華工自然辯證法論述題

1、五、論述題（20分）隨著全球氣候變化和城市化進程進一步加快，城市暴雨內澇事件頻發(fā)，試用產匯流理論來分析造成城市暴雨內澇的原因，并簡述城市產匯流國內外研究進展（要求：至少5000字，具有較好的邏輯性）。1 城市內澇及其影響1.1城市內澇定義及現狀城市內澇是指由于強降水或連續(xù)陛降水超過城市排水能力致使城市內產生積水災害的現象。城市內澇災害發(fā)生時，城市交通、網絡、通信、水、電、氣、暖等生命線工程系統(tǒng)癱瘓，社會經濟活動中斷，其災害損失已遠遠大于因建筑物和物資破壞所引起的直接經濟損失。近幾年，我國各地城市內澇現象頻繁發(fā)生，使這一城市問題受到越來越多學者的關注。近年來，我國城市內澇頻繁發(fā)生，而發(fā)生的地點都

2、相對集中在城市，特別是大中城市。住房和城鄉(xiāng)建設部在 2010 年對國內部分城市進行了內澇情況調研， 結果顯示：從2008年一2010年，在全國351個設市城市中，有213個城市發(fā)生過內澇；內澇次數超過3次以上的城市數目約占39；內澇發(fā)生時，最大積水深度超過50 cm的城市占74.6，部分城市最大積水深度超過1.5 m；有57個城市的最大積水時間超過12 h。以北京市為例，北京市近兩年影響比較大的內澇包括2011年“6.23”和2012年“7.21”。“6.23”降雨造成北京市29處立交橋區(qū)和重點道路出現積滯水，造成交通中斷的有22處；“7.21”暴雨更是造成全市主要積水道路63處，路面塌方31

3、處，5條運行地鐵線路的12個站口因漏雨或進水臨時封閉，甚至人員傷亡等等。目前，我國大多城市處于建設發(fā)展時期，城市面積的增加、不透水地面比例的擴大、城市社會財富的累加、城市運轉效率的加快等等，都使得內澇損失出現加重化、加大化的趨勢，城市受淹的損失占歷次洪災造成的總損失的比例越來越大，一般達到50%一80%。由此看來，城市化的發(fā)展在很大程度上又加重了水災損失。1.2城市內澇的特點發(fā)生的區(qū)域來看，由于過去城市數量和規(guī)模較小、城市建設用地面積小、可選擇的區(qū)域大，故一般都選擇地勢比較高的地區(qū)進行城市建設，因此，以前城市內澇主要發(fā)生在沿海地勢比較低地區(qū)的城市；而現在由于城市用地的緊張、可選擇的用地少，城市

4、內澇也在內陸地區(qū)城市頻繁發(fā)生。另一方面，由于現代城市建設在排水方面出現了許多新問題，造成某些特定的地點內澇發(fā)生頻率高，例如：很多地方的立交橋下降雨后會積水；過街的地下通道、鐵路橋、公路橋也存在類似的情況。1.3城市內澇的影響近年來，我國城市內澇出現的頻率和造成的損失呈逐年遞增趨勢，其帶來的不利影響顯而易見。突出表現在：l 城市內澇帶來嚴重的公共衛(wèi)生問題，甚至疾??；因路滑造成的行人跌倒骨折；趟水時被戳傷腿腳現象明顯增多；受水浸泡后引發(fā)感冒及消化系統(tǒng)疾病的患者也急劇增加。l 城市內澇造成城市道路交通系統(tǒng)運轉失靈，甚至部分癱瘓，不僅不利于出行，而且引發(fā)的交通事故也明顯增加。l 城市內澇引發(fā)城市水電、

