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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇海綿城市的缺點，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：海綿城市 安陽市 城市改造 建議
中圖分類號：F291
文獻標識碼：A
文章編號：1004-4914（2016）08-203-02
一、海綿城市的概念
海綿城市，簡單地來理解，就是城市像海綿一樣，在降雨過程中將雨水收集起來，等待需要的時候在釋放出來，用于灌溉、沖洗路面、補充景觀水體。城市可以像海綿一樣壓縮和恢復，能夠最大限度上地防洪減災。城市的“海綿體”不僅包括小區建筑物的屋頂、植草溝、園林綠化、透水鋪裝等，還包括城市的各種水系，例如江、河、各種自然人工湖等。
傳統城市，未能考慮城市降水資源的綜合利用，只考慮到“排”。傳統城市雨水通過管道將雨水快速排出城市。隨著傳統城市的不斷發展，道路硬化增多，不透水的路面面積大大增加，盲目的發展使得雨水無法下滲到土地內，這樣就造成了城市的內澇和徑流污染發生次數大大增加。和傳統城市不同，海綿城市可以有效地解決城市內澇問題，對于維持房地產開發前后的水文特征，維持人與自然的和諧發展有著極其重要的作用。
二、安陽市城市概況
河南省安陽市處于太行山脈與華北平原交界的過渡地帶，地勢總趨勢為西高東低，自西向東呈階梯式下降，大致以京廣鐵路為界，西部為山丘區，間有小型盆地，最高山峰海拔1632米。安陽市東部為沖擊平原，最低洼地海拔高度為50米。地貌由山地、山間盆地、丘陵、平原、崗地、泊洼六種自然形態組成。
安陽市全市多年平均水資源總量為16.403億m3，人均水資源占有量為322m3/人，畝均水資源占有量301m3/畝，低于河南省人均占有量470m3/人、畝均占有量400m3/畝的水平，分別為全國人均水資源占有量的七分之一，畝均水資源占有量的六分之一，屬于水資源匱乏，供需矛盾嚴重的地區。
三、海綿城市的構成
海綿城市利用低影響開發雨水系統，使得開發前后的環境水文保持不變，能夠使得城市像海綿一樣吸收和釋放雨水，達到調節環境的目的。低影響開發影響的種類有很多，以下就介紹幾種低影響開發設施。
綠色屋頂，顧名思義是將植被種植于各類建筑的屋面、天臺、露臺等。綠色屋頂由建筑屋頂的結構層、防水層、保護層、排水層、隔離濾水墊層、蓄水層和種植基質、植被層組成。綠色屋頂可以有效地增加小區的人均綠化面積，以30萬m2的住宅小區為例，假設屋頂面積為25%，則將近有7.5萬m2的綠化面積；傳統的屋面材料在視覺上觀感較差，綠色屋頂則能帶給人賞心悅目的感覺；綠色屋頂還能調節屋頂溫度，研究表明，在夏日屋頂最高溫度可達80攝氏度，而冬天最低可達零下20攝氏度，巨大的溫差容易導致屋面材料老化，而綠色屋頂可以克服這一缺點，種植植被的屋面夏季溫度通?？梢员３衷?0～25℃，可以有效地防止屋面的老化變形，減小了屋面裂縫的可能，提高了建筑物的使用壽命。同時在冬季，綠色屋頂可以起到保溫的作用，統計表明，冬季無綠色屋頂的屋面比有綠色屋頂的屋面溫度低2.4℃；綠色屋頂可以有效地截留雨水，削減雨水徑流總量，減少排水不暢和洪澇災害。同時，綠色屋可有效的節約水資源，促進環境的保護和水循環的平衡；綠色屋頂可以吸收空氣中的灰塵及二氧化碳，減少溫室效應。植物可以通過光合作用及葉片的吸附等作用，對空氣污染進行削減。同時，綠色屋頂可以通過綠化層的滯留、吸收，將屋頂的污染物有效削減。從而保護大氣環境和水環境，免受破壞。
透水鋪裝是指將孔隙率較高、透水性較好的材料應用于道路路面。它可以使雨水進入透水鋪裝的內部，貯存適量的雨水或隨內部的排水管道排出，減少洪峰流量，削減徑流系數。透水鋪裝由土基、墊層、基層、過濾層、面層等構成。透水鋪裝可以有效的削減徑流流量，使雨水迅速的入滲，減少洪澇災害的風險；使得水資源得到有效的補充，利于生態環境的保護；透水鋪裝可以使路面無積水或有少量積水，從而增強道路的安全性能，保證了行人和駕駛人員的生命安全；透水鋪裝的較大孔隙不僅可以吸收噪音，還可以緩解溫室效應，使得路面溫度得到有效的降低，延長道路的壽命。
植草溝又稱為植被淺溝，是一種種植有植被的具有景觀欣賞性的地表溝渠，它可以通過重力流收集、轉輸和排放雨水。植被淺溝既是一種徑流傳導的設施，也可以與低影響開發的其他設施一起，輸送徑流雨水并且收集、凈化雨水。植被淺溝根據構造的不同，共分為干式植被淺溝、濕式植被淺溝和轉輸型植被淺溝三種。植草溝可以有效地滯留雨水，促進土壤的滲透。同時，它還可以減緩雨水的流速，保持水土，削減徑流量。植草溝對于污染物的去除和遷移也起到了較好的作用。
雨水花園通常建設在地勢低洼的地區，由種植的植物來實現初期雨水的凈化和消納，是低影響開發技術的一項重要措施。雨水花園具有造價低、管理維護方便，易于與當地的景觀所融合等特點。它被歐、美等多個國家廣泛應用在居住小區、商業區等不同的地區。雨水花園主要由蓄水層、覆蓋層、種植土層、人工填料層和礫石層等五部分組成。重金屬、沉淀物等不同的污染物質隨雨水徑流匯入雨水花園。通過植物的吸收、微生物的作用等，將污染物去除。植物的根系，對土壤的凈化也起到了一定的作用。雨水花園可以有效地去除氮、磷等污染物，與傳統的措施相比，具有成本低、與周圍環境融合度高、不產生其他污染等優點。
