時(shí)間：2023-07-25 17:16:57
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)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(diǎn)，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：海綿城市 安陽市 城市改造 建議
中圖分類號(hào)：F291
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-4914（2016）08-203-02
一、海綿城市的概念
海綿城市，簡(jiǎn)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(shí)候在釋放出來，用于灌溉、沖洗路面、補(bǔ)充景觀水體。城市可以像海綿一樣壓縮和恢復(fù)，能夠最大限度上地防洪減災(zāi)。城市的“海綿體”不僅包括小區(qū)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(tǒng)城市，未能考慮城市降水資源的綜合利用，只考慮到“排”。傳統(tǒng)城市雨水通過管道將雨水快速排出城市。隨著傳統(tǒng)城市的不斷發(fā)展，道路硬化增多，不透水的路面面積大大增加，盲目的發(fā)展使得雨水無法下滲到土地內(nèi)，這樣就造成了城市的內(nèi)澇和徑流污染發(fā)生次數(shù)大大增加。和傳統(tǒng)城市不同，海綿城市可以有效地解決城市內(nèi)澇問題，對(duì)于維持房地產(chǎn)開發(fā)前后的水文特征，維持人與自然的和諧發(fā)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(shì)總趨勢(shì)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(qū)，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(tài)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(guó)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(yán)重的地區(qū)。
三、海綿城市的構(gòu)成
海綿城市利用低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)，使得開發(fā)前后的環(huán)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(dá)到調(diào)節(jié)環(huán)境的目的。低影響開發(fā)影響的種類有很多，以下就介紹幾種低影響開發(fā)設(shè)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(tái)、露臺(tái)等。綠色屋頂由建筑屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)層、防水層、保護(hù)層、排水層、隔離濾水墊層、蓄水層和種植基質(zhì)、植被層組成。綠色屋頂可以有效地增加小區(qū)的人均綠化面積，以30萬m2的住宅小區(qū)為例，假設(shè)屋頂面積為25%，則將近有7.5萬m2的綠化面積；傳統(tǒng)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(diào)節(jié)屋頂溫度，研究表明，在夏日屋頂最高溫度可達(dá)80攝氏度，而冬天最低可達(dá)零下20攝氏度，巨大的溫差容易導(dǎo)致屋面材料老化，而綠色屋頂可以克服這一缺點(diǎn)，種植植被的屋面夏季溫度通常可以保持在20～25℃，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(shí)在冬季，綠色屋頂可以起到保溫的作用，統(tǒng)計(jì)表明，冬季無綠色屋頂?shù)奈菝姹扔芯G色屋頂?shù)奈菝鏈囟鹊?.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(zāi)害。同時(shí)，綠色屋可有效的節(jié)約水資源，促進(jìn)環(huán)境的保護(hù)和水循環(huán)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(yīng)。植物可以通過光合作用及葉片的吸附等作用，對(duì)空氣污染進(jìn)行削減。同時(shí)，綠色屋頂可以通過綠化層的滯留、吸收，將屋頂?shù)奈廴疚镉行鳒p。從而保護(hù)大氣環(huán)境和水環(huán)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(yīng)用于道路路面。它可以使雨水進(jìn)入透水鋪裝的內(nèi)部，貯存適量的雨水或隨內(nèi)部的排水管道排出，減少洪峰流量，削減徑流系數(shù)。透水鋪裝由土基、墊層、基層、過濾層、面層等構(gòu)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(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)；使得水資源得到有效的補(bǔ)充，利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)；透水鋪裝可以使路面無積水或有少量積水，從而增強(qiáng)道路的安全性能，保證了行人和駕駛?cè)藛T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(yīng)，使得路面溫度得到有效的降低，延長(zhǎng)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(zhuǎn)輸和排放雨水。植被淺溝既是一種徑流傳導(dǎo)的設(shè)施，也可以與低影響開發(fā)的其他設(shè)施一起，輸送徑流雨水并且收集、凈化雨水。植被淺溝根據(jù)構(gòu)造的不同，共分為干式植被淺溝、濕式植被淺溝和轉(zhuǎn)輸型植被淺溝三種。植草溝可以有效地滯留雨水，促進(jìn)土壤的滲透。同時(shí)，它還可以減緩雨水的流速，保持水土，削減徑流量。植草溝對(duì)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(shè)在地勢(shì)低洼的地區(qū)，由種植的植物來實(shí)現(xiàn)初期雨水的凈化和消納，是低影響開發(fā)技術(shù)的一項(xiàng)重要措施。雨水花園具有造價(jià)低、管理維護(hù)方便，易于與當(dāng)?shù)氐木坝^所融合等特點(diǎn)。它被歐、美等多個(gè)國(guó)家廣泛應(yīng)用在居住小區(qū)、商業(yè)區(qū)等不同的地區(qū)。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(zhì)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(duì)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(tǒng)的措施相比，具有成本低、與周圍環(huán)境融合度高、不產(chǎn)生其他污染等優(yōu)點(diǎn)。
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(shè)施等；狹義的下沉式綠地，又叫下凹式綠地，低勢(shì)綠地，指高程低于周圍的路面或鋪砌硬化地面約20cm內(nèi)的綠地。下沉式綠地可以在降雨時(shí)，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(tǒng)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(jī)污染物和無機(jī)物等，隨著雨水徑流進(jìn)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(shè)，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(chǔ)存雨水的收集利用設(shè)施，同時(shí)它能夠削減洪峰流量。蓄水池需結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)、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(qū)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(shí)發(fā)揮其景觀功能，供人們休閑和娛樂。在降雨時(shí)，發(fā)揮雨水調(diào)蓄的功能。濕塘可以用在居住小區(qū)、公園、廣場(chǎng)等具有較大空間的地方，對(duì)于生態(tài)保護(hù)和豐富居民生活有著重要意義。