5、通信等地下線纜故障：造成市場、倉儲貨物被淹，甚至人身傷亡。4)城市內澇可能引起社會秩序短時間的?昆亂恐慌。2 城市內澇原因城市內澇是一個較為綜合的問題，由于城市化進程的推進使得城市化水文效應愈發(fā)顯著，從而增加了城市內澇出現的概率和強度，而現有排水設施的標準偏低、建設滯后、維護和管養(yǎng)力度不足等因素也能進一步加重內澇的發(fā)生。主要表現為城市“熱島效應”突顯，加上全球氣候變化的影響，使得城市局部的極端天氣更加趨于頻繁地發(fā)生。2.1城市內澇的直接原因極端天氣的頻繁發(fā)生城市內澇災害直接由暴雨事件所引起，沒有暴雨事件幾乎可以肯定不會發(fā)生城市內澇災害。從這個意義上講，近年來頻繁出現的暴雨事件直接導致了我國城市

6、內澇災害的頻繁發(fā)生。在全球氣候異常變化的大背景下，極端暴雨事件有所增加，而且，不論是單次暴雨的降雨量、雨強還是暴雨事件頻次均有所增大。以北京市為例，利用北京市觀象臺站1961年2008年的降雨資料，計算近40年短歷時（120min）極端降雨事件的趨勢（通過極端氣候指數定義計算，短歷時120min 的極端降水量閾值為16.21mm，120min降雨超過這一閾值即定義為極端降雨事件）。實際上，2003年一2008年極端降雨的頻次呈現增加的趨勢，2008年短歷時極端降雨的頻次達到11次，已經超過氣候平均值（6.5次）。2.2 城市化水文效應 水文過程是氣象與下墊面共同作用的結果。城市化引起的人口劇增

7、、土地規(guī)劃性質改變、不透水面積增加正不斷地侵蝕著城市生態(tài)平衡。據廣州市統(tǒng)計局資料顯示，改革開放初期，廣州市總人口僅500萬人左右，城市建成區(qū)面積不到170 km2，根據第六次人口普查資料，到2010年底，廣州市常住人口達1270萬人，城市建成區(qū)面積達1024km2 。在近30余年的時間里，廣州市人口翻了一番，實際居住人口更是多次突破規(guī)劃人口預測值，建成區(qū)面積更是增長了6倍。張建云指出，城市化水文效應隨著城市化進程的加快越發(fā)顯著，使得城市水問題越來越突出。城市化的進程直接影響到水文要素循環(huán)的各個方面（見圖1），涉及到降水、流域水系、地表徑流、雨洪、生態(tài)環(huán)境效應等。2.2.1 城市化造成土地硬化

8、在城市化前，由于區(qū)域下墊面具有一定透水性，降雨首先被大量的農田、綠地等天然植被截留，然后在自然地表蓄積，進一步在土壤下滲作用下轉化為地下水，最后余下的水才形成地表徑流。城市化過程中森林、農田、濕地等不斷被開發(fā)為居住地、工業(yè)用地或商業(yè)用地，城市地區(qū)不透水面積增加，相應的調蓄能力下降。下墊面硬化過程導致雨水截留量、蒸發(fā)量、下滲量和地下水位減少或降低，徑流系數顯著提高，從而影響流域產流。坡面和管道相結合的匯流方式是城市化地表徑流的另一特點，流域的阻尼作用降低，匯流速度大大加快。水流在地表的匯流歷時和滯后時間大大縮短，集流速度明顯增大，城市地表徑流量因此大為增加，與河流渠化、防洪堤壩等水利工程措施共同

9、作用使河道結構、河網形態(tài)改變，從而影響河道匯流，使得城市化后的洪水過程線變高、變尖、變瘦，洪峰出現時刻提前（見圖2）。 城市硬化面積的增加和綠地的減少直接導致暴雨產流量增加、匯流速度加快，從而加大了城市的內澇災害風險。近些年，我國許多城市的規(guī)模、城區(qū)面積不斷加大，城市內的硬化面積也日漸增加，同時綠地面積卻少有增加甚至減少。 這樣的一增一減的結果，使降雨入滲能力減弱甚至使降雨下滲功能喪失，從而使暴雨產流量增加、匯流速度加快，進而加大了城市的內澇災害風險。2.2.2 城市化造成城市水域的減少 人類在城市發(fā)展建設過程中，在不知不覺當中降低了城市的排澇能力。眾所周知，城市的排澇能力由兩部分構成，一部分