下沉式綠地有廣義和狹義之分，廣義的下沉式綠地除包括了狹義之外，還包括滲透塘、雨水濕地、生物滯留設施等；狹義的下沉式綠地，又叫下凹式綠地，低勢綠地，指高程低于周圍的路面或鋪砌硬化地面約20cm內的綠地。下沉式綠地可以在降雨時，讓雨水較大程度的入滲至綠地中，滯留大量的雨水，避免了傳統方式中雨水管渠的阻塞、下水緩慢等問題。雨水中攜帶了較多的有機污染物和無機物等，隨著雨水徑流進入下沉式綠地。下沉式綠地可有效的阻斷面源污染，使污染物得到削減。下沉式綠地的建設，減少了雨水檢查井的修砌，避免了雨水井蓋的偷盜事件，確保了行人的安全，防止傷人事故。
蓄水池指專門儲存雨水的收集利用設施，同時它能夠削減洪峰流量。蓄水池需結合當地的土質、地形等條件，可選用鋼筋混凝土、磚砌等多種形式，用于地上或地下。蓄水池可用于具有雨水回用要求的小區等，回用的雨水可用于沖廁、澆灑綠地、景觀用途等。
濕塘是指具有收集雨水和凈化雨水的功能，是景觀水體的一種。濕塘能夠在平時發揮其景觀功能，供人們休閑和娛樂。在降雨時，發揮雨水調蓄的功能。濕塘可以用在居住小區、公園、廣場等具有較大空間的地方，對于生態保護和豐富居民生活有著重要意義。
四、構成海綿城市低影響開發小區案例研究
低影響開發的技術措施的探討，主要是為了指導工程實踐，為建設海綿城市奠定堅實的基礎。下面通過對安陽市某小區的工程案例的模擬，探究低影響開發技術措施的環境效益、經濟效益和社會效益，同時利于低影響開發技術措施的推廣與應用。
御水園商住小區建設項目位于安陽市中華路與金沙大道東北角，項目規劃總用地面積21.5公頃，規劃總建筑面積71.07萬m2，容積率2.47，建筑密度22.05%，綠地率達42.35%。項目主要由23棟高層住宅樓和17棟多層住宅樓組成，設計總戶數約3295戶。小區以水為名，小區內有河流通過，正符合了海綿城市合理利用雨水的初衷，河道的經過也有利于小區進行低影響開發。
現對該小區低影響開發的效果進行簡單的評估，以判定低影響開發技術措施對于建筑小區的作用：在建筑小區的各個高層的屋頂建設綠化屋頂，種植適宜安陽市當地的種植植物，從而削減屋頂雨水徑流量，減少徑流污染，提高屋頂的美觀及樓宇的舒適性。小區的人行道、廣場等地、非機動車道均采用透水混凝土鋪設，以促進雨水的盡快滲透，減少小區雨后的積水，確保行人的安全，降低小區的噪聲，減少環境污染。小區綠化均設置為下沉式綠地，下沉深度比地面高程低約100mm左右，使雨水從路緣石的缺口處流入綠地。在小區設置雨水花園，從而減少雨水的徑流總量，削減徑流污染，提高居住小區的生活質量。
結論
安陽市是水資源匱乏的城市，水資源有著很大的不足，同時水資源污染的問題也十分嚴重。由于城市化進程的不斷推進，居民小區拔地而起，不透水路面面積的增大，造成了安陽市部分低洼地區逢雨必澇的現象。本論文針對以上問題進行分析研究，得出以下結論：
海綿城市安陽市小區建設中應用是十分有必要的。海綿城市將傳統的雨水管渠與低影響開發技術措施相結合，使得城市在小區開發前后的水文及生態環境特征保持不變，在抵抗自然災害時，如同海綿一樣，具有一定的“彈性”。在安陽市建設海綿城市，需要利用低影響開發技術措施從源頭、中途和末端三方面進行控制。源頭的控制，可以通過綠化屋頂、初期雨水棄流、滲透井、植被淺溝等措施實現；中途的控制，可以通過透水鋪裝、下凹式綠地、雨水沉淀池、滯留池等措施來實現；末端的控制，可以通過穩定塘、濕塘、人工濕地、滲透塘、雨水花園等措施來實現。
參考文獻：
[1] 王建龍，車伍.低影響開發與綠色建筑[J].中國給水排水，2011，27（20）
[2] 陶一舟.城市街道雨水的管理與利用[J].園林，2007，22-23
[3] 張偉，王建龍，王思思.利用綠色基礎設施控制城市雨水徑流[J].中國給水排水，2011，27（4）
[4] 王莉萍，蔡峻.灃西新城打造會呼吸的“海綿城市”先行樣本[N].城市學研究，2015
關鍵詞：雨水收集；綠色建筑；0020
中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0109-02
1 概述
近年，隨著海綿城市的發展以及人們對于綠色建筑的關注度逐漸提升，雨水收集利用系統也愈發的體現了其在建筑系統中的重要性。但是由于常用的室外雨水收集池存在占地面積大，埋深要求高等缺點，尤其是對于一些位于市中心的改造項目，如何平衡用地緊張與雨水利用二者關系成為很多建設單位的關注點。本項目即在室外用地緊張的情況下，綜合考慮設計雨水收集系統，解決了這一難題。
2 項目概況
常州市中醫醫院位于常州市天寧區的核心區域，西臨城市主干道和平路，南臨麻巷路，始建于1956年，是常州地區唯一一所集醫療、教學、科研、預防保健、急救于一體的三級甲等綜合性中醫醫院。本次在現有院區內規劃建設急診病房綜合樓，總建筑面積41993.36平方米，其中地上32309.77平方米， 地下9683.59平方米。床位數345張。主要使用功能為急診急救、胸痛門診、口腔門診、中醫康復及治未病、產科門診、病房、行政辦公等功能。地上19層，地下2層。