四、構(gòu)成海綿城市低影響開發(fā)小區(qū)案例研究
低影響開發(fā)的技術(shù)措施的探討，主要是為了指導(dǎo)工程實(shí)踐，為建設(shè)海綿城市奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。下面通過對(duì)安陽市某小區(qū)的工程案例的模擬，探究低影響開發(fā)技術(shù)措施的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)利于低影響開發(fā)技術(shù)措施的推廣與應(yīng)用。
御水園商住小區(qū)建設(shè)項(xiàng)目位于安陽市中華路與金沙大道東北角，項(xiàng)目規(guī)劃總用地面積21.5公頃，規(guī)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(dá)42.35%。項(xiàng)目主要由23棟高層住宅樓和17棟多層住宅樓組成，設(shè)計(jì)總戶數(shù)約3295戶。小區(qū)以水為名，小區(qū)內(nèi)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(jīng)過也有利于小區(qū)進(jìn)行低影響開發(fā)。
現(xiàn)對(duì)該小區(qū)低影響開發(fā)的效果進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)估，以判定低影響開發(fā)技術(shù)措施對(duì)于建筑小區(qū)的作用：在建筑小區(qū)的各個(gè)高層的屋頂建設(shè)綠化屋頂，種植適宜安陽市當(dāng)?shù)氐姆N植植物，從而削減屋頂雨水徑流量，減少?gòu)搅魑廴荆岣呶蓓數(shù)拿烙^及樓宇的舒適性。小區(qū)的人行道、廣場(chǎng)等地、非機(jī)動(dòng)車道均采用透水混凝土鋪設(shè)，以促進(jìn)雨水的盡快滲透，減少小區(qū)雨后的積水，確保行人的安全，降低小區(qū)的噪聲，減少環(huán)境污染。小區(qū)綠化均設(shè)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(qū)設(shè)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(qū)的生活質(zhì)量。
結(jié)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(shí)水資源污染的問題也十分嚴(yán)重。由于城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，居民小區(qū)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(qū)逢雨必澇的現(xiàn)象。本論文針對(duì)以上問題進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：
海綿城市安陽市小區(qū)建設(shè)中應(yīng)用是十分有必要的。海綿城市將傳統(tǒng)的雨水管渠與低影響開發(fā)技術(shù)措施相結(jié)合，使得城市在小區(qū)開發(fā)前后的水文及生態(tài)環(huán)境特征保持不變，在抵抗自然災(zāi)害時(shí)，如同海綿一樣，具有一定的“彈性”。在安陽市建設(shè)海綿城市，需要利用低影響開發(fā)技術(shù)措施從源頭、中途和末端三方面進(jìn)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(shí)現(xiàn)；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(shí)現(xiàn)；末端的控制，可以通過穩(wěn)定塘、濕塘、人工濕地、滲透塘、雨水花園等措施來實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王建龍，車伍.低影響開發(fā)與綠色建筑[J].中國(guó)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(chǔ)設(shè)施控制城市雨水徑流[J].中國(guó)給水排水，2011，27（4）
[4] 王莉萍，蔡峻.灃西新城打造會(huì)呼吸的“海綿城市”先行樣本[N].城市學(xué)研究，2015
關(guān)鍵詞：雨水收集；綠色建筑；0020
中圖分類號(hào)：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0109-02
1 概述
近年，隨著海綿城市的發(fā)展以及人們對(duì)于綠色建筑的關(guān)注度逐漸提升，雨水收集利用系統(tǒng)也愈發(fā)的體現(xiàn)了其在建筑系統(tǒng)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(diǎn)，尤其是對(duì)于一些位于市中心的改造項(xiàng)目，如何平衡用地緊張與雨水利用二者關(guān)系成為很多建設(shè)單位的關(guān)注點(diǎn)。本項(xiàng)目即在室外用地緊張的情況下，綜合考慮設(shè)計(jì)雨水收集系統(tǒng)，解決了這一難題。
2 項(xiàng)目概況
常州市中醫(yī)醫(yī)院位于常州市天寧區(qū)的核心區(qū)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(qū)唯一一所集醫(yī)療、教學(xué)、科研、預(yù)防保健、急救于一體的三級(jí)甲等綜合性中醫(yī)醫(yī)院。本次在現(xiàn)有院區(qū)內(nèi)規(guī)劃建設(shè)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(shù)345張。主要使用功能為急診急救、胸痛門診、口腔門診、中醫(yī)康復(fù)及治未病、產(chǎn)科門診、病房、行政辦公等功能。地上19層，地下2層。
本項(xiàng)目由于與老樓共用院區(qū)，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(dá)到綠色二星年徑流總量控制率55%的標(biāo)準(zhǔn)，考慮到室外院區(qū)無法設(shè)置安裝雨水收集池，所以本項(xiàng)目通過在裙房屋面設(shè)置了一套雨水收集回用系統(tǒng)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(tǒng)收集到7層裙房屋面減壓初濾雨水箱中，雨水經(jīng)過7層裙房屋面的減壓初濾雨水箱進(jìn)行減壓并過濾大塊顆粒物（5mm以上的顆粒物），然后進(jìn)入到6層小屋面的雨水收集水箱，最后通過設(shè)置在6層小屋面的雨水消毒設(shè)備處理后，進(jìn)入到室外澆灑系統(tǒng)進(jìn)行院區(qū)的綠化。
系統(tǒng)流程圖（如圖1所示）：
3 雨水收集利用系統(tǒng)設(shè)備的選擇
3.1 雨水收集系統(tǒng)計(jì)算
3.1.1 室內(nèi)外雨水系統(tǒng)計(jì)算
采用常州市的暴雨強(qiáng)度公式：
q：暴雨強(qiáng)度L/（s?hm2）
T：重現(xiàn)期 a；
t：降雨歷時(shí) min；
屋面雨水量計(jì)算：降雨重現(xiàn)期按10a，降雨歷時(shí)5min計(jì)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(tǒng)計(jì)算
公式：W=10ψFh
ψ：雨量徑流系數(shù)
F：匯水面積（hm2）
h：設(shè)計(jì)降雨厚度（mm）
主樓屋面面積1600m2=0.16hm2
（1）雨水可利用量計(jì)算
參見10SS705《雨水綜合利用》南京資料
降雨重現(xiàn)期按1a，最大降雨厚度45.6mm，棄流厚度3mm；
