美国是发达国家, 城市化进程已接近尾声, 因此, 其对于城市雨水下渗和径流规律的研究起步也较早。1940年, Horton^[2]通过单一边界的解析和试验提出了入渗率的经验公式。1987年, 美国国家环保局提出了内容和应用范围都相当广泛的城市暴雨管理模型(SWMM), 它包括了径流模块、输出模块、存储和处理模块及受纳水体的水质模块。在这些研究的基础上, 针对雨水径流的研究不断创新和发展, 并逐渐形成了一系列的城市雨水径流管理体系。在美国最具代表性的是20世纪70— 80年代提出的雨水径流最佳管理措施(BMP)和低影响开发(LID), 其技术体系覆盖面广泛且系统较为完善, 故被许多西方发达国家应用, 在美国、澳大利亚、英国等国的城市雨水径流污染控制中取得很好的效果^[3]。

1950年, 芝加哥开始了雨水管道设计水文过程线的研究, 并且提出了早期的西横式雨水流量过程线计算模型(CHM)。1975年, Keifer等^[4]在这个研究的基础之上进行了更加深入的研究, 提出了修正的CHM模型, 并在城市排水、雨水管道的设计和修正方面得到广泛应用。

英、美、澳、德、日等国形成了效仿自然排水方式的雨洪管理体系^[5]。英国初次通过科学途径管理降雨径流, 提出并率先建立了“ 可持续城市排水系统” (SUDS), 以此实现良性的城市水循环^[6]; 澳大利亚提出并建立了“ 水敏感性城市设计体系” (WSUD)^[7]; 新西兰在上述2个体系的基础上, 建立了“ 低影响城市设计与开发体系” (LIUDD)^[8]。

城市化造成城市的覆盖面积越来越广。现代城市干旱缺水、水环境恶化的问题越来越严峻, 城市范围内的地下水位呈现逐渐下降的趋势, 再加上城市的不透水表面覆盖率越来越大, 导致城市雨水径流系数不断增加。国内学者对城市雨水下渗和径流也进行了许多有益的探索。他们从土壤的水运动切入, 通过一系列的模拟实验, 展示了雨水下渗和地下径流的具体过程及规律。2000年, 邵明安等^{[9, 10]}使用积分方法求解了一维水平非饱和土壤的水分运动问题, 并且建立了水分运动的简单入渗法。该方法可显示土壤中水分的运动轨迹, 掌握雨水在一般环境下下渗的规律和过程; 2007年, 陆垂裕等^[11]提出一套可以用来统一计算土壤坡面降雨/灌溉入渗、地表集水、地表产流、蒸发、蒸腾以及当这些现象交替出现时的水分运动过程的方法; 朱伟等^[12]曾模拟雨水下渗的过程, 进行关于雨水下渗的大量实验和数值计算, 分析比较不同降雨强度下雨水下渗规律。

城市雨水下渗是补充地下水位的重要来源。土壤入渗能力的好坏是影响雨水下渗的重要因素。土壤中有机质对于土壤入渗性能有着重要影响^[13]。鉴于此, 国内学者对土壤下渗能力与土壤初始含水率、土地坡度和土壤类型(耕地、林地和草地)的关系进行了深入研究^[14], 对降雨入渗的研究方法也逐步多元化。降雨入渗的机理和规律得到越来越深刻的认识。在研究雨水入渗规律的基础上, 为了提高雨水下渗效率, 渗透设施也被逐渐应用在城市雨水下渗中去。李海燕等^[15]提出:“ 下凹式绿地和渗透渠, 高位花坛、低势绿地和植被浅沟的组合使用, 可有效提高雨水的下渗率” 。

在城市雨水径流的研究上, 国内学者针对其制作的计算模型可以追溯到20世纪30年代。前人先后提出了单位线、等流时线、下渗曲线等模型^[16]。与雨水下渗不同, 雨水径流流经城市地面, 会聚集一系列的污染物, 进入城市地表或者地下水体。在城市雨水径流污染研究方面, 国内研究起步相对较晚, 开始于20世纪80年代北京城市径流污染研究, 至20世纪90年代以后, 相关研究才逐渐活跃起来, 出现了基于水力学的运动波模型和其他径流研究模型^[17]。

杭州市位于中国东南沿海, 处于亚热带季风气候区, 雨量充沛, 年降雨量约1 500 mm, 虽然不是缺水城市, 但其可用水资源总量持续减少, 并且水污染现象比较严重, 是一个水质性缺水城市。针对杭州雨水降落后的蒸发、径流、渗透等具体发展情况进行研究, 能促进本地雨水资源的利用, 从而更好地保护当地水资源; 而且, 了解并分析杭州雨水下渗和径流规律的研究现状亦可为杭州今后的雨水利用研究指明方向。

本研究主要在中国知网和万方数据库2个平台上检索2000— 2016年期间发表的, 主要涉及杭州城市土壤渗透能力, 雨水蒸发、径流和渗透的关系, 土壤储存和降雨情况的关系等3方面内容的文献。

3.1 杭州土壤渗透能力文献整理与分析

对于不同土壤下渗能力的研究主要涉及2个方面:主要土壤类型和下渗能力。因每个城市的主要土壤类型大致是固定的, 因此, 此处重点关注土壤下渗能力研究。共检索到相关文献35篇。可见, 目前国内针对这方面的研究并不多, 尤其是关注杭州市土壤下渗能力的文献所占比例较低。2000— 2007年间, 关于杭州土壤下渗能力研究的文献数目呈逐年上升趋势, 于2007年达到最多, 2008年回落, 之后出现反复上升和下降的现象(图1)。在这些文献中:一些通过建立计算公式来论述土壤下渗率的影响因素, 以及不同情况下土壤的渗透能力; 一些通过实地试验来分析不同植被类型下的土壤下渗能力; 还有一些则是单纯进行某种土壤渗透能力的研究。