本項目由于與老樓共用院區，用地緊張，既要滿足室外綠地面積及管線布置的需求，又要達到綠色二星年徑流總量控制率55%的標準，考慮到室外院區無法設置安裝雨水收集池，所以本項目通過在裙房屋面設置了一套雨水收集回用系統來解決這一問題。流程如下：首先主樓屋面雨水通過87式雨水管系統收集到7層裙房屋面減壓初濾雨水箱中，雨水經過7層裙房屋面的減壓初濾雨水箱進行減壓并過濾大塊顆粒物（5mm以上的顆粒物），然后進入到6層小屋面的雨水收集水箱，最后通過設置在6層小屋面的雨水消毒設備處理后，進入到室外澆灑系統進行院區的綠化。
系統流程圖（如圖1所示）：
3 雨水收集利用系統設備的選擇
3.1 雨水收集系統計算
3.1.1 室內外雨水系統計算
采用常州市的暴雨強度公式：
q：暴雨強度L/（s?hm2）
T：重現期 a；
t：降雨歷時 min；
屋面雨水量計算：降雨重現期按10a，降雨歷時5min計算，q10=4.49（L/s?100m2）；
主樓屋面雨水量=ψFq=0.90*1600*4.49/100=64.66L/s
3.1.2 屋面雨水收集系統計算
公式：W=10ψFh
ψ：雨量徑流系數
F：匯水面積（hm2）
h：設計降雨厚度（mm）
主樓屋面面積1600m2=0.16hm2
（1）雨水可利用量計算
參見10SS705《雨水綜合利用》南京資料
降雨重現期按1a，最大降雨厚度45.6mm，棄流厚度3mm；
設計主樓屋面雨水收集量V=10*ψFhy=10*0.90*0.16*（45.6-3）=61.34m3
（2）總澆灑用水量
院區綠化面積：2600m2
室外綠化澆灑面積用水：Q=Qd*F=4*2600/1000=10.4m3
（3）院區道路面積：7500m2
室外道路澆灑面積用水：Q=Qd*F=4*7500/1000=30m3
總澆灑用水量W=10.4+30=40.4m3
（4）雨水收集池容積計算
V（61.34m3）≥W（40.4m3）
綜上所述雨水收集池有效容積需大于等于61.34m3，水箱尺寸為5m*3.5m*4.5m（h），有效容積為65m3。
3.1.3 年徑流總量控制率校核
已知條件：項目場地面積7783m2
參見南京55%年徑流控制率對應設計控制降雨量11.5mm，場地綜合徑流系數：0.649， 室外院區80mm下凹綠地面積：200m2。
建設項目場地內設計降雨控制量：V=11.5/1000*7783=89.5m3
入滲實現控制率：1-0.649=0.351
實現降雨控制量：V1=89.5*0.351=31.41m3
下凹式綠地收納容積：V2=200*0.08=16m3
通過調蓄收集回用措施的降雨控制量：V3=89.5-31.41-16=42.09m3
雨水收集池有效容積65m3>42.09m3，滿足年徑流總量控制率55%的要求。
3.2 雨水收集系統設備選型
3.2.1 雨水排水系統的選擇與設計
根據計算，主樓屋面雨水按照十年重現期，設計排水量為64.66L/s，共設置5個DN100的87式雨水斗，設計排水能力為75L/s；減壓初濾水箱進水管管徑為DN250排水能力117L/s。七層裙房屋面雨水按照十年重現期，設計排水量為8.73L/s，考慮水箱事故發生的情況，在裙房屋面上設置2個DN200一個DN300的87式雨水斗，設計排水能力為96L/s，滿足主樓屋面及裙房屋面的總排水量73.39 L/s的要求；六層小屋面雨水按照十年重現期，設計排水量為1.54L/s，考慮故障發生情況，共設置兩個DN150的87式雨水斗，并且在女兒墻上開設一個據地面高100mm，長*寬為300*300的泄水口，設計排水能力為114L/s，滿足主樓屋面及小屋面的總排水量66.2L/s的要求。
3.2.2 雨水水箱的選擇與設計
根據計算，初濾減壓水箱進水管管徑為DN250，從主樓屋面至七層裙房屋面高差為50.7m，在雨水較大時，管道內雨水為半有壓或有壓流態，考慮安全因素，選擇不銹鋼作為水箱的材質，為了減少對水箱的沖擊，進水管采用淹沒出流，并且在出水口設置一個180°的向上回彎，在回彎底部開設一個De50的小孔，用于初期棄流及減壓；初期污染較嚴重的雨水進入水箱后，先通過設置在水箱底部DN150的棄流管直接排到7層裙房屋面上，隨著時間的推移，雨勢逐漸增大，雨水通過設置在p壓初濾水箱中打有5mm孔洞的過濾鋼板網，進入到DN250的出水管里，出水管管中心距離水箱底450mm，保證棄流厚度，使進入到雨水收集水箱的雨水不存在較大的顆粒物；同時為了安全，分別在水箱中兩側各設置了一個DN250的溢水管，保證在流量較大時，也可以把超過溢流水位的雨水排到室外屋面上。減壓初濾水箱作為中轉水箱，設計儲存不小于20%即13m3的雨水量，為了方便檢修，高度不宜小于2m，故尺寸定為5m*2m*2m（h），有效容積為15m3。
減壓初慮水箱剖面圖（如圖2所示）：
雨水從減壓初濾水箱出來后，再經過設置在出水管的Y型過濾器，進一步對雨水進行過濾，隨后進入到六層小屋面上的雨水收集水箱，同樣考慮到安全因素，選擇不銹鋼作為水箱的材質，為了減少對水箱的沖擊，進水管采用淹沒出流，并且在出水口設置一個180°的向上回彎，在回彎底部開設一個De50的小孔，用于減壓，并且在水箱中設置兩根DN250溢流管，保證超過溢流水位的雨水可以及時排出。為了不影響建筑整體外立面效果，充分利用六層小屋面面積，雨水收集水箱尺寸為5m*3.5m*4.5m（h），設置兩根DN50的出水管與雨水加壓泵連接，經過加壓的雨水先進入到全自動自清洗過濾器進行處理，再進入到紫外線消毒裝置進行消毒后重力流進入到院區澆灑系統中，高差22m，經過處理后的雨水無需二次加壓，即可滿足澆灑使用需求。
