从整个城市水环境的角度进行研究。面临着城市的急剧变化，原有的研 究成果已难以满足城市建设的要求。因此必须加强这方面的工作，给城市的发展 提供可靠的依据。 1 2国内外与城市水环境科学相关的各学科研究进展状况 国内外在城市水环境研究领域已经取得一定的成果。理论方面，主要得益于 以下各相关学科的进展： 1 、系统科学 系统论的思想和系统分析技术虽然近半个多世纪才发展起来并上升为较为 完整的一门新学科，其实它源于人类千百年来的社会和生产实践，是人类认识世 界和改造世界的点滴经验总结。早在古希腊时代，人们在观察事物的相互联系与 组合时就提出过统一的物质本原的看法，把自然界当作一个统一体，提出整体、 组织和秩序等概念。经过十五世纪文艺复兴、近代科学的逐步兴起，及十九世纪 产业革命、自然科学的巨大进步( 特别是能量守恒、细胞学和进化论的出现) ， 人们对自然过程相互联系的认识有了很大的提高。1 9 3 7 年奥地利理论生物学家 贝达朗菲把哲学中的协调、联系、秩序和目的性等概念用于对有机体的研究上， 主张把有机体作为一个整体或系统，从生物和环境相互关系的观点来说明生命现 象的本质，提出“一般系统论”的思想，其要点包括“整体性原则”、“动态结构 原则”、“组织等级性原则”等。1 9 7 2 年，他发表了一般系统论的历史和现状， 试图将系统论思想推广应用到其它方面，提出一般系统论可以作为一个新的科学 规范，内容包括三方面：一是关于系统的科学和数学系统论，即对各种不同的科 学系统进行理论研究和要求运用精确的数学语言加以描述；二是系统技术，即包 括系统工程、系统分析方法在科学系统和社会系统中的应用；三是系统哲学。另 一方面，“系统工程学”在人们在实际的生产与工程活动中逐步发展起来。早在 1 9 1 1 年美国人泰勒在科学管理原理著作中，总结并提出了具有现代含义的 系统概念。二战中产生的运筹学( o p e r a t i o n a lr e s e a r c h ) ，为系统思想的定量化建 立了数学理论与方法。而电子计算机则为定量化系统方法的实际应用提供了强有 力的工具。6 0 年代起系统工程逐步形成门独立的工程技术。系统科学的发展， 也为城市水环境研究的发展提供了必要的理论基础。 水文系统可以由物理模型、相似模型或数值模型进行模拟，现在开发较多的 浙江大学7 积士学位论文一一城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 兰三一 是数学的数值模型。6 0 年代初期，随着电子计算机在水文上的普遍使用，系统 工程学被用于研究降雨径流关系。用输入( 降雨量) 和输出( 径流量) 表示的流 域系统，如图所示： 一一“ ? 、 jw t ，一t i ll 、 一t 、i 、i “生4p “ 一一一一弋、4 i 一 、x 4 , t ) v、；、_ _ 、登心 r j 图1 1 流域系统示意图 输入x ( t ) ，i = l ，2 ，n 是流域面积内几个自己雨量计的记录，在流域出口处 产生径流输出y ( t ) 。由于x ( t ) 和y ( t ) 是没有涉及将降雨转换为径流的水文循环各项 过程的物理性质而计算出来的，流域实际上作为一个( 黑箱) 来对待。 2 、城市生态学 所谓城市生态学是以生态学的概念、理论和方法研究城市生态系统的结构、 功能和行为的生态学分支学科。本研究就用到生态学的理念研究城市的水文生态 系统。 生态学( e c o l o g y ) 一词是德国生物学家赫克尔( e m s t h a e c k e l ) 于1 8 6 6 年在有 机体普通形态学一书中首次提出的。生态学是研究人类、生物与环境之间复杂 关系的科学。1 9 3 5 年英国生物学家坦斯列( a g t i n s l e y ) 首次用“生态系统” f e c o s v s t e m ) 一词。