設(shè)計(jì)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(qū)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(qū)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(jì)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(xiàng)目場(chǎng)地面積7783m2
參見南京55%年徑流控制率對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)控制降雨量11.5mm，場(chǎng)地綜合徑流系數(shù)：0.649， 室外院區(qū)80mm下凹綠地面積：200m2。
建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)設(shè)計(jì)降雨控制量：V=11.5/1000*7783=89.5m3
入滲實(shí)現(xiàn)控制率：1-0.649=0.351
實(shí)現(xiàn)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(diào)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(tǒng)設(shè)備選型
3.2.1 雨水排水系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)
根據(jù)計(jì)算，主樓屋面雨水按照十年重現(xiàn)期，設(shè)計(jì)排水量為64.66L/s，共設(shè)置5個(gè)DN100的87式雨水斗，設(shè)計(jì)排水能力為75L/s；減壓初濾水箱進(jìn)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(xiàn)期，設(shè)計(jì)排水量為8.73L/s，考慮水箱事故發(fā)生的情況，在裙房屋面上設(shè)置2個(gè)DN200一個(gè)DN300的87式雨水斗，設(shè)計(jì)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(xiàn)期，設(shè)計(jì)排水量為1.54L/s，考慮故障發(fā)生情況，共設(shè)置兩個(gè)DN150的87式雨水斗，并且在女兒墻上開設(shè)一個(gè)據(jù)地面高100mm，長(zhǎng)*寬為300*300的泄水口，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
根據(jù)計(jì)算，初濾減壓水箱進(jìn)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(shí)，管道內(nèi)雨水為半有壓或有壓流態(tài)，考慮安全因素，選擇不銹鋼作為水箱的材質(zhì)，為了減少對(duì)水箱的沖擊，進(jìn)水管采用淹沒出流，并且在出水口設(shè)置一個(gè)180°的向上回彎，在回彎底部開設(shè)一個(gè)De50的小孔，用于初期棄流及減壓；初期污染較嚴(yán)重的雨水進(jìn)入水箱后，先通過設(shè)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(shí)間的推移，雨勢(shì)逐漸增大，雨水通過設(shè)置在p壓初濾水箱中打有5mm孔洞的過濾鋼板網(wǎng)，進(jìn)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(jìn)入到雨水收集水箱的雨水不存在較大的顆粒物；同時(shí)為了安全，分別在水箱中兩側(cè)各設(shè)置了一個(gè)DN250的溢水管，保證在流量較大時(shí)，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(zhuǎn)水箱，設(shè)計(jì)儲(chǔ)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(jīng)過設(shè)置在出水管的Y型過濾器，進(jìn)一步對(duì)雨水進(jìn)行過濾，隨后進(jìn)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(zhì)，為了減少對(duì)水箱的沖擊，進(jìn)水管采用淹沒出流，并且在出水口設(shè)置一個(gè)180°的向上回彎，在回彎底部開設(shè)一個(gè)De50的小孔，用于減壓，并且在水箱中設(shè)置兩根DN250溢流管，保證超過溢流水位的雨水可以及時(shí)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(shè)置兩根DN50的出水管與雨水加壓泵連接，經(jīng)過加壓的雨水先進(jìn)入到全自動(dòng)自清洗過濾器進(jìn)行處理，再進(jìn)入到紫外線消毒裝置進(jìn)行消毒后重力流進(jìn)入到院區(qū)澆灑系統(tǒng)中，高差22m，經(jīng)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(jié)束語
在裙房屋面設(shè)置雨水收集水箱，需要充分考慮雨水收集過程及使用時(shí)的安全問題，同時(shí)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(gè)問題也需要經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和充分溝通。但是，這種設(shè)計(jì)方式既可以滿足綠色建筑及海綿城市的相關(guān)要求，又可以解決改造項(xiàng)目中室外用地緊張無法安裝雨水收集池的問題，同時(shí)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(chǎn)生的用電費(fèi)用，在用地緊張的改造項(xiàng)目中，在裙房屋面設(shè)置雨水收集池不失為一種適合的解決辦法。
關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震材料；抗震結(jié)構(gòu)
中途分類號(hào)：TU5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-01-0191-01
高層建筑是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展很科技進(jìn)步的產(chǎn)物。隨著城市的發(fā)展，城市用地緊張，市區(qū)低價(jià)日益高漲，促使近代高層建筑的出現(xiàn)，電梯的發(fā)明更是高層建筑越建越高。高層建筑不僅在材料和結(jié)構(gòu)體系上逐漸多樣性，而且在高度上也有大幅度增長(zhǎng)。然而一次又一次的地震災(zāi)難及教訓(xùn)，警示著我們。高層建筑設(shè)計(jì)及材料是工程設(shè)計(jì)面臨的迫切任務(wù)。
高層抗震可選用的材料：
一、框架抗震結(jié)構(gòu)
框架―剪力墻結(jié)構(gòu)，俗稱為框剪結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)是框架，由梁柱構(gòu)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(cè)力構(gòu)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(qiáng)框架的角柱。角柱是連結(jié)縱橫框架的樞紐，要增加框架的空間整體性，就要加強(qiáng)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(shù)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(xiàn)象，顯著提高框架的整體性和抗推剛度，減少結(jié)構(gòu)的整體側(cè)移，特別有利于減小層間側(cè)移。但這種結(jié)構(gòu)的延性較差，因此，可以在墻板上開十字形結(jié)構(gòu)豎縫使之出現(xiàn)薄弱部位，形成延性耗能墻板。（3）、設(shè)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(jié)支撐可用鋼桿或勁性鋼筋砼桿組成。在強(qiáng)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(dāng)贅余桿件破壞或退出工作后，使得結(jié)構(gòu)由一種穩(wěn)定體系過渡到另一種穩(wěn)定體系，引起結(jié)構(gòu)自振周期的改變，以避開地震卓越周期的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作用所引起的共振效應(yīng)。