雨水收集水箱平面圖（如圖3所示）：
4 結束語
在裙房屋面設置雨水收集水箱，需要充分考慮雨水收集過程及使用時的安全問題，同時由于雨水水箱往往體積較大，如何平衡建筑外立面效果及水池容積這兩個問題也需要經過精心設計和充分溝通。但是，這種設計方式既可以滿足綠色建筑及海綿城市的相關要求，又可以解決改造項目中室外用地緊張無法安裝雨水收集池的問題，同時處理后的雨水通過重力流即可供水還可以減少二次加壓產生的用電費用，在用地緊張的改造項目中，在裙房屋面設置雨水收集池不失為一種適合的解決辦法。
關鍵詞：高層建筑；抗震材料；抗震結構
中途分類號：TU5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-01-0191-01
高層建筑是社會經濟發展很科技進步的產物。隨著城市的發展，城市用地緊張，市區低價日益高漲，促使近代高層建筑的出現，電梯的發明更是高層建筑越建越高。高層建筑不僅在材料和結構體系上逐漸多樣性，而且在高度上也有大幅度增長。然而一次又一次的地震災難及教訓，警示著我們。高層建筑設計及材料是工程設計面臨的迫切任務。
高層抗震可選用的材料：
一、框架抗震結構
框架―剪力墻結構，俗稱為框剪結構。主要結構是框架，由梁柱構成，小部分是剪力墻。墻體全部采用填充墻體，由密柱高粱空間框架或空間剪力墻所組成，在水平荷載作用下起整體空間作用的抗側力構件。適用于平面或豎向布置繁雜、水平荷載大的高層建筑。（1）、加強框架的角柱。角柱是連結縱橫框架的樞紐，要增加框架的空間整體性，就要加強角柱的抗剪性能。（2）、沿周圈框架平面按K形支撐和X形支撐布置一定數量的鋼筋砼抗剪墻板或配筋砌塊抗剪墻板，能有效克服框架的剪力滯后現象，顯著提高框架的整體性和抗推剛度，減少結構的整體側移，特別有利于減小層間側移。但這種結構的延性較差，因此，可以在墻板上開十字形結構豎縫使之出現薄弱部位，形成延性耗能墻板。（3）、設置偏交斜撐等贅余桿件，用彎曲耗能代替軸變耗能，其中折曲撐由鋼纖維砼桿制造，偏心連結支撐可用鋼桿或勁性鋼筋砼桿組成。在強烈地震作用下，一方面可利用這些贅余桿件的先期屈服和變形來耗散能量，另一方面當贅余桿件破壞或退出工作后，使得結構由一種穩定體系過渡到另一種穩定體系，引起結構自振周期的改變，以避開地震卓越周期的長時間持續作用所引起的共振效應。
.在框剪結構中，保護和改善剪力墻的抗震性能是關鍵。增加多道抗震防線和延性耗能機構是提高結構抗震性能的有效途徑。協調各構件的剛度、承載力和延性相匹配，可大大提高框剪結構的空間整體性能和抗震可靠度。
二、加氣混凝土
加氣混凝土是一種輕質多空，保溫隔熱，防火性能良好，可腚，可鋸，可刨和具有一定抗震能力的新型建筑材料。加氣混凝土是以硅質材料（砂、粉煤灰及含硅尾礦等）和鈣質材料（石灰、水泥）為主要原料，摻加發氣劑（鋁粉），通過配料、攪拌、澆注、預養、切割、蒸壓、養護等工藝過程制成的輕質多孔硅酸鹽制品。 因其經發氣后含有大量均勻而細小的氣孔，故名加氣混凝土。英文：Autoclaved aerated concrete （AAC）。分類從廣義上來講是所有加了氣的混凝土，包括加氣混凝土砌塊，泡沫混凝土及加了引氣劑的混凝土。狹義上的講就是加氣混凝土砌塊。一般根據原材料的類別、采用的工藝及承擔的功能進行分類。加氣混凝土按形狀，可分為各種規格砌塊或板材。加氣混凝土按原料，基本有三種：（水泥，石灰，粉煤灰加氣磚）；（水泥，石灰，砂加氣磚）；（水泥，礦渣，砂加氣磚）加氣混凝土按用途，可分為非承重砌塊、承重砌塊、保溫塊、墻板與屋面板五種。加氣混凝土的特性由于加氣混凝土具有容重輕、保溫性能高、吸音效果好，具有一定的強度和可加工性等優點，是我國推廣應用最早，使用最廣泛的輕質墻體材料之一。性能優點：質輕 防火 隔音 保溫 抗滲 抗震 環保 耐久 快捷 經濟
高層框架建筑。多年的實踐證明。加氣混凝土在高層框架建筑中的應用是經濟合理的，特別是用砌塊來砌筑內外墻，已普遍得到社會的認同。抗震地區建筑。由于加氣混凝土自重輕，其建筑的地震為就小，對抗震有利，和磚混建筑相比，同樣的建筑，同樣的地震條件下，震害程度相差一個地震設計設防級別，如磚混建筑在達7度設防，它會受破壞，而此時加氣混凝土建筑只達6度設防，就不會破壞。1975年海城地震時，30余幢多孔混凝土建筑展害輕微，而鄰近的磚混建筑則震害嚴重；1976年唐山地震時，北京市白家莊的一棟五層加氣混凝土承重樓，自重僅700kg/m2，當時處于地震烈度為6度強的情況下，震后沒有出現新的裂縫，而在50m處的四層混合結構的住宅，下部卻產生大斜裂縫。嚴寒地區建筑。加氣混凝土的保溫性能好，它200mm厚的墻的保溫效果相當于490mm厚的磚墻的保溫效果，因它在寒冷地區的建筑經濟效果突出，有競爭力。軟質地基建筑。在相同地基條件下，加氣混凝土建筑的層數可以增多，經濟上有利。 加氣混凝土主要缺點是收縮大，彈性模量低，怕凍害，因此加氣混凝土不適合下列場合，溫度大于80℃的環境，有酸、堿危害的環境；長期潮濕的環境，特別是在寒冷地區尤應注意。3抗震防水建筑材料；4碳纖維復合材料；具有抗拉強度高，密度小，耐腐蝕性和耐久性好等優點。5緩沖抗震材料；聚乙烯，EVA，EPE，橡膠，海綿等。6高速公路地下防潮抗震材料――XPS擠塑板7一種隔熱抗震幕墻復合材料――由內層板，中間層，聚氨酯發泡塑料，外層板，蜂窩支架組成。