他认为，生态学不应该仅仅研究生物与环境的关系或环境对生 物的影响，而应该研究生物群落与非生物环境所构成的整体，这个整体就叫生态 系统。1 9 4 2 年，美国生物学家r 林德曼( r a y m o n dl i n d e m a n ) 发表了研究生态系 统的能量流动和物质循环的论文。1 9 5 3 年，美国著名生态学家奥杜姆( e e 0 d u m ) 出版了生态学基础一书，建立了较完整的生态理论体系。他建议，把“生态 系统”的概念从生物界推广到了人类社会，他将生态系统定义为：包括特定地段 中全部生物和物理环境相互作用的任何统一体，并将现代生态学定义为， “生 态学是研究生态系统的结构和功能的科学”。 城市生态学的思想自城市问题一出现就有了。比如1 6 世纪美国t h o m a s m o r e 的乌托邦， 1 8 9 8 年霍华德( e h o w a r d ) 著述的明日的田园城市等著作， 都反映了当时人们对保护城市自然生态环境的渴望和研究。 1 8 世纪初由于工业的发展，人口的激增，城市环境不断恶化，开始出现了 一系列城市环境问题。p a r k 作为一个报社记者对城市问题更具种天然敏感性。 他提出支配自然生物群落的某些规律也可以应用于城市人类社会。经过 浙江火学硎上学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 第一章 b u r g e s s ( 1 9 2 5 ) ：g r e s s e y ( 1 9 3 8 ) ；m c k e n z j e ( 1 9 2 9 ) 等人的补充与完善，形成了一套 城市与人类生态学研究的思想体系，以城市为研究对象，研究城市的集聚、分散、 演替过程与调控机理，将城市视为一个有机体，倡导创建了城市生态学( u r b a n e c o l o g y ) 。 1 9 3 3 年“雅典宪章”提出：城市规划的目的是要解决人类居住、工作、游 憩、交流四大活动功能的正常进行，进一步明确城市生态环境有机综合体的思想。 2 0 世纪6 0 年代以来，随着世界城市化的迅速发展，伴随而来的是一系列城 市生态环境问题的严重化。1 9 6 2 年美国学者r 卡森( r a c h e lc a r s o n ) 在其寂 静的春天一书中，揭示了城市生态环境遭受破坏的情况，引起广泛的关注。 2 0 世纪7 0 年代初，增长的极限，生命的蓝图，只有一个地球等著作， 阐述了经济学家和生态学家们对世界城市化、工业化与全球环境前景的担忧，对 城市生态的研究起了极大的推动作用。 美国、日本等国家首先开始城市生态区域分析，把城市作为一个生态系统， 进行多学科的综合研究。美国的麦克哈格( i a n l m c h r g1 9 6 9 ) 在设计结 合自然中运用生态学原理，研究大自然的特征，充分结合自然进行设计，此后 1 9 7 8 年西蒙兹( j 0 s i m o n d s ) 进一步完善了麦克哈格的生态规划方法。1 9 7 3 年 日本的中野尊正等编著的城市生态学一书，系统阐述了城市化对自然环境的 影响。 进入2 0 世纪8 0 年代，f o r e s t e r 及v e s t e r 和h e s t e r 对城市生态系统发展趋 势进行了研究。h t o d u m 认为城市生态系统和自然生态系统有相似的演替规 律，都有发生、发展、兴盛、波动和衰亡等过程，并且认为城市演替过程是能量 不断聚集的过程。香港、悉尼及巴布亚新几内亚的莱城也进行过能流研究。 1 9 9 2 年6 月3 日至1 4 日，联合国在巴西里约热内卢召开“人类环境与发 展大会”，将环境问题定格为2 1 世纪人类面临的巨大挑战，并就实施可持续发展 战略达成一致。人类居住区及城市的可持续发展，给城市生态环境问题研究注人 了新的血液，成为当代城市生态环境问题研究的重要动向和热点。 