解讀“海綿城市”的水文效應(yīng)
“海綿城市”中的水體，稱為海綿體。——人民日報（鏈接高能預(yù)警）
前言：去年我國住建部印發(fā)了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南-低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建 (試行)》(以下簡稱《指南》)，旨在全國范圍內(nèi)建設(shè)“自然積存、自然滲透、自然凈化”的“海綿城市”。今天筆者試圖從城市水文學(xué)的角度，解讀一下海綿城市在城市防洪排澇中可能起到的作用。為了輔助理解，本文會從自然情況下的水文過程出發(fā)，探討城市建設(shè)對水文過程的負(fù)面影響，最后探討相應(yīng)治理措施的機理�？紤]到不同讀者的知識背景和教育水平，筆者將讀者預(yù)設(shè)為初中文化水平，即初中生基本能夠看懂本文。文中可能會有一些示意圖，比喻等寫作手法，請專業(yè)人士們輕拍~~
1. 自然植被情況下的水量平衡
首先明確研究對象：某地城鄉(xiāng)結(jié)合部有一塊正方形林地，林地旁邊有條小河經(jīng)過。林地中生長不同種類的植物，包括草類、灌木和喬木等等；林地的表面也不是平坦的，存在一定的低洼地。當(dāng)林地發(fā)生降雨時，一部分降雨會從地面流到河里。我們的研究對象就是那部分從地面流到河里的水量。
我們可以將降雨中的雨滴假想成空降兵，這些空降兵的戰(zhàn)斗目標(biāo)是最快時間內(nèi)行軍到林地中的河流里。假設(shè)一大群空降兵在林地上空均勻的空降，每個地方空降的士兵數(shù)量相同；實施傘降之后，那些空降兵會面對什么樣的命運呢？開一下腦洞：
戰(zhàn)死沙場：由于種種原因，空降兵會發(fā)生一定程度的減員，包括被敵軍殺死、被殺俘等戰(zhàn)斗減員，以及降落傘故障死亡、掛在樹上等非戰(zhàn)斗減員。
戰(zhàn)敗被俘：一部分空降兵會在地面遭遇敵方士兵，如果空降兵的數(shù)量大于敵兵，空降兵會戰(zhàn)勝脫困；如果空降兵數(shù)量小于敵兵，空降兵將會不幸戰(zhàn)敗被俘。
落入陷阱：林地地面上有一些深坑之類的陷阱，一些空降兵落地后直接被陷阱困住直到戰(zhàn)斗結(jié)束。落入陷阱與戰(zhàn)敗被俘的區(qū)別是，落入陷阱后還有可能逃脫，而被俘后逃脫概率較小。
勝利逃亡：如果空降兵數(shù)量足夠多，總有一部分空降兵順利降落地表，沿著地表行進至河流中。在本文中，這部分“勝利逃亡”的空降兵是我們的主要研究對象。
Fig.1 自然植被覆蓋情況下空降兵分布示意圖 (Modified from Growth and Water Resources EPA )
現(xiàn)在問題來了，如果空降了100個空降兵，有多少能夠勝利逃亡到指定地點呢？根據(jù)U.S. EPA(美國環(huán)保局)的一項調(diào)查顯示，在自然狀況下只有10個空降兵可以通過地表到達(dá)指定地點，剩下的空降兵都損耗在空降后的行軍過程中。
圖2 自然植被覆蓋情況下空降兵分布數(shù)量 (Modified from Growth and Water Resources EPA )
在實際生活中，我們不僅關(guān)注多少空降兵可以到達(dá)指定地點，同時也關(guān)心空降兵們的到達(dá)時間。也就是說，我們不僅關(guān)注“數(shù)量”，也關(guān)注“時間”。首先，由于林地各處的情況不同，空降兵的行軍速度不同；其次，每個空降兵距離集合地點的距離也不同，如果空降兵們同時出發(fā)，我們在集合點觀察，每小時有多少空降兵到達(dá)集結(jié)點呢？
由于產(chǎn)匯流計算過程非常復(fù)雜，筆者在這里直接用實際數(shù)據(jù)來講解。圖3是一個實際情況中的雨水徑流過程圖。根據(jù)我們的假設(shè)，如果飛機投放三次空降兵之后，空降兵們開始從不同地點以不同速度向制定目標(biāo)前進，每小時到達(dá)指定地點的空降兵數(shù)量先升后降，存在一個極大值，稱之為洪峰(Peak)。由于本文考慮的是城市防洪排澇，我們重點關(guān)注空降兵到達(dá)數(shù)量的最大值以及這個最大值出現(xiàn)的時間，也就是圖3中的洪峰流量和峰現(xiàn)時間。
圖3 自然狀況下的降雨徑流過程線 (Modified from Hydrology & Hydraulics )
到現(xiàn)在為止，筆者已經(jīng)介紹了自然狀況下水文過程的幾大要點，包括：
水量平衡地表徑流量雨水徑流過程線本文的第二部分會主要分析這片林地城市化之后對水文過程的負(fù)面影響，然后第三部分會分析如何解決這些負(fù)面影響。這三部分完成后，筆者期望讀者們能夠從機理上理解海綿城市的著眼點以及實現(xiàn)方法。
To be continued.
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來源：知乎www.zhihu.com
作者：劉文龍