三、結束語
經濟安全是抗震設計的重要技術政策。從長遠來看，如何從我國高層建筑抗震設計現狀及國際高層抗震設計發展趨勢出發，探求一種新型的結構與材料的應用，應該成為地震區高層建筑的發展新方向。
參考文獻：
[1]《抗震結構設計》（化工版） 抗震結構設計
[2]《抗震結構設計》（武工版）
1.1城市化的水文效應研究
綜合已有研究,將城市化過程中對區域水循環和水文過程產生的影響以及由此引發的水文現象稱為城市化水文效應.從水文過程的本身來看,城市化帶來的水文過程效應主要包括:城市降雨過程特征突變、城市耗散強度增大以及城市產匯流過程畸變等.對于城市降雨過程,眾多研究表明,城市市區內的降水量顯著高于郊區降水量,城市周圍降水時空趨勢性分布十分明顯.其主要原因是城市化對水分和能量收支的影響,這些影響被稱之為城市“熱島效應”、“雨島效應”、城市“干/濕島效應”等.其中,城市“雨島效益”和“干/濕島效應”與城市“熱島效應”密切相關.在城市“熱島效應”方面,Gedzelman等人、Champollion等人、Bottyan和Unger、Nadir基于城區和郊區的氣溫觀測數據分別研究了美國紐約、法國巴黎、匈牙利塞巨(Szged)、蘇丹喀土穆等城市的熱島效應,發現紐約城市熱島效應最強,城區和郊區的氣溫差最高可達8℃.張景哲等人、周淑貞對北京、上海的“熱島效應”做了系統研究.在“熱島效應”定量模擬方面,日本學者Kimura和Takahashi,Toshiaki和Kazuhiro建立了人工熱排放(包括汽車尾氣、工業廢熱、人工取暖等)的精細模擬模型,繪制了較為詳細的逐日和年際人工熱排放變化圖.香港城市大學Chan教授建立了考慮熱島效應的城區溫度變化修正曲線.在“雨島效應”方面,黃國如和何泓杰,王棟成等人在濟南的研究表明:“雨島效應”導致城市增雨率約為10%;曹琨等人選取1959~2007年上海市龍華站降水、氣溫資料及青浦、嘉定降水資料,運用累積曲線、距平統計和相對偏差對比等方法對上海地區降水量進行統計分析,發現“雨島效應”主要集中于汛期5~10月,市區降水平均年增長率為郊區的1.6倍;目前,在國際上關于“雨島效應”具有2個基本觀點:一是城市化導致城區高強度降水增加;二是城市化及其工業污染產生的氣溶膠導致城區降水減少.第一種觀點的代表性研究在墨西哥城,Jauregui和Romales通過1941~1985年的數據分析,發現夏季城區“>20mm/h”的高強度降水明顯增加,而同時期郊區雨量站的降水沒有顯著變化.第二種觀點的代表性人物是Daniel,他基于NOAAAVHRR數據和歷史降水數據分析得出“城市化和工業污染導致區域降水量減少”.這兩派觀點看似矛盾,實際具有科學上的內在一致性,城區點上極端(高強度)降水增加,是以面上其他區域降水的減少為代價的,因為區域水汽通量條件并沒有發生大的變化,“點”上多必然導致“面”上少.在“干/濕島效應”方面,目前的研究主要集中在對長時期、大范圍氣象觀測資料的對比分析上,Katharine等人基于全球1973~2003年系列5°5°分辨率的逐月地表濕度分布數據分析發現,城市化及其他人類活動導致地表水汽含量(絕對濕度)明顯增加.Brown和Degaetano基于美國145個氣象站的逐小時濕度數據分析了美國1930~2010年的地表濕度演變趨勢,發現絕對濕度普遍增加,相對濕度在城市和郊區表現不一樣,東部、中部和西部表現也不一樣,大體是東部城市呈現“干島”,西部城市呈現“濕島”.顧麗華等人利用4個氣象站1961~2005年水汽壓、相對濕度的資料,對南京市的城市干島和濕島效應進行了全面、細致的研究,發現南京在平均相對濕度和水汽壓上表現為明顯的干島效應,隨著城市規模的發展,南京城市干島效應總體為增強的趨勢;在浙江麗水和福建廈門,潘婭英等人和張少麗等人的研究也得到了“城市干島”的結論.在城市蒸散發研究方面,已有研究認為,由于城市化進程使植被、土壤等下墊面條件被不透水硬地面替代,持水下墊面的減少會導致蒸發量的減少.倪廣恒和敬書珍基于遙感技術研究了城市蒸散發過程與土地利用/覆蓋的響應關系;吳炳方和邵建華基于遙感影響建立了區域蒸騰蒸發量的時空推演方法,該方法在流域大尺度范圍內應用較好,但其空間分辨率較低,對城市區的模擬精度受到限制,而且也沒有考慮城市人工取用水的蒸發耗散.Qin等人將下墊面分為5類(耕地、城鄉居工地、陸生植被區、水生植被區、未利用土地),分別提出了各項ET的理論與計算方法,在城市耗水計算中綜合運用了用水定額、耗水系數和水量平衡法.在耗水率計算方面,李彥東認為“工業和生活用水的蒸發耗水率不超過10%”.孟凡貴在博文“制度性干旱”的附文中()測算北京市區工業和生活蒸發耗水僅為133mm,由此推斷城市單位面積水耗遠比農田小,對水源的貢獻遠比農田大,這一計算忽略了城市中水回用及復雜的循環轉化消耗過程,結果偏小.“制度性干旱”的觀點一度引起學術界的爭論.中國科學院南京土壤研究所張佳寶研究員()在接受《科學時報》采訪時說:“(孟凡貴)之所以能得出一些令人觸目驚心的結論,是因為該文在計算各項水資源消耗量時有一些問題”.以上爭論從一個側面反映了學術界和社會公眾對蒸發耗水的關注.總體來看,目前城市蒸散發對自然側、大尺度的研究較多,對考慮城市耗用水過程的綜合蒸散發過程的研究還比較少.