.在框剪結(jié)構(gòu)中，保護(hù)和改善剪力墻的抗震性能是關(guān)鍵。增加多道抗震防線和延性耗能機(jī)構(gòu)是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的有效途徑。協(xié)調(diào)各構(gòu)件的剛度、承載力和延性相匹配，可大大提高框剪結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)材料（砂、粉煤灰及含硅尾礦等）和鈣質(zhì)材料（石灰、水泥）為主要原料，摻加發(fā)氣劑（鋁粉），通過配料、攪拌、澆注、預(yù)養(yǎng)、切割、蒸壓、養(yǎng)護(hù)等工藝過程制成的輕質(zhì)多孔硅酸鹽制品。 因其經(jīng)發(fā)氣后含有大量均勻而細(xì)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(jù)原材料的類別、采用的工藝及承擔(dān)的功能進(jìn)行分類。加氣混凝土按形狀，可分為各種規(guī)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(qiáng)度和可加工性等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)推廣應(yīng)用最早，使用最廣泛的輕質(zhì)墻體材料之一。性能優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)輕 防火 隔音 保溫 抗?jié)B 抗震 環(huán)保 耐久 快捷 經(jīng)濟(jì)
高層框架建筑。多年的實(shí)踐證明。加氣混凝土在高層框架建筑中的應(yīng)用是經(jīng)濟(jì)合理的，特別是用砌塊來砌筑內(nèi)外墻，已普遍得到社會(huì)的認(rèn)同。抗震地區(qū)建筑。由于加氣混凝土自重輕，其建筑的地震為就小，對(duì)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(gè)地震設(shè)計(jì)設(shè)防級(jí)別，如磚混建筑在達(dá)7度設(shè)防，它會(huì)受破壞，而此時(shí)加氣混凝土建筑只達(dá)6度設(shè)防，就不會(huì)破壞。1975年海城地震時(shí)，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(yán)重；1976年唐山地震時(shí)，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(dāng)時(shí)處于地震烈度為6度強(qiáng)的情況下，震后沒有出現(xiàn)新的裂縫，而在50m處的四層混合結(jié)構(gòu)的住宅，下部卻產(chǎn)生大斜裂縫。嚴(yán)寒地區(qū)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(dāng)于490mm厚的磚墻的保溫效果，因它在寒冷地區(qū)的建筑經(jīng)濟(jì)效果突出，有競(jìng)爭(zhēng)力。軟質(zhì)地基建筑。在相同地基條件下，加氣混凝土建筑的層數(shù)可以增多，經(jīng)濟(jì)上有利。 加氣混凝土主要缺點(diǎn)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(chǎng)合，溫度大于80℃的環(huán)境，有酸、堿危害的環(huán)境；長(zhǎng)期潮濕的環(huán)境，特別是在寒冷地區(qū)尤應(yīng)注意。3抗震防水建筑材料；4碳纖維復(fù)合材料；具有抗拉強(qiáng)度高，密度小，耐腐蝕性和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。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(fù)合材料――由內(nèi)層板，中間層，聚氨酯發(fā)泡塑料，外層板，蜂窩支架組成。
三、結(jié)束語
經(jīng)濟(jì)安全是抗震設(shè)計(jì)的重要技術(shù)政策。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，如何從我國(guó)高層建筑抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及國(guó)際高層抗震設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，探求一種新型的結(jié)構(gòu)與材料的應(yīng)用，應(yīng)該成為地震區(qū)高層建筑的發(fā)展新方向。
參考文獻(xiàn)：
[1]《抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》（化工版） 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[2]《抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》（武工版）
1.1城市化的水文效應(yīng)研究
綜合已有研究,將城市化過程中對(duì)區(qū)域水循環(huán)和水文過程產(chǎn)生的影響以及由此引發(fā)的水文現(xiàn)象稱為城市化水文效應(yīng).從水文過程的本身來看,城市化帶來的水文過程效應(yīng)主要包括:城市降雨過程特征突變、城市耗散強(qiáng)度增大以及城市產(chǎn)匯流過程畸變等.對(duì)于城市降雨過程,眾多研究表明,城市市區(qū)內(nèi)的降水量顯著高于郊區(qū)降水量,城市周圍降水時(shí)空趨勢(shì)性分布十分明顯.其主要原因是城市化對(duì)水分和能量收支的影響,這些影響被稱之為城市“熱島效應(yīng)”、“雨島效應(yīng)”、城市“干/濕島效應(yīng)”等.其中,城市“雨島效益”和“干/濕島效應(yīng)”與城市“熱島效應(yīng)”密切相關(guān).在城市“熱島效應(yīng)”方面,Gedzelman等人、Champollion等人、Bottyan和Unger、Nadir基于城區(qū)和郊區(qū)的氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)分別研究了美國(guó)紐約、法國(guó)巴黎、匈牙利塞巨(Szged)、蘇丹喀土穆等城市的熱島效應(yīng),發(fā)現(xiàn)紐約城市熱島效應(yīng)最強(qiáng),城區(qū)和郊區(qū)的氣溫差最高可達(dá)8℃.張景哲等人、周淑貞對(duì)北京、上海的“熱島效應(yīng)”做了系統(tǒng)研究.在“熱島效應(yīng)”定量模擬方面,日本學(xué)者Kimura和Takahashi,Toshiaki和Kazuhiro建立了人工熱排放(包括汽車尾氣、工業(yè)廢熱、人工取暖等)的精細(xì)模擬模型,繪制了較為詳細(xì)的逐日和年際人工熱排放變化圖.香港城市大學(xué)Chan教授建立了考慮熱島效應(yīng)的城區(qū)溫度變化修正曲線.在“雨島效應(yīng)”方面,黃國(guó)如和何泓杰,王棟成等人在濟(jì)南的研究表明:“雨島效應(yīng)”導(dǎo)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(yùn)用累積曲線、距平統(tǒng)計(jì)和相對(duì)偏差對(duì)比等方法對(duì)上海地區(qū)降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)“雨島效應(yīng)”主要集中于汛期5~10月,市區(qū)降水平均年增長(zhǎng)率為郊區(qū)的1.6倍;目前,在國(guó)際上關(guān)于“雨島效應(yīng)”具有2個(gè)基本觀點(diǎn):一是城市化導(dǎo)致城區(qū)高強(qiáng)度降水增加;二是城市化及其工業(yè)污染產(chǎn)生的氣溶膠導(dǎo)致城區(qū)降水減少.