10、是自然湖泊、坑塘、河道、溝渠等形成的自然泄洪排澇能力；另一部分是城市排水管網構成的排澇能力。與早期相比，第一部分的泄洪排澇能力大為下降，原因是一些城市規(guī)劃建設時，忽視了城市泄洪排澇建設或對其重視不夠，使城區(qū)原有的一些天然湖泊、水塘等被填平改造、溝渠被堵塞占用，原來暢通的自然排水系統(tǒng)被打亂，結果使這部分排澇能力大為消減。對于第二部分的排澇能力同樣存在下降的問題，其原因是城市的防洪排澇能力跟不上城市的快速發(fā)展，基礎設施、排水管網、泄洪設施不完善，許多城市的排水系統(tǒng)既存在“先天不足”問題，也存在后天管護不當的問題。城市化使得河道結構趨于簡單。以廣州為例，在城市擴張的過程中，河流從原來的自然河岸邊坡逐

11、漸改為直立岸墻，部分河涌甚至硬底化。一些河涌因為淤積以及城市建設“與水爭地” 而逐漸變窄甚至消失，如柳波涌、大觀河等。一些河涌則改建為暗涵，如玉帶濠、西濠涌、百子涌、橙基涌、漱珠涌、沖尾涌、上市涌、廣雅涌、師爺涌、樂善涌等。一些河涌則為了滿足規(guī)劃用地完整性的需要被隨便改道，出現明顯轉角，如金融城簡下涌，本來順直的河涌在規(guī)劃中出現 4個直角。所有這些都不利于河涌排澇。區(qū)域城市化往往是沿著主要干道逐步發(fā)展的，通常是先始于河流的中下游，城市化過程往往會出現與河爭地、占用河道等現象，使得河道斷面縮窄，在城市化初期，其影響效果可能不是很明顯。但隨著城市化的推進，河涌上游逐漸由原來的農業(yè)用地變?yōu)榻ǔ蓞^(qū)，早

12、先河道縮窄處就逐漸成為過水瓶頸而容易導致內澇發(fā)生。 城市內原本存在的水域及低洼地帶是暴雨洪水的蓄積場所，這些水域及低洼地帶的存在會在很大程度上緩解和消減城市的內澇災害風險。但許多城市隨著規(guī)模的擴大，城區(qū)的低洼地帶被填平，水域面積也大為縮減，如19842004年間， 北京市四環(huán)內城區(qū)的水域面積由573. 75hm2 減少至496. 16hm2，減少了近14%， 年均減少1. 4%。城市內低洼地帶和水域面積的減少， 大大降低了城市自身對暴雨洪水的調節(jié)能力，進而增加了城市排水系統(tǒng)的壓力，使城市排水系統(tǒng)原有的設計能力逐漸下降，增加了城市的內澇災害風險。2.2.3 城市化造成城市熱島效應 人口聚集、建筑

13、緊密、不透水面積增加等特點增大了城市地區(qū)土壤熱容量，中心城區(qū)地溫高于郊區(qū)，隨著溫度上升，與郊區(qū)溫差增大，近地面風速減小，城區(qū)的絕對濕度和相對濕度較低，引發(fā)“熱島效應”。對于大型城市，“熱島效應” 還會帶來“雨島效應”。上升的熱氣流在高空與強對流的冷氣團相遇，就會形成暴雨，因此大城市往往更容易遭遇暴雨襲擊，這便是城市雨島效應。研究表明，在城市熱島效應、城市凝結核效應和城市阻礙效應的共同影響下，城市降水量與郊區(qū)相比增加幅度為5%11%；當雨島效應集中出現在汛期時，疊加產生的暴雨量更大，更容易形成大面積積水，引起區(qū)域性內澇的發(fā)生。根據廣州市已有60 a暴雨統(tǒng)計資料來看，近20 a來廣州市暴雨強度增大