1.2城市化伴生的水環境及水生態效應
從歷史的發展來看,城市化和工業化往往導致城市環境惡化,生態受到較大破壞.中國目前處于工業化中后期和快速城市化時期,城市環境和生態質量逐漸成為制約社會可持續發展的重要因素.其中,水環境和水生態是城市生態環境體系的重要組成部分.2007年,經濟合作與發展組織(OECD)的“中國環境報告”指出,中國在經濟迅速發展的同時,環境質量水平大幅度下滑,“與世界上最貧窮的國家近似”.根據中國人民共和國環境保護部《2013中國環境狀況公報》,中國已有超過30%的主要河流、70%的湖泊和20%的沿海水域遭到嚴重污染,尤其是河流流經城市段的污染最為嚴重.同時,城市區域地下水污染問題不容忽視,地下水水質優良的比例僅占37.3%.水環境和水生態惡化不僅對居民飲用水安全構成威脅,也是城市實現可持續發展,經濟穩定增長的絆腳石.因此,近些年來,城市化、工業化伴生的水環境與水生態效應相關研究成為城市水文學領域的熱點之一.在城市水環境方面,以水環境承載力研究為著眼點,Zacharof等人,Schütze等人在此基礎上提出了水環境納污能力計算、水環境過程演變模擬等模型和污水處理系統的實施監控方案.水環境納污計算模型可以定量求解水環境承載力,對城市建設決策,可持續發展提供有力依據.郭懷成和唐劍武以山東臨淄為例,建立了該區水環境系統動態預測與決策模型,由模型獲得定量化水環境承載力,以研究城市水環境與社會、經濟綜合協調發展戰略及對各協調策略進行評價.崔鳳軍采用系統研究方法,利用城市水環境承載力指數分析城市水環境,對策略變量做出預測、優化,并利用系統動力學模擬手段進行了實證研究.左其亭等人提出了計算城市水環境承載能力的“控制目標反推模型”(COIM模型),同時以鄭州市為應用范例,介紹城市水環境承載能力計算模型應用及水環境調控對策制定.水環境和水質過程演變研究主要從污染物性質,污染事件的過程與方式等方面認識環境惡化與水質劣變過程的演化機理,同時提出相關防治對策.張學勤和曹光杰就城市水質問題提出了節約用水、控制點源和面源污染、加強城市綠地建設、生態修復城市水體等改善城市水環境質量的具體措施.任玉芬等人通過對不同城市下墊面的分析,研究了屋面和路面等不透水面以及綠地3類城市主要下墊面形式的降雨徑流污染.Zheng等人通過動態建模方法,研究城市雨水徑流多環芳香烴(PAH)的污染評估.Gnecco等人研究了在城市表面的降雨污染,分別調查了屋頂和路面污染情況.結果顯示在路面徑流中最顯著的污染物為溶解形式的Cu,Pb和Zn的重金屬;關于屋頂徑流,鋅濃度是非常高的.Vizintin等人使用結合過程的模型,測定考慮城市水循環的城市沖積含水層地下水污染.在城市水生態方面,相關研究結合城市生態建設管理實踐,通過水與其他生態要素的統一分析,為城市生態可持續發展提供決策依據與科學建議.早期的城市生態建設規劃主要考慮城市結構、形態設計等,忽視了能源的節約和環境的保護,直到20世紀90年代初,城市水問題、水環境和水生態的研究才逐漸受到重視.Kattel等人認為,城市生態是一個聯合的整體,是建筑、土地利用、城市綠地、道路、濕地、棲息地及島嶼等不同的組合聚集在一起形成的,維持城市生態,保障城市可持續發展十分重要.Gbel等人提出了擬自然的城市水文生態管理方法,并評估了這種管理模式下城市地下水的響應規律.王沛芳等人提出了水安全、水環境、水景觀、水文化和水經濟五位一體的城市水生態系統建設模式.Wang等人研究了青島嶗山區水資源和生態環境的綜合管理,對于城市居民區的廢水排放,為預防水體富營養化和藻類的營養物質匯集,人工濕地和沿岸水生植物形成了緩沖地帶.周文華等人以北京市為例,探討了城市水生態足跡的內涵和4種典型城市水生態足跡的發展軌跡,提出了基于城市生態需水量的水生態足跡的核算方法.劉武藝等人定義了基于城市水生態系統健康的生態承載力,提出了“基于城市水生態系統健康的生態承載力-壓力量化模型”,并根據理論模型設計了計算模型.綜上所述,城市水環境與水生態效應研究不單單局限于水資源本身,需要結合城市整體建設規劃,考慮經濟和社會因素.在水環境治理方面,水環境承載力具備了一定的研究基礎,今后主要的研究方向應該側重于污染物的運移轉化,以及污染事件和水質劣變過程機理的認識和模擬等方面.水生態研究作為城市生態建設的重要部分,則緊密結合了經濟、社會等各類因素.城市生態需水量、城市生態承載力等研究都已開展.在城市生態建設日益得到重視的情況下,水生態學的研究將以可持續發展為目標,為統籌規劃、綜合管理提供理論依據.
