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地表径流

流到雨水水沟英语storm drain的径流

地表径流是指雨水或是冰雪融化后的水流经地表产生的水流。表面径流可能是因为土壤已经吸饱水,无法再吸收水分,或者是一些不透水的表面(例如屋顶或是路面)使水流到周围的土壤。地表径流是水循环中重要的一部分,也是造成水土流失的主要原因之一[1][2]

还没进入水道之前的表面径流也称为非点源英语Nonpoint source pollution。若非点源中含有人造污染物或是天然污染物(例如腐烂的叶子),则称为非点源污染英语Nonpoint source pollution。若一个区域的径流会汇流到某一点,此区域称为流域。当径流流过地面时,会带走土壤中石油杀虫剂或是肥料土壤污染物,形成非点源污染[3]

城市径流除了造成水土流失以及污染外,也是造成市区淹水的原因之一,会造成财物的破坏、地下室的潮湿及泥泞,以及街道的积水。

形成原因

土壤吸饱了水之后,山上产生的径流

地表径流可能因为雨水、降或是积雪或冰川的融化而产生。

一地区会有积雪或冰川,该地区必需够冷,使积雪或冰川可以维持一个冬季。一般来说冰雪融化后的水会在春天最多,而冰川会在夏天融化,因此其下游的河流也会在这些季节时有最大的水量。决定积雪或冰川融化速率的因素包括气温、阳光持续的时间。因此在很高的山区,水流往在是在晴天时才会出现,在阴天时就停止了。

在没有下雪的地区,地表径流会因为降雨而出现。不过不是每次降雨都会出现径流,若雨势较小,土壤可以储存并吸收水分。像澳洲南非之类非常古老的土壤[4],即使雨势较大时,集群根英语proteoid root及其细根形成的密集网络也会吸收水分,避免径流。在这些区域,即使是较不肥沃的变性土英语Vertisol,都需要有大量的降雨及大量的潜在蒸发才会有地表径流,因此当地的植物可以适应这种变化较大,且短暂的径流。

渗透的过剩坡面流

当地表上的降雨速率超过土壤渗透英语infiltration (hydrology)能力,地面可蓄水的凹陷也已经满了,就会有渗透的过剩坡面流。这个称为Hortonian坡面流(得名自罗伯特·霍顿英语Robert E. Horton)也称为未饱和坡面流。这较常出现在干旱半干旱地区,一方面降雨强度高,而且土壤因为表面的铺砌,造成渗透能力英语infiltration capacity的下降。这常常是出现在地面有铺砌的都市区。

饱和的过剩坡面流

土壤已饱和,地面可蓄水的凹陷也已经满了,又继续下雨。降雨就会形成地表径流。上次降雨的水分会影响这次水分饱和的时间。这种径流称为饱和过剩坡面流或是饱和过剩流。

前期土壤水分

土壤在降雨后有一定的湿润度,这些残留的水分会影响土壤的渗透能力英语infiltration capacity。在下次降雨时时,渗透能力会影响土壤饱和的速率。之前的水分越多,土壤饱和的速率越快。若土壤中的水分已经饱和,就会形成径流。

地下回流

在水分渗透到山的山坡上,山可能会沿着土壤横向移动,最后渗出在其他的水道,这称为地下回流或是贯流英语throughflow

随着地下回流的流动,径流的量可能会因为以下原因而减少:可能小部分会蒸散,其中有些可能会储存在微地形的洼地,其中一小部分也可能会被土壤吸收。剩下的径流最后会流到河流湖泊河口等水体中[5]

人类的影响

城市径流

城市化增加了像道路铺面英语pavement (roads)及建筑物之类的不透水表面英语impervious surface,使水无法经由土壤渗滤英语percolation到地下的含水层中,因此也增加了地表径流。地表径流可能会直接流到溪流中或是流到雨水水沟英语storm drain,会有侵蚀淤积英语siltation的问题。地表径流增加也会降低地下水的储水量,因此降低地下水位英语water table,使干旱更加恶化,尤其是对农民或是以水井为供水来源的人,影响更加显著。