第一種觀點(diǎn)的代表性研究在墨西哥城,Jauregui和Romales通過1941~1985年的數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)夏季城區(qū)“>20mm/h”的高強(qiáng)度降水明顯增加,而同時(shí)期郊區(qū)雨量站的降水沒有顯著變化.第二種觀點(diǎn)的代表性人物是Daniel,他基于NOAAAVHRR數(shù)據(jù)和歷史降水?dāng)?shù)據(jù)分析得出“城市化和工業(yè)污染導(dǎo)致區(qū)域降水量減少”.這兩派觀點(diǎn)看似矛盾,實(shí)際具有科學(xué)上的內(nèi)在一致性,城區(qū)點(diǎn)上極端(高強(qiáng)度)降水增加,是以面上其他區(qū)域降水的減少為代價(jià)的,因?yàn)閰^(qū)域水汽通量條件并沒有發(fā)生大的變化,“點(diǎn)”上多必然導(dǎo)致“面”上少.在“干/濕島效應(yīng)”方面,目前的研究主要集中在對(duì)長(zhǎng)時(shí)期、大范圍氣象觀測(cè)資料的對(duì)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(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),城市化及其他人類活動(dòng)導(dǎo)致地表水汽含量(絕對(duì)濕度)明顯增加.Brown和Degaetano基于美國(guó)145個(gè)氣象站的逐小時(shí)濕度數(shù)據(jù)分析了美國(guó)1930~2010年的地表濕度演變趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)絕對(duì)濕度普遍增加,相對(duì)濕度在城市和郊區(qū)表現(xiàn)不一樣,東部、中部和西部表現(xiàn)也不一樣,大體是東部城市呈現(xiàn)“干島”,西部城市呈現(xiàn)“濕島”.顧麗華等人利用4個(gè)氣象站1961~2005年水汽壓、相對(duì)濕度的資料,對(duì)南京市的城市干島和濕島效應(yīng)進(jìn)行了全面、細(xì)致的研究,發(fā)現(xiàn)南京在平均相對(duì)濕度和水汽壓上表現(xiàn)為明顯的干島效應(yīng),隨著城市規(guī)模的發(fā)展,南京城市干島效應(yīng)總體為增強(qiáng)的趨勢(shì);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(jié)論.在城市蒸散發(fā)研究方面,已有研究認(rèn)為,由于城市化進(jìn)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(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)量的減少.倪廣恒和敬書珍基于遙感技術(shù)研究了城市蒸散發(fā)過程與土地利用/覆蓋的響應(yīng)關(guān)系;吳炳方和邵建華基于遙感影響建立了區(qū)域蒸騰蒸發(fā)量的時(shí)空推演方法,該方法在流域大尺度范圍內(nèi)應(yīng)用較好,但其空間分辨率較低,對(duì)城市區(qū)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(fā)耗散.Qin等人將下墊面分為5類(耕地、城鄉(xiāng)居工地、陸生植被區(qū)、水生植被區(qū)、未利用土地),分別提出了各項(xiàng)ET的理論與計(jì)算方法,在城市耗水計(jì)算中綜合運(yùn)用了用水定額、耗水系數(shù)和水量平衡法.在耗水率計(jì)算方面,李彥東認(rèn)為“工業(yè)和生活用水的蒸發(fā)耗水率不超過10%”.孟凡貴在博文“制度性干旱”的附文中()測(cè)算北京市區(qū)工業(yè)和生活蒸發(fā)耗水僅為133mm,由此推斷城市單位面積水耗遠(yuǎn)比農(nóng)田小,對(duì)水源的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)比農(nóng)田大,這一計(jì)算忽略了城市中水回用及復(fù)雜的循環(huán)轉(zhuǎn)化消耗過程,結(jié)果偏小.“制度性干旱”的觀點(diǎn)一度引起學(xué)術(shù)界的爭(zhēng)論.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所張佳寶研究員()在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》采訪時(shí)說:“(孟凡貴)之所以能得出一些令人觸目驚心的結(jié)論,是因?yàn)樵撐脑谟?jì)算各項(xiàng)水資源消耗量時(shí)有一些問題”.以上爭(zhēng)論從一個(gè)側(cè)面反映了學(xué)術(shù)界和社會(huì)公眾對(duì)蒸發(fā)耗水的關(guān)注.總體來看,目前城市蒸散發(fā)對(duì)自然側(cè)、大尺度的研究較多,對(duì)考慮城市耗用水過程的綜合蒸散發(fā)過程的研究還比較少.
1.2城市化伴生的水環(huán)境及水生態(tài)效應(yīng)
從歷史的發(fā)展來看,城市化和工業(yè)化往往導(dǎo)致城市環(huán)境惡化,生態(tài)受到較大破壞.中國(guó)目前處于工業(yè)化中后期和快速城市化時(shí)期,城市環(huán)境和生態(tài)質(zhì)量逐漸成為制約社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素.其中,水環(huán)境和水生態(tài)是城市生態(tài)環(huán)境體系的重要組成部分.2007年,經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)的“中國(guó)環(huán)境報(bào)告”指出,中國(guó)在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí),環(huán)境質(zhì)量水平大幅度下滑,“與世界上最貧窮的國(guó)家近似”.根據(jù)中國(guó)人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部《2013中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》,中國(guó)已有超過30%的主要河流、70%的湖泊和20%的沿海水域遭到嚴(yán)重污染,尤其是河流流經(jīng)城市段的污染最為嚴(yán)重.同時(shí),城市區(qū)域地下水污染問題不容忽視,地下水水質(zhì)優(yōu)良的比例僅占37.3%.水環(huán)境和水生態(tài)惡化不僅對(duì)居民飲用水安全構(gòu)成威脅,也是城市實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)的絆腳石.因此,近些年來,城市化、工業(yè)化伴生的水環(huán)境與水生態(tài)效應(yīng)相關(guān)研究成為城市水文學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一.在城市水環(huán)境方面,以水環(huán)境承載力研究為著眼點(diǎn),Zacharof等人,Schütze等人在此基礎(chǔ)上提出了水環(huán)境納污能力計(jì)算、水環(huán)境過程演變模擬等模型和污水處理系統(tǒng)的實(shí)施監(jiān)控方案.水環(huán)境納污計(jì)算模型可以定量求解水環(huán)境承載力,對(duì)城市建設(shè)決策,可持續(xù)發(fā)展提供有力依據(jù).郭懷成和唐劍武以山東臨淄為例,建立了該區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與決策模型,由模型獲得定量化水環(huán)境承載力,以研究城市水環(huán)境與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)綜合協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略及對(duì)各協(xié)調(diào)策略進(jìn)行評(píng)價(jià).崔鳳軍采用系統(tǒng)研究方法,利用城市水環(huán)境承載力指數(shù)分析城市水環(huán)境,對(duì)策略變量做出預(yù)測(cè)、優(yōu)化,并利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬手段進(jìn)行了實(shí)證研究.