1.3城市化水文過程機理研究
城市化水文過程機理研究是城市水文研究的另一重要分支,這部分研究可劃分為“自然”和“社會”2個方面.“自然”方面重點研究天然降水在城市復雜下墊面上的運動轉化和消耗過程;“社會”方面則集中于城市供用水方式和排水過程特征等領域.“自然”方面早期主要關注城市暴雨洪水及市政排水設計等工程問題,中國部分高校為此開設了“城市水利工程”專業.近期關注城市水文內在機理與模擬預測等基礎科學問題,包括不同城市下墊面的降雨-徑流關系、城市產匯流集成模擬、城市暴雨洪水的源頭控制(Perrine等人),代表性成果包括Smith等人,Ragab等人,Amaguchi等人,Naftaly等人,Thomas等人,Yang等人,Ramier等人.研究結果表明,城市化對天然水循環的影響作用主要集中在以下幾個方面:
(1)城市化進程改變了天然的下墊面條件,隔斷了地表、土壤與地下的水文聯系,在一定程度上改變了區域的產匯流特性;
(2)城市化進程破壞了已有的水文格局,改變了原有的水生態系統平衡,對城市生態環境造成一定程度的影響;
(3)城市化進程從整體上改變了城市水文系統的調節能力,增大了城市洪水內澇的發生風險.“社會”方面,已有研究重點關注城市供水安全,研究不同城市單元的用水量及其影響因素以及城市水體水質劣變與驅動機制研究等.Mercedes等人對巴塞羅那居住區游泳池的用水量進行了分析,發現城市游泳池的用水約占了總用水量的10%,富人區游泳池相對較多,人均用水量也更高一些.Rachelle等人通過澳大利亞金海岸城132個家庭的用水觀測和行為分析,研究了有無節水意識對最終生活用水量的影響.Peter和Denny對澳大利亞布里斯班城市資源消耗(水資源、能源、住房)的決定因素的半定量分析表明,用水量的決定因素主要取決于收入水平,個人節水意識對片區用水量的影響較小.Angela和Thomas研究了西班牙馬洛卡旅游度假區的用水量,指出高端旅游度假區人均用水量最高,其原因之一就是其私家花園的用水量占到了夏天總用水量的70%,大眾旅游度假區的花園用水量占30%,城市居住區約占20%.劉家宏等人、左其亭剖析了中國城市生活用水指標的演變機理,建立了考慮氣候、經濟發展水平等因素的城市生活用水指標計算模型.城市水質劣變和污染負荷驅動機制是“社會”側的新的研究熱點.Chebbo和Gromaire通過法國巴黎一個名叫“LeMarais”的城市試驗小區的綜合觀測,定量分析了下水道系統的污染負荷,分別估計了徑流,廢污水和下水道的沉積物對總污染負荷的貢獻.Campisano等人利用數學建模和實驗觀測,研究了下水道的沖洗脈沖波對管道沉積物的沖刷效應.李家科等人從機理模型、統計模型和概念模型3個方面進行了歸類整理,梳理總結了城市面源污染估算的主要方法和模型,系統地闡述了城市地表徑流污染的過程機理與描述方案.
1.4城市水文過程模擬模型
城市水文過程模擬模型研究主要集中在城市產匯流與暴雨內澇過程方面,已有研究認為城市化導致城市產匯流機制和產匯流特性均發生改變.Urbonas等人繪制了城市暴雨徑流系數與城市不透水面積比例的相關關系圖,表明隨著城市下墊面不透水特性的增強城市產流系數迅速增大.Brun和Band研究表明,城市不透水面增加0.1~1倍,產生的地表徑流將增加2~5倍.Seth等人在美國對高度城市化流域和自然流域進行對比研究后發現,城市化區域降雨徑流峰值要比自然流域高出30%以上,同時,城市化區域徑流衰退系數要比自然流域低40%左右.Mark等人和Schmitt等人解析了暴雨洪水時城市表面流和下水管道流量之間的相互作用.我國學者在城市產匯流和洪澇研究領域主要集中在對城市降雨和徑流的預報上.許有鵬等人以我國南方城市地區為例,借助“3S”技術平臺,對區域徑流過程進行了模擬,結論表明快速城市化導致區域不透水率增加,河網滯蓄能力下降,區域徑流深度和徑流系數增大.由于水文過程的復雜性和不確定性,原型觀測的難度較大.隨著計算機技術和數學模擬技術的發展,借助區域或者流域水文模型對城市化過程中的水文過程進行模擬越來越受到研究者的重視.Lhomme等人建立了基于GIS的城市地表產匯流模型.Vieux和Bedient用數值方法分析了人口稠密的城市化地區洪水預報的不確定性.Valeo和Ho分析了目前融雪模型的一些問題,建立了以野外實驗得到的城市融雪參數為基礎的融雪模型,解決了城市地區的融雪問題.Berthier等人用二維數值模型來確定土壤在城市集水區徑流的形成中的作用,發現土壤出流的貢獻可以占到徑流總量的14%.城市水文過程模擬模型基本上可以分為以下幾類:
(1)概念性水文模型;
(2)物理性水文模型;
(3)水動力模型.其中,水文模型將城市水循環系統看做一個“黑箱”或者“灰箱”系統,借助輸入-輸出響應關系或者具有一定物理機理關系的方程來描述系統的水文過程和水循環行為.此類模型結構簡單,對輸入數據和參數的要求不高,便于普及應用,缺點在于模擬精度受到一定的限制,模擬過程的時空尺度不宜太小.水動力學模型對城市水文過程進行了顯式刻畫,利用地表水動力學方程,管道流體運動方程等對城市水循環過程進行模擬計算,大大地提高了模擬精度,并且可以顯著降低模擬的時間尺度.但是由于建模過程需要大量復雜的輸入數據和參數,限制了模型的廣泛應用.當前,城市水文和水動力模型層出不窮,但每一種模型都具有其獨特的適用范圍.這些模型在特定區域和特定工況條件下取得了較好的研究成果.總結來看,SWMM模型、InfoWorks模型和MIKE模型是應用成功的典型.SWMM模型的全稱是城市暴雨雨水管理模型(StormWaterManagementModel),是由美國環保局于20世紀70年代初開發的.該模型可以模擬城市區域次降雨徑流過程,包括城市地面暴雨徑流的過程響應以及在城市排水系統的水力運動過程等.模型問世以來,被廣泛地應用于世界各地的城市規劃和管理中,在城市暴雨徑流預報模擬、污水排放的環境效應分析以及城市雨水污水排水設計等領域均有應用.我國學者針對SWMM模型開展了廣泛的應用研究,劉俊和徐向陽利用SWMM模型對天津主城區外環河以內的主要河道進行了建模計算,得到了研究區重要河道斷面的流量過程.陳鑫等人對鄭州市主城區的暴雨徑流過程進行了模擬,并對研究區設計排澇標準和排水重現期進行了分析.InfoWorks模型由英國Wallingford集團負責研發.該模型的最大特點是可以仿真模擬城市水循環過程,對城市管網的水流過程模擬能力比較強大.我國學者近些年來也積極引進該模型.姚宇建立了城市工業園區排水網絡模擬模型,仿真模擬城市排水管網的運行性能.張偉分析了城市排水管網的水力特性,并模擬管網水流的沉積規律,為城市管網防淤塞管理提供有力工具.MIKE模型是丹麥水資源及水環境研究所(DHI)的產品.DHI是非政府的國際化組織,基金會組織結構形式,主要致力于水資源及水環境方面的研究,擁有世界上最完善的軟件、領先的技術.MIKE模型家族中有一款專為城市水系統量身定做的模擬工具-MIKEURBAN模型,其前身為MIKEMOUSE模().MIKEURBAN是模擬城市排水,污水系統的水文,水力學和水質等集成工程軟件,它集成了城市下水系統中的地表流,明渠流,管道流,水質以及泥沙傳輸等計算模型,具有強大的城市水循環及伴生過程模擬能力.文獻檢索顯示,MIKE系列模型目前在國內已有廣泛的應用,但是MIKEURBAN模型的應用還不是很多.隨著我國城市化的迅速推進,基于城市水循環調控與城市水生態系統保護修復的需要,MIKE-URBAN模型會有更廣闊的應用前景和提升空間.