自2 0 世纪7 0 年代以来，国外学者分别从不同的角度来研究生态城市的内涵、 主要特征、指标体系等。1 9 8 7 年理查德瑞杰斯在其生态城市：贝克莱 ( e c o c i t y ：b e r k o l y ) 中提出理想的生态城市应具有六点特征。1 9 9 0 年他提出了“生 态结构革命”的倡议，并提出了生态城市建设的十项计划。 随着1 9 9 5 年国际生态学会“可持续城市”系列研讨会、1 9 9 6 年6 月土耳其 “联合国人居环境大会”、1 9 9 7 年6 月莱比锡国际城市生态学术讨论会的召开， 可以看出现在研究的目标都逐渐集中在城市可持续发展的生态学基础上，城市生 态学和城市生态环境学已成为城市可持续发展及制定2 l 世纪议程的科学基础。 我国在2 0 世纪6 0 年代环境科学尚处于萌芽状态，1 9 7 1 年联合国教科文组 浙江大学预十学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 第一章 织( u n e s c o ) 制订人与生物i 翻( m a b ) ”研究计划，把对人类聚居地的生态环 境研究列为重点项目之一，提出用人类生态学的理论和观点研究城市环境，我国 参加了该项研究。1 9 7 8 年城市生态环境问题研究正式列入我国科技长远发展计 戈u 。1 9 8 7 年1 0 月在北京召开了“城市及城郊生态研究及其在城市规划、发展中 的应用”国际学术讨论会。从2 0 世纪8 0 年代中期，生态城市作为可持续发展的 理想模式被提出。 目前，国内外城市生态环境研究表现出明显的多元化倾向，我国城市生态环 境研究起步较晚，对于各地区城市的可持续发展和生态城市的系统规划及生态功 能的研究还刚刚起步，有待从理论、方法和指标体系上进一步提高和完善。特别 是用城市生态学的理论解决城市洪涝灾害等水环境问题方面，尚属十分薄弱的领 域。目前国内外对于生态系统的敏感性的研究比较重视，但主要是针对某一单一 的生态环境问题，如国外关于城市水文生态系统对气候变化的敏感性等。国内的 研究还停留在地质环境敏感性，流域生态的敏感性及恢复力分析等方面，而关于 城市的生态敏感性的研究却很少，本研究中，将从杭州市城西北地区沿山河流域 的生态敏感性着手，研究城市水涝灾害的预防对策。 3 、城市灾害学 人类对于事故、灾害之本质的认识是随时代的进步、经验的积累和技术的发展 而不断提高并在此基础上不断改进减灾措施的。 无论从哪个角度来看，2 0 世纪都是人类历史上发展最快、发生事件最多的一 个世纪。城市由于是对时代脉搏最敏感的空间地域，时时处处反映出时代的特点。 作为巨大的承灾体，人口集中及财富集中使城市日益脆弱，每个城市不得不考虑 它要可持续发展的保障条件、优化其功能区划问题。城市灾害及事故为城市科技 工作者提出了新课题重新认识城市，树立城市建设与防灾建设的科学观，通 过中外城市灾情的比较研究，探索新的城市规划设计的思路。自1 9 9 0 年以来国 内外格外关注城市减灾的综合性研究。从十多年的城市灾害及致灾规律研究中发 现，所有灾害( 甚至典型的农业灾害 都会对城市化进程产生作用。从1 9 9 0 年 联合国提出“国际减灾十年”、全球统一行动适应全世纪频发灾情，到1 9 9 6 年“国际减灾日”的口号明确提出“城市化与灾害”，可以看出在全球范围内， 城市灾害已成为减灾重点。 目前我国城市防灾的严峻态势与城市化快速发展比例很不适应，不仅对城市 灾害损失估计不足，更未进行工程项目灾害风险经济评估。如城市防洪严重不足， “八五”期间城市防洪投入仅占年均城建固定资产投入的1 2 1 5 。在 很多城建项目上马之前，未进行环境影响评价，在项目建成之后，旦遭灾，立 即造成重大的损失。 