左其亭等人提出了計(jì)算城市水環(huán)境承載能力的“控制目標(biāo)反推模型”(COIM模型),同時(shí)以鄭州市為應(yīng)用范例,介紹城市水環(huán)境承載能力計(jì)算模型應(yīng)用及水環(huán)境調(diào)控對(duì)策制定.水環(huán)境和水質(zhì)過程演變研究主要從污染物性質(zhì),污染事件的過程與方式等方面認(rèn)識(shí)環(huán)境惡化與水質(zhì)劣變過程的演化機(jī)理,同時(shí)提出相關(guān)防治對(duì)策.張學(xué)勤和曹光杰就城市水質(zhì)問題提出了節(jié)約用水、控制點(diǎn)源和面源污染、加強(qiáng)城市綠地建設(shè)、生態(tài)修復(fù)城市水體等改善城市水環(huán)境質(zhì)量的具體措施.任玉芬等人通過對(duì)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(dòng)態(tài)建模方法,研究城市雨水徑流多環(huán)芳香烴(PAH)的污染評(píng)估.Gnecco等人研究了在城市表面的降雨污染,分別調(diào)查了屋頂和路面污染情況.結(jié)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(guān)于屋頂徑流,鋅濃度是非常高的.Vizintin等人使用結(jié)合過程的模型,測(cè)定考慮城市水循環(huán)的城市沖積含水層地下水污染.在城市水生態(tài)方面,相關(guān)研究結(jié)合城市生態(tài)建設(shè)管理實(shí)踐,通過水與其他生態(tài)要素的統(tǒng)一分析,為城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)與科學(xué)建議.早期的城市生態(tài)建設(shè)規(guī)劃主要考慮城市結(jié)構(gòu)、形態(tài)設(shè)計(jì)等,忽視了能源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù),直到20世紀(jì)90年代初,城市水問題、水環(huán)境和水生態(tài)的研究才逐漸受到重視.Kattel等人認(rèn)為,城市生態(tài)是一個(gè)聯(lián)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(tài),保障城市可持續(xù)發(fā)展十分重要.Gbel等人提出了擬自然的城市水文生態(tài)管理方法,并評(píng)估了這種管理模式下城市地下水的響應(yīng)規(guī)律.王沛芳等人提出了水安全、水環(huán)境、水景觀、水文化和水經(jīng)濟(jì)五位一體的城市水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)模式.Wang等人研究了青島嶗山區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境的綜合管理,對(duì)于城市居民區(qū)的廢水排放,為預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化和藻類的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(tài)足跡的內(nèi)涵和4種典型城市水生態(tài)足跡的發(fā)展軌跡,提出了基于城市生態(tài)需水量的水生態(tài)足跡的核算方法.劉武藝等人定義了基于城市水生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力,提出了“基于城市水生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力-壓力量化模型”,并根據(jù)理論模型設(shè)計(jì)了計(jì)算模型.綜上所述,城市水環(huán)境與水生態(tài)效應(yīng)研究不單單局限于水資源本身,需要結(jié)合城市整體建設(shè)規(guī)劃,考慮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素.在水環(huán)境治理方面,水環(huán)境承載力具備了一定的研究基礎(chǔ),今后主要的研究方向應(yīng)該側(cè)重于污染物的運(yùn)移轉(zhuǎn)化,以及污染事件和水質(zhì)劣變過程機(jī)理的認(rèn)識(shí)和模擬等方面.水生態(tài)研究作為城市生態(tài)建設(shè)的重要部分,則緊密結(jié)合了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各類因素.城市生態(tài)需水量、城市生態(tài)承載力等研究都已開展.在城市生態(tài)建設(shè)日益得到重視的情況下,水生態(tài)學(xué)的研究將以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo),為統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合管理提供理論依據(jù).
1.3城市化水文過程機(jī)理研究
城市化水文過程機(jī)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(huì)”2個(gè)方面.“自然”方面重點(diǎn)研究天然降水在城市復(fù)雜下墊面上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化和消耗過程;“社會(huì)”方面則集中于城市供用水方式和排水過程特征等領(lǐng)域.“自然”方面早期主要關(guān)注城市暴雨洪水及市政排水設(shè)計(jì)等工程問題,中國(guó)部分高校為此開設(shè)了“城市水利工程”專業(yè).近期關(guān)注城市水文內(nèi)在機(jī)理與模擬預(yù)測(cè)等基礎(chǔ)科學(xué)問題,包括不同城市下墊面的降雨-徑流關(guān)系、城市產(chǎn)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(jié)果表明,城市化對(duì)天然水循環(huán)的影響作用主要集中在以下幾個(gè)方面:
(1)城市化進(jìn)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(lián)系,在一定程度上改變了區(qū)域的產(chǎn)匯流特性;
(2)城市化進(jìn)程破壞了已有的水文格局,改變了原有的水生態(tài)系統(tǒng)平衡,對(duì)城市生態(tài)環(huán)境造成一定程度的影響;
(3)城市化進(jìn)程從整體上改變了城市水文系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力,增大了城市洪水內(nèi)澇的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn).“社會(huì)”方面,已有研究重點(diǎn)關(guān)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(zhì)劣變與驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究等.Mercedes等人對(duì)巴塞羅那居住區(qū)游泳池的用水量進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)城市游泳池的用水約占了總用水量的10%,富人區(qū)游泳池相對(duì)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(gè)家庭的用水觀測(cè)和行為分析,研究了有無節(jié)水意識(shí)對(duì)最終生活用水量的影響.Peter和Denny對(duì)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(gè)人節(jié)水意識(shí)對(duì)片區(qū)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(qū)的用水量,指出高端旅游度假區(qū)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(qū)的花園用水量占30%,城市居住區(qū)約占20%.