14、幅度達9%左右，20世紀 90年代平均每年出現暴雨7.3d，到2012年暴雨出現天數已高達13d。2.3 城市排水管道不夠完善 城市排水管網的設計是以規(guī)劃人口為依據，配合道路建設同步實施。初期排水管網還能滿足排水需求，但隨著城市化的進一步發(fā)展，城市排水設施的建設跟不上城市建設和人口增長的發(fā)展速度，現狀排水管網無法滿足急劇膨脹的排水需求。以獵德涌為例，獵德涌兩岸已于2007年3月完成了全線截留式合流管建設，但由于當時的合流管網管徑是參照前期規(guī)劃、以規(guī)劃人口規(guī)模為依據設計的，隨著獵德涌沿線建成區(qū)不斷發(fā)展，流域現狀已脫離規(guī)劃建設，實際人口數量遠超當時的規(guī)劃人口，污水量也遠遠超出預期值，同時城市化的快

15、速發(fā)展使得雨水徑流量大幅度提高，在現有管道截流倍數n =1. 0的條件下，沿線合流管最大過流能力已遠遠低于雨季收集目標，導致崗頂街段成為暴雨內澇頻繁發(fā)生區(qū)。這種“先埋管，再開發(fā)”的建設理念，既造成了投資的浪費，又不能有效解決問題。早期，在城市天然調蓄體系的配合下，大部分管渠的設計標準普遍偏低，隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市天然調蓄能力持續(xù)下降，現階段的排水標準已不能滿足城市排水需要。在對廣州市中心城區(qū)內澇成因的摸查中發(fā)現，48%以上的內澇點是由于排水管網缺乏或標準偏低造成的。目前，約83%的現狀管渠僅滿足1a的暴雨重現期，滿足2a重現期的管渠占9%，其余管道均低于1a的重現期。在現有的排水標準下

16、，一旦發(fā)生強降雨，排水管網往往由于過流能力不足而造成城市內澇。除此之外，部分城建區(qū)地勢低洼，路面雨水口數量不足、布置形式不合理等問題，也使得在暴雨期間出現地面積水無法迅速排出引發(fā)區(qū)域內澇; 部分截留式合流管設計時標高設置不合理，使得暴雨來襲時，排水管內水位被抬高，減緩了雨水入涌速度，對兩岸排水造成頂托，使得雨水無法及時入涌造成局部內澇。3 產匯流國內外研究進展3.1 流域產流研究 傳統(tǒng)的產流理論是1935年Horton在他的題為地表徑流現象的論文中提出的，即著名的Horton產流理論。他以降雨強度是否大于地面下滲能力和包氣帶土壤含水量是否達到田間持水量兩個條件為依據，闡明了自然界超滲地面徑 流

17、和地下徑流的形成機制，并給出了相應的產流條件。 60年代初，經過大量野外觀側人們發(fā)現徑流形成過程的實際現象與上述產 流理論存在著不少矛盾，表明Horton對產流的概括過分簡單，并不能充分反映客觀產流現象的全部內容。在產流條件和產流面積上均需要進行必要的補充，更重要的是應對產流過程的物理機制加以分析闡述。我國水文學家通過大且實測 水文資料的分析研究，得出了濕潤地區(qū)以蓄滿產流為主和干早地區(qū)以超滲產流 為主的重要論點，建立了流域產流計算的實用方法，從而使Horton產流理論在 生產實際中得到應用。 對坡地產流，Dunne（1978）掌握了大量野外觀測和實驗資料，對坡地徑流現象、坡面流速進行了系統(tǒng)描述

18、，揭示了坡地徑流形成過程和各種現象，為坡地 產流的研究奠定了基礎。 Freeze（1978）系統(tǒng)地提出了坡地水文數學模型，它主要包括坡面漫流和壤中流兩部分摸型。我國學者提出了界面產流理論，詳細論述了超滲地面徑流、壤中徑流、地下 徑流、飽和地面徑流和回歸流等5種徑流成分的形成機制。國內有的學者，通過人工模擬降雨實驗，得到入滲率與地面坡度之間的定量關系式；有的通過對黃土 高原林地入滲試驗分析認為，林地土壤水分入滲分為不穩(wěn)定入滲和穩(wěn)定入滲兩 個階段，并提出了相應的林地入滲計算模型。由上述可知，坡地產流理論雖有一 定的發(fā)展，但坡地降雨入滲和產流的研究還處于初始階段，人們對此認識還很不 充分。3.2 流