图1

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	图1 杭州土壤下渗能力文献的年份统计

3.2 杭州雨水蒸发、径流和渗透关系文献整理和分析

如图2所示, 2000— 2016年关于杭州城市雨水蒸发、径流和渗透关系研究的文献共计检索到28篇。2000— 2012年, 相关文献每年最多只有2篇; 2012— 2016年, 发表的相关文献数量有上升趋势, 最多的达到4篇。这类研究耗时较久, 并且成果验证过程也比较复杂; 因此, 这类研究文献较为稀少, 甚至出现了整年都没有相关论文发表的现象(2009年)。

图2

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	图2 杭州城市雨水蒸发、径流和渗透关系文献的年份统计

关于杭州城市雨水下渗、径流和蒸发之间关系的既有研究并不多。在搜索过程中发现, 在我国其他城市开展的类似研究也不多。通过梳理归纳, 既有文献可划分为以下2类研究内容。1)建立实验模型, 得出相关公式。即在杭州特定的地理或者位置条件下, 建立水分转化模型, 通过实验得出三者之间的函数或者数量关系。但是, 这类模型具有局限性, 仅仅适用于某些特定的土壤和地理环境下, 不能广泛应用。一直以来, 水分转化模型都存在着参数确定、修正和普适化的问题^[18]。2)以理论研究为主, 大范围地粗略介绍三者之间的大致关系, 此类研究范围一般较广, 但缺乏深度。

3.3 杭州土壤储存和降雨情况关系文献整理和分析

如图3所示, 共检索到有关杭州土壤储存机制和降雨强度、持续时间、频率之间关系的研究文献36篇, 总体而言, 相关文献的数量较少, 但随时间发展有缓慢上升的趋势, 数量最多的是2014和2016年, 均达到4篇。

图3

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	图3 杭州城市土壤储存和降雨情况关系文献的年份统计

降雨情况的变量从本质上可以分为强度、持续时间、频率和降雨总量4种。相关研究没有完全涵盖这4个方面, 只是着重分析其中的一两个方面。根据文献的主要研究内容可以分为以下几类。

降雨情况对土壤水再分布的影响。土壤水是存在于非饱和带土壤孔隙中和为土壤颗粒所吸附的水分, 是联系地上和地下的纽带, 在水资源的形成和转化过程中具有重要的作用^[19]。相关研究得出如下结论:不同降雨强度对土壤水分再分布具有一定的影响, 降雨强度越大, 转化为土壤的水量就会越多^[20]。有学者通过对不同降雨情况下土壤水再分布的研究, 探索出一种提高土壤保水能力和减少水土流失的方法, 为促进城市水资源的可持续发展提供了理论参考。

降雨情况对土壤养分流失的影响。土壤养分流失过程是一个非常复杂的过程, 通常所说的土壤养分流失是指地表肥沃土壤的流失。研究发现, 随着降雨强度和降雨历时的增大, 土壤养分含量也会逐渐降低。一个区域的土壤流失量与降雨强度呈正相关关系。随着降雨强度的增加, 雨滴对于土壤的击溅能力也会随之增加, 从而导致土壤养分流失量增大^[21]。

降雨情况对土壤入渗和径流的影响。相关研究表明:随着降雨强度增大, 土壤入渗率有增大的趋势^[22], 土壤入渗性能降低, 土壤含水率变化对于土壤入渗性能的影响也随之逐渐降低^[23]。为了提高土壤的入渗率, 涵养地下水源, 应把城市绿地放在一个比较重要的位置。近年来, 虽然城市绿地的面积不断扩大, 但是对绿地在雨水循环利用中的作用尚不够重视。有学者指出, 城市绿地在削减雨水径流、提高土壤入渗率、缓解排水系统运行压力等方面具有重要作用, 并提出下凹式绿地这一渗蓄能力较强的生态型排水设施, 可以有效缓解洪涝灾害, 增大雨水入渗率^[24]。

雨水径流是城市雨水的另一个研究重点。研究发现:一方面, 雨水径流量受不透水面积增加的影响而不断增加; 另一方面, 随着降雨强度的增大, 雨水径流量也随之增加^[25]。城市硬化地面的增加, 使得雨水径流量骤增, 虽然它产生了很多的危害, 但是如果加以妥当的处理和利用, 也会产生巨大的作用; 因此, 城市径流不能再一排了之。相关部门应出台有效利用城市雨水径流的措施或者方针, 鼓励城市规划建设部门将雨水径流量回收利用, 缓解水资源短缺的现状。

就现有文献的整理和分析来看, 现阶段对杭州城市雨水下渗和径流规律的研究方向比较广泛, 但是各个方面的研究都不够深入, 仍然处于起步阶段。雨水利用具有很好的社会效益。发达国家对雨水利用已经有较为系统的研究, 相关理论也已经被广泛应用到城市建设当中; 而就国内而言, 雨水利用在全国的推广工作还未做到位, 雨水利用的相关理论研究尚不够充分。在分析文献的过程中可以看出, 一部分文献的研究内容只是建立在理想情况下的假设, 缺乏结合城市实际状况提出的新颖的理论和实践研究。随着我国城市的进一步发展, 以及生态城市、海绵城市等理念在国内的逐渐兴起, 雨水利用终将逐步从理论走向实践, 最终发展成以理论指导实践, 以实践来验证与补充理论的良好态势。