近几十年我国城市化进程加快，针对城市水涝灾害的基础研究还十分欠缺， 在理论、试验数据、规范方面可依据的成果太少，很多与城市排水工程相关的规 浙江大学硕士学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 第一章 划、设计因为基础研究不足而未能对其灾害风险进行预测，也无法提出相应的减 灾措施，这正是很多给排水工程师们十分关注的问题。 4 、城市水文学与暴雨管理研究 水文学研究地球上水体的存在、循环、分布：化学和物理性质及对包括有生 物的环境的反映。远古以来，人类就已经在改变环境，因而也就改变水循环的陆 相为他们自己的目的服务。为了耕作，清除了野生植物，砍伐了森林，疏干了沼 泽。市镇及其基本建设在曾经是农业的区域建立起来了。近年来，对于改变土地 利用而产生影响的水文学受到普遍的注意，但只有城市化的不断发展才导致了城 市水文学的出现。 城市水文学研究受城市化影响的城市环境内外水文过程，具体研究城镇规 划、排水系统设计、城市防洪、水质、雨水管理等方面的水文问题，是一门新兴 水文分支学科。它针对城市( 人的活动强烈干扰自然进程的区域) ，以较小的时 间与空间尺度来考虑城市所有的水文过程。如：面对日益增长的城市人口，发现 和利用新的水资源以满足增长的水需求变得越来越困难，对于局部地区，清洁的 水极度匮乏：城市面积的扩展、地表物理特性的明显变化，使得居民、农田与乡 村生态系统的脆弱性正在逐渐积累，等等。这些都是城市水文学必须研究的问题。 城市水文学的任务，是为“城市水管理新目标”的实现提供科学基础。通过 城市水文数据进行计算与建模等研究，所得的结果成为城市水务管理的重要组成 部分。水务管理的目标不再局限于局部的环境，还包括了全球性的环境与可持续 的资源管理。 目前在城市水文学领域最突出的研究目标是城市雨洪研究，已经有了一系列 模拟城市暴雨径流过程的方法( 如经验方法、宏观方法、微观方法) 与模型。中 国目前在这方面的理论研究基本上尚处于起步阶段，学术论文和专著也相当地匮 乏，现有专著基本上多是介绍国外的研究成果。 从国外在改善城市水环境的实践方面看，近几十年来，很多国家翻j 在从完善城 市水文生态系统的新理念着手，积极的探索新的城市暴雨管理( n e w u r b a n s t o t m w a t e rm a n a g e m e n t ) 方法与技术、理论体系。 城市暴雨管理的目标在于减轻城市暴雨径流的量和质所产生的不良后果。 与城市暴雨管理有关的问题的根源在于，在相对小的范围内人口过于集中。为了 日常的生活和交通的需要，大面积的不透水地面被修建起来，从而改变了水文循 环。渗水和地下水的补充量下降，地表形态与暴雨径流发生变化，造成径流的高 峰值、大流量以及城市的污染物和泥沙的运输加速。就这样，城市不仅影响了其 范围内的径流方式，还影响到其下游整个河流水系本身及其周边地区。 由于人们已开始意识到上述事实，在2 0 世纪7 0 年代，暴雨管理中，传统的 以疏导为主的方法逐渐变成以滞留、调节雨水、补充地下水为中心的蓄水方式。 浙江大学硕士学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水捌破系统的探讨 第一章 后来，在1 9 8 0 1 9 9 0 年期间，人们发现雨水是一个重要的污染源，暴雨管理的主 要目标变成通过局部从源头加以控制、流量削减以及在自然的或人工的生态系统 如塘、湿地、根系处理设施中处理污染物，来保护自然的水循环及生态系统。人 们普遍接受了雨水应该在局部就地削减的观点。新的方法以小尺度的、对环境有 利的技术手段( 包括自然的或人工的雨水处理生物系统) 为基础。这些方法包括 各种类型的池塘、植物过滤设施、地表径流通过自然( 或人工) 生态系统、湿地、 根系系统、渗透设施，土壤过滤、透水沥青路面，以及上述设旌的很多组合。