若径流中有人工污染物溶解或是悬浮在其中,此一地表径流就会带来水污染,而且污染物会接触到许多不同的水体,例如溪流、河流、湖泊、河口和海洋,结果是影响这些水体的水化学条件及相关的生态系统。

2008年美国国家科学研究委员会提出报告,指出城市径流是美国水质的主要问题之一[6]

因为人们继续排放温室气体来影响气候,空气中水蒸气的含量增加,预期降雨模式也有所改变,对于地表径流的量也会有直接的影响[7]

地表径流的影响

侵蚀及沉积

地表径流会造成地表的侵蚀沉积物可能会在径流流动一段距离后才会沉积。径流的侵蚀作用主要分为四种:溅侵蚀(splash erosion)、片侵蚀(sheet erosion)、纹沟英语rill侵蚀(rill erosion)及冲蚀沟侵蚀(gully erosion)。溅侵蚀是因为雨滴落到地表时,和土壤碰撞产生的侵蚀。土壤颗粒因受到撞击而脱离地面,之后随着径流而流动。片侵蚀是指径流在没有明显水道的情形下,沉积物随着径流流动。土壤表面的粗糙度也可能使径流集中,变成一个较明确的水道。这些小但是明确的水道称为纹沟英语rill。纹沟可以小到一公分宽,也可以大到数米寛。若水继续的切割并扩大纹沟,最后纹沟会形成冲蚀沟。冲蚀沟侵蚀可以在短时间内搬运大量的沉积物。

集中耕种农田土壤侵蚀
用柴捆护岸加强的柳树,限制了径流的范围,位于法国北部

土壤侵蚀的结果会造成其中作物产量的降低,这些影响也是土壤保护探讨的主题。径流会带走的土壤颗粒多半是直径在.001mm到1.0mm的颗粒。较大的颗粒在短距离运送后就会沈降,较小粒子会在水体中悬浮,运送较长的距离。若是粉砂质土壤受到侵蚀,会产生更小的粒子,会使水体的浊度增加,使水无法照到水中,影响水生态系英语aquatic ecosystem

许多地区都因为土壤侵蚀,因此无法在土壤中种殖作物。马达加斯加的中部高原约占全国土地的十分之一,几乎整个区域都没有植被,其冲蚀沟超过50米深,宽度一公里。土壤侵蚀造成肥沃的土壤流失,降低其生产力以及农作的成果。

现代工业化的农场是另一个造成侵蚀的原因。近百年来,美国玉米带的区域中,已有部分区域有50%的表土被侵蚀流失。

对环境影响

径流主要对环境的影响是将水中的污染物输送到地表水体、地下水土壤。最后会影响人体健康,影响生态系,在环境景观(例如水的颜色、气味及清澈度)上也可能会有所影响。在污染物中对水体有最大影响的是石油相关物质、除草剂肥料。有关地表径流中杀虫剂及其他污染物的量化研究在1960年代就已开始,而接触到有杀虫剂的水体会增强药害英语phytotoxicity的效果[8]。当这些含有化学物质或是沉积物的径流流到水体中,就会造成水污染。当地表的水体用来作为饮用水的来源时,一方面有人体健康上的风险,同时也会影响饮用水本身的美感(例如气味、颜色及浊度等)。受污染的地表水也会影响水中物种的代谢,可能会造成死亡,例如鱼群死亡英语fish kill,或是改变生物族群的平衡状态。另一个影响是影响动物的交配、产卵、幼虫的活动力、动物幼体的存活率以及植物的繁殖。有些研究发现地表径流中含有的杀虫剂(例如滴滴涕)会改变鱼的性别,由雄鱼变成雌鱼[9]

若径流经过森林,可能会带给湖泊大量含氮、含磷的矿物质,会造成富营养化。若经过温性针叶林英语Temperate coniferous forest,会有大量的腐植酸,造成水体腐植化[10]

对于地下水,若含水层中的水被泵取供人使用,径流带来的问题就是饮用水的污染。有关土地污染,径流水有二方面的影响,一方面径流会将土壤中的污染物析出,再释放到水体中,影响对环境更敏感的水生动植物。再者,径流水中的污染物也可能会留在土壤中,造成健康或是生态上的影响。