2城市水文學發展趨勢
城市水文研究是通過分析城市化對于降水、城市下墊面產匯流規律、城市暴雨洪水以及供需水、水資源保障、水環境、水生態等方面的影響機制,來實現對城市氣候成因分析、洪水預測計算、污染事件防控、景觀生態系統建設、雨洪資源化利用等目的.通過以上國內外文獻檢索可以發現,城市水文學興起于20世紀80年代,主要開展城市化的水文效應、城市水文機理與模擬等方面的研究.目前學術界對城市熱島效應的研究結論基本一致,對產生“熱島效應”的機理認識也比較清楚.研究手段已從數據對比法(包括城/郊觀測數據對比、城區長系列歷史數據對比)上升到模型模擬和實驗室模擬階段,建立了一系列能夠反演城市“熱島效應”的統計模型、能量平衡模型、數值模型、解析模型和物理模型.目前對城市夏季“雨島效應”的研究結論基本一致,對“雨島效應”的產生機理認識也比較統一.但對城市干/濕島效應的研究結論在不同地區并不一致,這與城市水循環的復雜性、城市所在區域氣候背景的差異性,以及水分相變過程與能量平衡(顯熱/潛熱轉化)過程的高度契合性密切相關.城市干/濕島效應與城市蒸散發密切相關,欲從機理上闡釋干/濕島形成的原因,必先弄清城市蒸散發的機制及其各項水分來源.城市水文機理與模擬方面,“自然側”的降水-產匯流研究比較系統,已建立了包括城市屋面、硬化地面、城市綠地等復雜城市下墊面的降水-蒸發-徑流定量模擬模型.“社會側”的用水規律和需求預測研究也比較多,剖析了收入水平、節水意識、生活習慣等因素對城市用水量的影響,建立了考慮氣候、經濟發展水平等因素的城市生活用水指標計算模型.對城市人工取用水的耗水機理研究較少,在城市綜合耗水強度“是高還是低”的定性認識上還存在激烈爭論.目前對工業、生活及城市景觀生態用水消耗的定量計算做了一些探索,定量方法主要是經驗性的耗水系數法,尚沒有建立具有物理機制的城市用水蒸發耗散模型.從城市化的發展趨勢、水資源消耗的空間分布,以及城市化對水分收支影響等關鍵科學問題來看,城市綜合耗水的內在機理研究將是現代城市水文學研究的前沿和熱點,該方面研究獲得的城市蒸發耗水的定量計算成果,可以建立水分相變過程(蒸發)的能量吸收(潛熱)與氣溫(顯熱)的關系模型,從而架起城市蒸發耗水與能量收支之間的橋梁,為解釋不同地區、不同季節、不同濕度條件下城市熱島效應的強弱奠定科學基礎.理論上,蒸發耗散強度大(相對于郊區)的城市,其熱島效應弱,反之則強,因為蒸發吸收顯熱,對溫度升高具有抑制作用.在應用方面,隨著城市內澇問題的日益凸顯,城市建成區短歷時暴雨洪水的精細模擬預測、城市水文極值事件的定量描述、“海綿型”社區建設(低影響社區)模式及其水文響應規律等也是城市水文研究重要方向.城市水文學理論的發展過程中還存在很多問題需要解決,目前國內在機理和模型上的研究還要朝以下幾個方面努力:首先,要重視水文效應機理研究.之前諸多研究結果表明:城市水文效應存在明顯的區域性,不同地區存在不同的水文現象.把握城市水文效應的規律性并開發定量模擬模型是今后工作的重點.如城市暴雨產流過程的時空精細化模擬,重點要探究城市“雨島效應”、“干濕島效應”對城市局部氣候的定量化影響,提高降雨預報精度和預見期.其次,要發展多學科交叉及應用研究.做好城市水文學研究必須涉及多個領域、學科的交叉合作,城市水文研究不僅與大氣科學密切相關,還與環境科學、生態學及社會科學、城市規劃等學科領域相互關聯,只有協調好學科間的相互關系,領域之間互相合作,才能更好地認識和理解城市水文效應機制.最后,要把握好氣候變化對城市水文過程的響應.全球變暖已經成為科學界不爭的事實,諸多學者認為全球變暖現象對于城市水文過程及水生態系統存在一定的影響,相對于其他系統而言,城市系統對于氣候變化的影響更加脆弱,因此分析氣候變化對于城市水文過程的影響十分必要.
3結論與展望
城市水文學是水文學的一個重要分支,20世紀80年代正式獨立成為一門學科,早期重點關注城市排水工程設計等水文計算問題.21世紀以來,隨著城市化進程的加快,城市水文學面臨的問題更趨復雜,學科研究領域逐漸拓寬,囊括了城市化伴生的水環境與水生態效應、城市水文過程機理解析和過程模擬等內容.近30年來,城市水文學在城市水文與伴生過程模擬、城市水資源配置與高效利用、城市防洪減災等方面取得了豐碩成果,基本形成了一套完整的機理、模型和實驗觀測方法.但是,目前城市水文學還有諸多問題存在爭議.隨著氣候變化和城市化進程的推進,這些問題逐漸受到廣泛關注.
(1)城市區域局部氣候變化與極端天氣事件頻發問題.目前,城市區域的“熱島效應”、“干島效應”和“濕島效應”受到學界廣泛認可,但上述效應的產生機理以及定量表征方法研究還很不充分.
(2)受到氣候變化和強人類活動干擾影響,城市水文要素和自然流域相比發生了深刻變化.其中,城市區域的綜合耗水強度和蒸散發量顯著升高.認識城市高耗水過程機理,實施ET耗水管理,控制城市高耗水對促進區域真實節水具有重要作用.