在 过去的1 0 年里，全世界成百上千的雨水导流设施和处理设施被建造起来。操作 运行这些设施有很多经验。人们逐渐认识到各种处理方法的效果、弱点，存在的 问题以及解决这些问题的方法。如瑞典的一些社区已经很规范地在新的小区中建 设了一些局部的系统来回收与再利用雨水。 雨水就地处理后加以运用将影d i i i 1 整个城市的基础设施。雨水在将来有可能 成为水资源的重要组成部分，以单独使用或与中水一起使用的方式利用于厕所冲 洗、城市中小规模的的城市农业灌溉，甚至用于饮用水。尤其是被屋项所截留的 雨水是一种很有价值的资源，而不必与其他的水混合。在许多国家的“生态村” 中，一些设想已经实现了。 目前的城市暴雨管理措施可大致分为工程措施和非工程措施，如表1 2 所示。 沟渠化就是较传统暴雨管理方法，是把暴雨洪水集中在一处，而平衡调蓄水 池是分散在整个的汇水面积上。当城市化引起洪水的变化过大，传统的沟渠化不 能适用时，可以考虑采用蓄水池及其它的措施。调蓄水池是一项试图代替因城市 化而损失天然蓄水能力的措施。蓄水池的主要作用是把入流量的洪峰降低并把径 流量作时间过程的再分配，与之不同的雨水下渗是将雨水过程线的部分水量拦蓄 于池底下面的含水层内。因而这样的设施限于池底部有比较好的透水层，且地下 水位足够低的区域。具体论述见第六章。 表1 2城市暴雨管理的措施 下程性措施 非工程措施 沟渠化、平衡调蓄水池、雨水回灌水池、屋局部地形保护 面蓄水池、透水路面 分洪区 从8 0 年代起，人们逐步意识到城市化进程加快会给社会带来的新问题，开始注 意开展这方面的研究与实践。尽管我国在这方面的基础研究非常薄弱，但是也开 始利用国外的研究成果进行开发城市雨洪管理系统，如上海与广州都已经丌展了 返方面的工作。城市的雨洪研究还与城市的水资源利用结合在一起，如车武，李 俊奇、汪慧贞，胡家骏等人的研究成果，发表在( 给t r i i t r ) ) 上；北京等城市还 在城市雨水利用方面建立了示范小区。雨水渗透是一个重要的方向，如汪慧贞等 浙江大学硕士学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 销一毒 - ，一一 人曾在给水排水杂志上发表“城区雨水渗透设施计算方法及关键系数”一文， 对雨水渗渠设计的方法作了详细的介绍，其中提到了用图解法和g e i g e r 法对渗 水设施的尺寸等指标进行确定的方法。但是，我国至今还没有形成适应国情的规 划、设计的技术方法，还没有能用综合水环境科学，特别是系统学、城市生念学 的理论把水资源保护、供水、排水、城市防灾等城市水环境问题综合起来进行分 析研究。浙江大学的王紫雯教授是在该领域中已经从事多年，并将雨水中水利用、 城市防灾结合在一起，对城市传统市政设施提出新挑战的研究者。 i 3本研究的主要内容 本研究主要探讨城市化与水循环系统的关系，以及生态敏感城市如何进行防 灾( 水涝灾害、地面沉降) ，并对新的雨水排放系统进行研究。针对不同的地区 特定的地形、地貌、地质条件，适合的雨水排放系统是不一样的。本研究具体内 容如下： ( 1 ) 对杭州市( 及以及杭嘉湖平原地区) 历年的水涝灾害情况进行调查、整 理。 ( 2 ) 以杭州市为例，用生态学、系统论的观点分析城市水涝灾害的原因， 特别是城市化过程中不科学的丌发建设对水系生态的破坏与影响，为城市防治水 涝灾害、地面沉降提供科学的依据。 ( 3 ) 以杭州市沿山河流域( 黄龙体育中心区段) 为例，通过计算定量探讨 城市化对暴雨径流流量的影响，并预测随着城市化发展，该地区未来的地表产流 量变化，为杭州市沿山河流域未来的规划、防灾提供依据。 ( 4 ) 当前文献上已经有若干新型雨水排放系统的实例，但是没有一本专著 对其进行过比较全面的归纳和整理，本文将对近年来国内外出现的新型雨水排放 系统作一定的整理，探索适合于沿山河( 黄龙体育中心区段) 的新型雨水排放系 统的方案，以维护该地区的良性水文循环，为杭州市的城市规划提供一点参考。 