19、域匯流研究流域匯流的實質，就是用水文學方法，即以水量平衡方程代替連續(xù)方程，以 水庫型槽蓄方程代替動力方程，去求解地表水運動基本微分方程組圣維南 方程組。流域匯流的研究主要沿著以下三個方面發(fā)展：一是物理分析途徑方向。指從物質運動來探討匯流過程物理規(guī)津的一種研究途徑。水的運動具有粒子和波動二重性。利用水運動的粒子性處理匯流問題，就能考察出流斷面某一時刻的流量由哪些水質點組成，據此可以導出徑流形成公式和地貌瞬時單位線。利用水運動的波動性處理匯流問題，就能考察傳播流量在傳播場中的運動規(guī)律，并受到物質不滅定律和能量、動量守恒定律的控制，據此導出水動力學的解析解或數值解。二是系統(tǒng)分析方向。由系統(tǒng)分析途徑研

20、究的匯流模型通常有概念性模型和“黑箱”模型之分。概念性模型元素有線性水庫、非線性水庫、線性渠道、非線性渠道和面積時間曲線等?！昂谙洹蹦Ｐ蛣t是對匯流系統(tǒng)的作用先作假定，然后用匯流系統(tǒng)的實測人、出流資料加以識，求出流域出口斷面的響應。三是隨機水文學方向。70年代以來，隨機水文學發(fā)展成水文科學的一個分支，主要研究時間序列分析、卡爾曼濾波理論和蒙特卡洛方法在水文學中的應 用。由于匯流系統(tǒng)中的出流過程是其入流過程與下墊面特性相互作用的產物，而其時空分布均表現出一定的隨機性。因此，時間序列分析中的自回歸模型、滑動平均模型和自回歸一一滑動平均模型等，在匯流模型的研制中均有應用，即對一特定流域，當入流的統(tǒng)計描

21、述已知，則僅可根據出流過程來分析流域匯流的特性。50年代以來，中小河流域匯流計算常采用單位線和等流時線等方法；較大 流域匯流計算則采用標準過程線、概化過程線，或采用單位線、等流時線與河道 匯流計算相結合的方法。我國于50年代初針對降雨的不同強度和不均勻分布特性，對其進行了分類、分型，建立了凈雨強度與單位線要素的經驗關系。隨后在一些河流地區(qū)分析了按凈雨強度分類單位線。還得到了不同暴雨中心位置對單位線型的影響研究成果。60年代以來又引進了J.E.Nash瞬時單位線。并做了大量工作。對于缺乏資料地區(qū) 的流域匯流計算，50年代初期即開展了應用綜合單位線的研究，60年代又引進了J.E.Nash綜合法，8

22、0年代中后期又進行地貌瞬時單位線的研究。90年代進行了確定性概念水文模型與地貌瞬時匯流模型之間參數關系的研究。在無資料地 區(qū)匯流計算方面做了大量研究工作取得了很多有價值的成果。在較大流域匯流計算時,為消除降雨及產流時空分布不均、河網各處調節(jié)能力不同等非線性影響。70年代在一些河流（地區(qū)）采用了單元匯流計算法和變雨強單位線計算法。當非線性僅表現單位線隨入流強度變化時，出流量可由變動核函數的卷積來計算，其關鍵在于求得系統(tǒng)的變動核函數：一種是根據流域有效降雨資料計算相應的流量過程，根據馬斯京根模型，求得變化核函數；另一種是用簡單的非線性槽蓄方程代替動力方程導出變動核函數。上述這些算法，提高了非線性匯流的計算精度。參考文獻1城市雨水內澇成因及對策J. 王峰,顏正惠,黃偉樂,周芡如.  中國給水排水. 2012(12) 2城市化與城市水文學面臨的問題J. 張建云.  水利水運工程學報.