劉家宏等人、左其亭剖析了中國(guó)城市生活用水指標(biāo)的演變機(jī)理,建立了考慮氣候、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的城市生活用水指標(biāo)計(jì)算模型.城市水質(zhì)劣變和污染負(fù)荷驅(qū)動(dòng)機(jī)制是“社會(huì)”側(cè)的新的研究熱點(diǎn).Chebbo和Gromaire通過法國(guó)巴黎一個(gè)名叫“LeMarais”的城市試驗(yàn)小區(qū)的綜合觀測(cè),定量分析了下水道系統(tǒng)的污染負(fù)荷,分別估計(jì)了徑流,廢污水和下水道的沉積物對(duì)總污染負(fù)荷的貢獻(xiàn).Campisano等人利用數(shù)學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)觀測(cè),研究了下水道的沖洗脈沖波對(duì)管道沉積物的沖刷效應(yīng).李家科等人從機(jī)理模型、統(tǒng)計(jì)模型和概念模型3個(gè)方面進(jìn)行了歸類整理,梳理總結(jié)了城市面源污染估算的主要方法和模型,系統(tǒng)地闡述了城市地表徑流污染的過程機(jī)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(chǎn)匯流與暴雨內(nèi)澇過程方面,已有研究認(rèn)為城市化導(dǎo)致城市產(chǎn)匯流機(jī)制和產(chǎn)匯流特性均發(fā)生改變.Urbonas等人繪制了城市暴雨徑流系數(shù)與城市不透水面積比例的相關(guān)關(guān)系圖,表明隨著城市下墊面不透水特性的增強(qiáng)城市產(chǎn)流系數(shù)迅速增大.Brun和Band研究表明,城市不透水面增加0.1~1倍,產(chǎn)生的地表徑流將增加2~5倍.Seth等人在美國(guó)對(duì)高度城市化流域和自然流域進(jìn)行對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn),城市化區(qū)域降雨徑流峰值要比自然流域高出30%以上,同時(shí),城市化區(qū)域徑流衰退系數(shù)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(shí)城市表面流和下水管道流量之間的相互作用.我國(guó)學(xué)者在城市產(chǎn)匯流和洪澇研究領(lǐng)域主要集中在對(duì)城市降雨和徑流的預(yù)報(bào)上.許有鵬等人以我國(guó)南方城市地區(qū)為例,借助“3S”技術(shù)平臺(tái),對(duì)區(qū)域徑流過程進(jìn)行了模擬,結(jié)論表明快速城市化導(dǎo)致區(qū)域不透水率增加,河網(wǎng)滯蓄能力下降,區(qū)域徑流深度和徑流系數(shù)增大.由于水文過程的復(fù)雜性和不確定性,原型觀測(cè)的難度較大.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的發(fā)展,借助區(qū)域或者流域水文模型對(duì)城市化過程中的水文過程進(jìn)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(chǎn)匯流模型.Vieux和Bedient用數(shù)值方法分析了人口稠密的城市化地區(qū)洪水預(yù)報(bào)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(shí)驗(yàn)得到的城市融雪參數(shù)為基礎(chǔ)的融雪模型,解決了城市地區(qū)的融雪問題.Berthier等人用二維數(shù)值模型來確定土壤在城市集水區(qū)徑流的形成中的作用,發(fā)現(xiàn)土壤出流的貢獻(xiàn)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(dòng)力模型.其中,水文模型將城市水循環(huán)系統(tǒng)看做一個(gè)“黑箱”或者“灰箱”系統(tǒng),借助輸入-輸出響應(yīng)關(guān)系或者具有一定物理機(jī)理關(guān)系的方程來描述系統(tǒng)的水文過程和水循環(huán)行為.此類模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)的要求不高,便于普及應(yīng)用,缺點(diǎn)在于模擬精度受到一定的限制,模擬過程的時(shí)空尺度不宜太小.水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)城市水文過程進(jìn)行了顯式刻畫,利用地表水動(dòng)力學(xué)方程,管道流體運(yùn)動(dòng)方程等對(duì)城市水循環(huán)過程進(jìn)行模擬計(jì)算,大大地提高了模擬精度,并且可以顯著降低模擬的時(shí)間尺度.但是由于建模過程需要大量復(fù)雜的輸入數(shù)據(jù)和參數(shù),限制了模型的廣泛應(yīng)用.當(dāng)前,城市水文和水動(dòng)力模型層出不窮,但每一種模型都具有其獨(dú)特的適用范圍.這些模型在特定區(qū)域和特定工況條件下取得了較好的研究成果.總結(jié)來看,SWMM模型、InfoWorks模型和MIKE模型是應(yīng)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(guó)環(huán)保局于20世紀(jì)70年代初開發(fā)的.該模型可以模擬城市區(qū)域次降雨徑流過程,包括城市地面暴雨徑流的過程響應(yīng)以及在城市排水系統(tǒng)的水力運(yùn)動(dòng)過程等.模型問世以來,被廣泛地應(yīng)用于世界各地的城市規(guī)劃和管理中,在城市暴雨徑流預(yù)報(bào)模擬、污水排放的環(huán)境效應(yīng)分析以及城市雨水污水排水設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均有應(yīng)用.我國(guó)學(xué)者針對(duì)SWMM模型開展了廣泛的應(yīng)用研究,劉俊和徐向陽利用SWMM模型對(duì)天津主城區(qū)外環(huán)河以內(nèi)的主要河道進(jìn)行了建模計(jì)算,得到了研究區(qū)重要河道斷面的流量過程.陳鑫等人對(duì)鄭州市主城區(qū)的暴雨徑流過程進(jìn)行了模擬,并對(duì)研究區(qū)設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)和排水重現(xiàn)期進(jìn)行了分析.InfoWorks模型由英國(guó)Wallingford集團(tuán)負(fù)責(zé)研發(fā).該模型的最大特點(diǎn)是可以仿真模擬城市水循環(huán)過程,對(duì)城市管網(wǎng)的水流過程模擬能力比較強(qiáng)大.我國(guó)學(xué)者近些年來也積極引進(jìn)該模型.姚宇建立了城市工業(yè)園區(qū)排水網(wǎng)絡(luò)模擬模型,仿真模擬城市排水管網(wǎng)的運(yùn)行性能.張偉分析了城市排水管網(wǎng)的水力特性,并模擬管網(wǎng)水流的沉積規(guī)律,為城市管網(wǎng)防淤塞管理提供有力工具.MIKE模型是丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)的產(chǎn)品.DHI是非政府的國(guó)際化組織,基金會(huì)組織結(jié)構(gòu)形式,主要致力于水資源及水環(huán)境方面的研究,擁有世界上最完善的軟件、領(lǐng)先的技術(shù).MIKE模型家族中有一款專為城市水系統(tǒng)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(tǒng)的水文,水力學(xué)和水質(zhì)等集成工程軟件,它集成了城市下水系統(tǒng)中的地表流,明渠流,管道流,水質(zhì)以及泥沙傳輸?shù)扔?jì)算模型,具有強(qiáng)大的城市水循環(huán)及伴生過程模擬能力.文獻(xiàn)檢索顯示,MIKE系列模型目前在國(guó)內(nèi)已有廣泛的應(yīng)用,但是MIKEURBAN模型的應(yīng)用還不是很多.隨著我國(guó)城市化的迅速推進(jìn),基于城市水循環(huán)調(diào)控與城市水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)的需要,MIKE-URBAN模型會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景和提升空間.