浙江大学硕士学位论文城市水涝灾害的生态桃理分析与新型雨水排放系统的探讨 第二章 第二章与本研究相关的理论基础 2 1系统论 系统是指若干个可以相互区别、相互依存、相互联系与作用的要素( 或部分) 所组成，具有某种结构和特定功能，处在一定的环境中，己达到某种预定的目标 的有机整体。d o o g e ( 1 9 6 0 ) 定义一个系统为一个结构、装置方案或程序( 现实 的或抽象的) ，它与在指定的时段内的参数输入问题、原因或物质的激励，能量 或信息等输入及信息响应、效果、能量与物质的输出间相互作用有关。 系统论强调系统与其各要素、系统与环境、要素与要素间存在着普遍联系、 相互依存、相互作用与制约的特性。系统整体性，是指组成系统的具有独立功能 的要素，它们之间的相关性和阶层性等在系统整体上进行逻辑统一和协调。任何 系统的整体性都是在一结构基础上的整体性，系统的结构越严密、有序性越高， 整体性就越强。整体性是系统的核心。系统结构具有相对稳定性、多层次性、 相对性和开放性。每一个子系统都不能离开这个整体而存在，各个组织的功能和 行为影响着整体的功能和行为，而且它们的影响都不是单独的，而是在其他要素 的相互关联中影响整体的。系统的整体功能不等于各个要素的功能之和，而是强 于它们的和。 2 2 城市生态学 2 2 1 生态学基本理论 生物与生物、生物与环境之间密切联系，相互依存，并通过食物链，利用物 质在环境中的循环，不断地进行能量、物质的交换。换言之，生物与生物、生物 与环境之间存在着持续不断的、可再生循环的物质流和不断变换、呈单向流动的 能量流，以及相互传递而双向反馈的信息流。 在定的条件下，生物与外界环境的能量、物质的交换是有一定的秩序的， 它们相互之削在数量、位置、先后等方面都有一定的限度。在这个限度之内，生 态系统仅能保持一定的结构与功能，具备相对的稳定性。 生态系统是生物及其栖息地组成的复合系统，它的内部结构必须依靠与外界 的能量、物质进行有序的交换得到维持，这体现在“食物链”的变换关系中，同 样也符合生产、消费、分解、还原的物质循环规则。 如果系统内有一个元素( 包括环境条件) 受到影响，其他元素与子系统以及 生态系统整体的结构、功能与状态都将受到影响。生态系统依靠信息系统自我调 控，达到缓解影响、稳定结构的目的，保持一定的平衡。一旦外界的条件发生变 化，尤其是人类的影响超出了生态系统的调节能力限度，这种平衡就会打破，而 系统也会受到伤害。这种限度就是环境对人类开发的容许量，或称环境容量。例 如，在一定的土壤、气候条件下，森林、 草原的再生能力是有限的，如果大量 浙江大学硕士学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 第二章 的砍伐森林，过度放牧、割草，会使森林草原枯竭，土壤贫瘠，水土流失加重， 植物的自生量就减少，造成整个生态系统受到破坏。 2 2 2 城市生态学基本理论 根据生态学的观点，城市是人们为了追求更好的生存状态的集约化的居住 点。城市环境是人类在自然环境基础上建立的独特人工环境，由原生自然环境条 件及在它基础上经过加工改造的人工物理环境条件共同复合而成，受到自然与社 会环境的相互作用。在城市的特定空间里，城市体系的综合形态、城市人类活动 与其周围环境相互作用形成的网络结构和功能关系，从生态学角度又可称为城市 生态系统。城市生态系统是一个以人类生活和生产为中心，由居民和城市环境组 成的自然、社会、经济复合生态系统。人工生态环境各组成成分，通过生命代谢 作用、投入产出链、生产消费链进行物质交换、能量流动、信息传递而发生相互 作用，互相制约，构成具有一定结构和功能的有机联系的整体。 城市中集中了大量的人类活动，对自然的干扰尤为强烈。