2城市水文學(xué)發(fā)展趨勢(shì)
城市水文研究是通過分析城市化對(duì)于降水、城市下墊面產(chǎn)匯流規(guī)律、城市暴雨洪水以及供需水、水資源保障、水環(huán)境、水生態(tài)等方面的影響機(jī)制,來實(shí)現(xiàn)對(duì)城市氣候成因分析、洪水預(yù)測(cè)計(jì)算、污染事件防控、景觀生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、雨洪資源化利用等目的.通過以上國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索可以發(fā)現(xiàn),城市水文學(xué)興起于20世紀(jì)80年代,主要開展城市化的水文效應(yīng)、城市水文機(jī)理與模擬等方面的研究.目前學(xué)術(shù)界對(duì)城市熱島效應(yīng)的研究結(jié)論基本一致,對(duì)產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”的機(jī)理認(rèn)識(shí)也比較清楚.研究手段已從數(shù)據(jù)對(duì)比法(包括城/郊觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比、城區(qū)長(zhǎng)系列歷史數(shù)據(jù)對(duì)比)上升到模型模擬和實(shí)驗(yàn)室模擬階段,建立了一系列能夠反演城市“熱島效應(yīng)”的統(tǒng)計(jì)模型、能量平衡模型、數(shù)值模型、解析模型和物理模型.目前對(duì)城市夏季“雨島效應(yīng)”的研究結(jié)論基本一致,對(duì)“雨島效應(yīng)”的產(chǎn)生機(jī)理認(rèn)識(shí)也比較統(tǒng)一.但對(duì)城市干/濕島效應(yīng)的研究結(jié)論在不同地區(qū)并不一致,這與城市水循環(huán)的復(fù)雜性、城市所在區(qū)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(zhuǎn)化)過程的高度契合性密切相關(guān).城市干/濕島效應(yīng)與城市蒸散發(fā)密切相關(guān),欲從機(jī)理上闡釋干/濕島形成的原因,必先弄清城市蒸散發(fā)的機(jī)制及其各項(xiàng)水分來源.城市水文機(jī)理與模擬方面,“自然側(cè)”的降水-產(chǎn)匯流研究比較系統(tǒng),已建立了包括城市屋面、硬化地面、城市綠地等復(fù)雜城市下墊面的降水-蒸發(fā)-徑流定量模擬模型.“社會(huì)側(cè)”的用水規(guī)律和需求預(yù)測(cè)研究也比較多,剖析了收入水平、節(jié)水意識(shí)、生活習(xí)慣等因素對(duì)城市用水量的影響,建立了考慮氣候、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的城市生活用水指標(biāo)計(jì)算模型.對(duì)城市人工取用水的耗水機(jī)理研究較少,在城市綜合耗水強(qiáng)度“是高還是低”的定性認(rèn)識(shí)上還存在激烈爭(zhēng)論.目前對(duì)工業(yè)、生活及城市景觀生態(tài)用水消耗的定量計(jì)算做了一些探索,定量方法主要是經(jīng)驗(yàn)性的耗水系數(shù)法,尚沒有建立具有物理機(jī)制的城市用水蒸發(fā)耗散模型.從城市化的發(fā)展趨勢(shì)、水資源消耗的空間分布,以及城市化對(duì)水分收支影響等關(guān)鍵科學(xué)問題來看,城市綜合耗水的內(nèi)在機(jī)理研究將是現(xiàn)代城市水文學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn),該方面研究獲得的城市蒸發(fā)耗水的定量計(jì)算成果,可以建立水分相變過程(蒸發(fā))的能量吸收(潛熱)與氣溫(顯熱)的關(guān)系模型,從而架起城市蒸發(fā)耗水與能量收支之間的橋梁,為解釋不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同濕度條件下城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)弱奠定科學(xué)基礎(chǔ).理論上,蒸發(fā)耗散強(qiáng)度大(相對(duì)于郊區(qū))的城市,其熱島效應(yīng)弱,反之則強(qiáng),因?yàn)檎舭l(fā)吸收顯熱,對(duì)溫度升高具有抑制作用.在應(yīng)用方面,隨著城市內(nèi)澇問題的日益凸顯,城市建成區(qū)短歷時(shí)暴雨洪水的精細(xì)模擬預(yù)測(cè)、城市水文極值事件的定量描述、“海綿型”社區(qū)建設(shè)(低影響社區(qū))模式及其水文響應(yīng)規(guī)律等也是城市水文研究重要方向.城市水文學(xué)理論的發(fā)展過程中還存在很多問題需要解決,目前國(guó)內(nèi)在機(jī)理和模型上的研究還要朝以下幾個(gè)方面努力:首先,要重視水文效應(yīng)機(jī)理研究.之前諸多研究結(jié)果表明:城市水文效應(yīng)存在明顯的區(qū)域性,不同地區(qū)存在不同的水文現(xiàn)象.把握城市水文效應(yīng)的規(guī)律性并開發(fā)定量模擬模型是今后工作的重點(diǎn).如城市暴雨產(chǎn)流過程的時(shí)空精細(xì)化模擬,重點(diǎn)要探究城市“雨島效應(yīng)”、“干濕島效應(yīng)”對(duì)城市局部氣候的定量化影響,提高降雨預(yù)報(bào)精度和預(yù)見期.其次,要發(fā)展多學(xué)科交叉及應(yīng)用研究.做好城市水文學(xué)研究必須涉及多個(gè)領(lǐng)域、學(xué)科的交叉合作,城市水文研究不僅與大氣科學(xué)密切相關(guān),還與環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)及社會(huì)科學(xué)、城市規(guī)劃等學(xué)科領(lǐng)域相互關(guān)聯(lián),只有協(xié)調(diào)好學(xué)科間的相互關(guān)系,領(lǐng)域之間互相合作,才能更好地認(rèn)識(shí)和理解城市水文效應(yīng)機(jī)制.最后,要把握好氣候變化對(duì)城市水文過程的響應(yīng).全球變暖已經(jīng)成為科學(xué)界不爭(zhēng)的事實(shí),諸多學(xué)者認(rèn)為全球變暖現(xiàn)象對(duì)于城市水文過程及水生態(tài)系統(tǒng)存在一定的影響,相對(duì)于其他系統(tǒng)而言,城市系統(tǒng)對(duì)于氣候變化的影響更加脆弱,因此分析氣候變化對(duì)于城市水文過程的影響十分必要.
3結(jié)論與展望
城市水文學(xué)是水文學(xué)的一個(gè)重要分支,20世紀(jì)80年代正式獨(dú)立成為一門學(xué)科,早期重點(diǎn)關(guān)注城市排水工程設(shè)計(jì)等水文計(jì)算問題.21世紀(jì)以來,隨著城市化進(jìn)程的加快,城市水文學(xué)面臨的問題更趨復(fù)雜,學(xué)科研究領(lǐng)域逐漸拓寬,囊括了城市化伴生的水環(huán)境與水生態(tài)效應(yīng)、城市水文過程機(jī)理解析和過程模擬等內(nèi)容.近30年來,城市水文學(xué)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(zāi)等方面取得了豐碩成果,基本形成了一套完整的機(jī)理、模型和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法.但是,目前城市水文學(xué)還有諸多問題存在爭(zhēng)議.隨著氣候變化和城市化進(jìn)程的推進(jìn),這些問題逐漸受到廣泛關(guān)注.
(1)城市區(qū)域局部氣候變化與極端天氣事件頻發(fā)問題.目前,城市區(qū)域的“熱島效應(yīng)”、“干島效應(yīng)”和“濕島效應(yīng)”受到學(xué)界廣泛認(rèn)可,但上述效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)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(qiáng)人類活動(dòng)干擾影響,城市水文要素和自然流域相比發(fā)生了深刻變化.其中,城市區(qū)域的綜合耗水強(qiáng)度和蒸散發(fā)量顯著升高.認(rèn)識(shí)城市高耗水過程機(jī)理,實(shí)施ET耗水管理,控制城市高耗水對(duì)促進(jìn)區(qū)域真實(shí)節(jié)水具有重要作用.