城市生态系统是一 个不完全的、开放的系统，其中自然状态的生产小于消费，因此，需要与外界交 换物质与能量才能维持，对外界的依赖性很强；同时，城市生态系统中拥有大量 的人为环境，功能繁杂，整个生态系统十分脆弱。一旦某个环节出问题，整个系 统就会失去平衡，造成严重的环境问题，如水涝、交通阻塞、电力中断、水源枯 竭等。 从生态学观点来看，城市问题可以分为三类：一类是”流”的问题或资源开 发利用的生态问题。城市是通过连续的物流、能流、人口流量维持其新陈代谢的。 如果物质输入过多，输出较少，多数物质能量半释放到环境中或滞留在生态系统 中；或物质输出过多，而投入较少，都将引起生态环境问题。第二类是“网”的 问题或复合生态系统的结构布局问题。第三类是“序”的问题。一个和谐的城市， 生态系统必须具备良好调节缓冲功能，具备自调节、自抑制的“序”，保证系统 的持续与稳定，而这一切的关键取决于城市入的管理与控制行为。近年来被提的 越来越多的暴雨管理提出的很多工程性措施和非工程措施，正是针对城市化改变 水循环的问题，使这种变化从某种程度上得以缓冲，能动的调节城市水循环系统。 2 3 城市灾害学 研究表明，看起来孤立的城市灾害( 事故) 事件之间，通过“链而紧密联 系并构成灾害系统。 灾害具有一种超越灾区而将危害波及一个更大时空的特性。灾害有突发性灾 害和缓发性灾害之别。前者如地震、水灾等在短期内发生，危害效果、破坏强度 十分明显；后者如城市地面沉陷、人口爆炸、沙漠化等长期缓慢，个别事件的危 害不易察觉，带有隐蔽性，而整体效应十分显著。缓发性灾害在一定程度上会加 强突发性灾害的灾度，如沿海城市地面沉降问题，宁静之时不觉其危害，一旦台 浙江大学硕一卜学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 第二章 风等灾害悄然而至，地面沉降的灾害效应立即显形，从而造成更大损失。突发性 灾害和缓发性灾害互相作用，共同对城市和区域的发展构成威胁和危害。任何灾 害的发生都有一个能量聚集、发展、演变的过程，而且周期长、中、短不一。灾 害的空间特性与时间特性同样十分鲜明。各地区城市化速度、水平高低不同，同 样强度的灾害对城市经济、人口、社会发展的破坏和损失明显不同，表现出明显 地区域差异性。一般来说沿海地区重于内陆地区，开放地区重于落后地区。 城市是一种综合的地理环境，又是区域的主要构成单元，从区域原理去研究 城市灾害学问题主要立足于城市空间、城市资源利用、城市生态环境、城市地貌 与气候、城市水文等要素。若以城市生态灾害为例要从居住地( h a ) 、支持地( s a ) 、 功能影响地( f a ) 三个方面关注，显然h a 、s a 和f a 属宏观的圈层结构，越是接 近核心，“城市病”的综合性越强，“病情”也越重。 以上对与本研究相关的理论作了简要的介绍。在第四章中，我们将用到这些 理论，来探讨城市化与城市水涝灾害的关系。 浙江大学硕士学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 第三童 第三章杭j , i 一1 市水涝灾害状况调查 3 1 杭州市自然水文环境特征 3 1 1 杭州市的气候 杭州是浙江省的政治、经济、文化中心，市区位于我国东南沿海浙江省北部， 地理坐标在东经1 2 0 。0 07 i 2 0 。3 5 ，北纬3 0 。0 5 3 0 。2 4 7 ，属亚热带 季风气候，气候特点为冬暖春寒，夏季高温，伏旱严重，秋多台风。多年平均气 温1 6 2 ，绝对最高气温3 9 9 。 一般杭州平均年降水量1 3 0 0 1 4 0 0 m m ，如闸口多年平均降雨量为1 4 5 1 1 r r u n 。 降雨的年内时间分布，4 9 月的雨量约占全年雨量的6 5 7 5 ；其中4 6 月 由于冷暖空气交替活动频繁，多阴雨天气，称为梅雨季节，并常常造成江河洪灾 和平原洪涝：7 8 月份受热带高压控制，天气晴热，虽有雷雨但困地面蒸发 量大，常常出现伏早。夏秋之交台风活动频繁，台风过境中心风力高达1 2 级， 基本风压o 3 5 k n m 2 ，并夹带大量降水，暴雨强度大、时间短，面积分布较少，常 常造成中小河流洪水，形成洪涝灾害。 杭州地区年平均降水量在复杂的地形影响下，分布极不均匀，特点是山区高 于丘陵，丘陵高于平原：平均年降水量白东北向西、西南递增，湖区、盆谷地、 平原向山区递增。山区平均年降水量一般随高度上升而递增，千米以上又随高度 上升而递减，且东北、东南向的迎风山垄、山坡常为暴雨中心。桐庐县以南各地 为9 0 9 4 m m d ，桐庐县以北为8 5 9 0 m m d 。杭州市( 区) r 最大降水量1 8 9 3 m m ( 1 9 6 3 年) 。 从平均月降水量分布来看，杭州市区、临安市、余杭市、萧山市、富阳市、 桐庐县等地的平原、简谷地，月降水量呈双峰型，即6 月和9 月为两个降水高峰 日。7 、1 1 月为两个相对少雨日。一年中呈两多( 5 - 6 月、9 月) 两少( 7 _ 8 月、 】0 月至次年1 月) 的分布。杭州市平均年降水日数为1 5 0 1 6 0 天，其趋势是从东 北向西南、平原向山区递增。见下页的表3 ，i 、3 2 、3 3 。 3 1 2 杭州市的地貌与地质 杭州市区在地理位置上位于钱塘江下游北岸，在地理环境上属于长江三角洲 区域杭嘉湖平原的西南部。在地形位置上处在天目山系余脉的低山丘陵与平原的 交接地带。杭州市区范围内的地貌由三大部分组成。其一为以山地、谷地组成的 丘陵地带，多为植被良好的自然风景游览区；其二为地质成因分属陆相和海相的 淤积平原，其上人类活动频繁，有历代各类建筑，防洪堤，浙赣沪杭、杭长铁 路，沪杭甬高速公路为代表的各级公路和城市高架快速路；其三为以钱塘江、京 杭运河、肖绍运河、西湖为代表的水域。地貌十分丰富。 杭州市区西南部为低山丘陵地形。山地丘陵约占3 5 ，海拔1 0 0 5 0 0 米： 浙江大学碳七学位论文城市水涝灾害的生态机理分析与新型雨水排放系统的探讨 笙三童 境内高峰有如意尖( 高程为黄海5 3 7 米) 、天竺山( 海拔4 1 3 米) ，其余南高峰、 葛岭顶峰等均在4 0 0 一i 0 0 米之间，环抱西湖延绵向北东呈复向斜。 表3 i 杭州市平均月( 年) 降水量及极值表 月份 1234567891 0 1 11 2全年 v 均 6 508 651 2 5o1 3 0716 9 l2 0 771 3 8 41 4 521 7 108 0 05 7 84 801 4 2 4 4 最大 2 1 902 6 972 9 3 22 2 075 1 494 9 853 1 263 2 7 74 0 952 9 432 4 6 31 4 052 3 5 46 年份1 9 5 41 9 7 3 19 9 21 9 8 61 9 5 41 9 5 41 9 5 i1 9 9 01 9 7 31 9 8 31 9 8 11 9 7 4l9 5 4 最小o o1 2i3 j 64 l95 774 805 21 2 63 2 61 o1 9o o 9 5 1 7 年份1 9 6 31 9 6 31 9 6 21 9 8 51 9 5 l1 9 8 l1 9 9 41 9 7 81 9 9 51 9 7 9 1 9 8 81 9 8 71 9 6 7 表3 2 杭州市月平均降水日数 1 月份 l3456 7891 0l l1 2 全年 天数1 3 0l3 91 651 6 11 6415 11 2 61 1 2 1 4 21 2 21 1 81 141 6 64 表3 3 杭州市年( 月) 水份盈亏表 月份 i2 34567 89l o1 11 2 全年 降水6 5 0