农业议题

和农业有关的议题是农业化学物质(如氮肥、磷肥、杀虫剂、除草剂等)也会透过径流而输送。若是过量使用肥料(或农药)或是在不恰当的时间(降雨量大时)使用都会有此情形。结果不只是这些化学物质的浪费,也对下游的水质造成威胁。

洪水

若水道输送到下流的水量比径流的水量要少,表示水道无法将所有径流的水输送到下游,就会出现洪水。洪水出现的频率称为洪水重现期英语return period。洪水是自然现象,维持生态系的组成及运作。不过洪水也会受到土地利用英语land use方式的影响(例如河川工程)。洪水可能对社会有益,例如尼罗河泛滥平原就是因为季节性洪水带来的沉积营养物质,使其农业可以发展。不过洪水也可能造成人员的伤亡及财产的损失。而且随着居住人口的增加以及对环境敏感性的增加,洪水慢慢也变为一种自然灾害。在都市区,都市径流是主要造成都市洪水的原因,一方面经常出现,而且复原成本很高,对社会的影响很大。[11]其影响包括人员的伤亡、财产的损失、水源的污染、作物的损失、社会的混乱以及有些人会暂时无家可归。洪水是最严重的自然灾害之一。

减缓及处理

地表径流池,在华盛顿州北湾市附近

径流的影响可以用以下方式减缓:

土地使用管理

许多世界上的监管机构也鼓励进行用土地使用来减少径流的研究,例如透过减少不必要硬景观英语hardscape来减少地表径流[12]。许多城市都有针对土地开发者的指南及守则(分区及相关地方性法规英语Local ordinance),鼓励缩小人行道的宽度、在私家车道步道上直接用铺路石英语paving stone (flooring)铺在土地上等技术,主要目的是在都市设计中提高水浸润英语infiltration (hydrology)到土壤中的能力。像加州的圣莫尼卡就有进行土地使用管理的方案[13]

冲蚀控制

从中古时期时农夫发现等高耕作英语contour farming在土壤保护上的重要性,当时已注意到冲蚀控制的问题。自1950年代开始农业耕种的方式越来越复杂。在1960年代有些美国州份地方政府开始要求农家设置冲蚀控制沉积控制英语sediment control(ESC)的相关技术,以缓和径流的影响。这些技术包括用稻草及障碍物减慢斜坡上径流的速度、设置淤泥围栏英语silt fence等。马里兰州蒙哥马利县在1965年首先实施了地方政府的沉积控制计划,在1970年成为马里兰州全州的计划[14]

洪水控制计划

早在20世纪初时,洪水控制计划就变成河流的系流的洪峰流量预测。近来逐步地发展策略以减小洪峰流量,也降低水道的流速。其中有些常用的技术,包括:设置蓄洪池(滞洪区)以缓冲河流流量的峰值,在水道中设法使能量耗散以减缓流速,利用土地使用管理的方式来减少径流[15]

化学品使用及处理

美国在1976年订定资源保护和回收法英语Resource Conservation and Recovery Act(RCRA),后来也订定了清洁水法英语Clean Water Act,因此许多州及城市都对有毒化学物质的容器及储存更加的注意,目的是避免有毒化学物质的排放泄漏。常见的方式有地下储油槽英语underground storage tank要求要有双重的防遏制装置,有害物质使用的注册登记,减少允许使用的杀虫剂数量,对于园艺维护用肥料及除草剂有更严格的管制。许多工厂都需要针对废水进行预处理,以减少排放到污水下水道雨水下水道英语storm sewer的污染物数量。

美国的相关规定

美国的清洁水方案英语Clean Water Act(CWA)要求都市化地区(依美国人口调查局的定义)的地方政府需针对其排水系统取得雨水排水许可证[16][17]。本质上看,这表示地方政府需要针对所有进入市区独立雨水管网英语storm sewer系统(municipal separate storm sewer system,简称MS4)的所有地表径流进行雨水排水管理(Stormwater management)方案。美国国家环境保护局、各州规定及相关的出版物列出了每个地方政府专案必备的六个基础项目:

  • 公众教育(对个人、住家、商家教育如何避免雨水排水污染)
  • 公众参与(在实施地区式的专案时,鼓励公众的参与)
  • 非法排放检测与消除(移除污水下水道及其他非雨水排水的管路连接到市区独立雨水管网系统)
  • 建筑施工工地的径流控管(侵蚀及沉积控制)
  • 建设完成后的(也就是永久的)雨水排水管理控制
  • 污染预防英语Pollution prevention及“好管家”(good housekeeping)评估(也就系统维护)

其他业主(例如高速公路系统、大学、军营及监狱等)若有实施雨水排水系统,也强制要求要取得雨水排水许可证。

量测及数学模型

径流可以用数学模型配合各种水质取样方式进行分析。量测可以用连续式的自动水质分析仪器进行分析,分析目标可能是针对特定有机化合物无机化合物PH值浊度等直接和污染有关的指标,也可能针对像溶氧量英语dissolved oxygen等二次指标进行分析。量测也可能是先采集水体试様,再进行各种物理或化学的分析测试。

1950年代或是更早期的水文运输模型英语hydrology transport model可以计算径流的量,主要用在洪水预报。在1970年代初期已开始用电脑模式来分析径流运送污染物的情形,会考虑不同化学物质的溶解速率、浸润英语Infiltration (hydrology)到土壤中,最后污染物送到水体的情形。

有关化学物质在径流及输送的模型中,最早的是在1970年代,因为美国国家环境保护局委托而提出的[18]。此电脑模型是许多污染缓解研究的基础,也影响土地使用英语land use及化学品处理的控制策略。

此外,也有发展出其他的电脑模型(例如DSSAM模型英语DSSAM Model),允许针对利用污染物追踪径流进入河道的情形。此时的径流可以视为是水污染线状来源英语line source

参考资料

  1. ^ Robert E. Horton, The Horton Papers (1933)
  2. ^ Keith Beven, Robert E. Horton's perceptual model of infiltration processes, Hydrological Processes, Wiley Intersciences DOI 10:1002 hyp 5740 (2004)
  3. ^ L. Davis Mackenzie and Susan J. Masten, Principles of Environmental Engineering and Science ISBN 0-07-235053-9
  4. ^ McMahon T.A. and Finlayson, B.; Global Runoff: Continental Comparisons of Annual Flows and Peak Discharges ISBN 3-923381-27-1
  5. ^ Nelson, R. (2004). The Water Cycle. Minneapolis: Lerner. ISBN 0-8225-4596-9
  6. ^ United States. National Research Council. Washington, DC. "Urban Stormwater Management in the United States."页面存档备份,存于互联网档案馆) October 15, 2008. pp. 18-20.
  7. ^ Wigley T.M.L & Jones P.D. Influences of precipitation changes and direct CO2 effects on streamflow. Letters to Nature. 1985 [2016-09-06]. (原始内容存档于2017-02-07).
  8. ^ W.F. Spencer, Distribution of Pesticides between Soil, Water and Air, International symposium on Pesticides in the Soil, February 25–27, 1970, Michigan State University, East Lansing, Michigan
  9. ^ Science News. "DDT treatment turns male fish into mothers."页面存档备份,存于互联网档案馆) 2000-02-05. (By subscription only.)
  10. ^ Klimaszyk Piotr, Rzymski Piotr "Surface Runoff as a Factor Determining Trophic State of Midforest Lake" Polish Journal of Environmental Studies, 2011, 20(5), 1203-1210
  11. ^ Center for Neighborhood Technology, Chicago IL “The Prevalence and Cost of Urban Flooding.” May 2013 http://www.cnt.org/media/CNT_PrevalenceAndCostOfUrbanFlooding.pdf页面存档备份,存于互联网档案馆
  12. ^ U.S. Environmental Protection Agency (EPA). "Impervious Cover."Ecosystems Research Division, Athens, GA. 2009-02-24. (页面存档备份,存于互联网档案馆
  13. ^ Urban Runoff页面存档备份,存于互联网档案馆), City of Santa Monica website. Retrieved 29 July 2007.
  14. ^ Maryland Department of Environment. Baltimore, MD. "Erosion and Sediment Control and Stormwater Management in Maryland."2007. (页面存档备份,存于互联网档案馆
  15. ^ Channel Stability Assessment for Flood Control Projects U.S. Army Corps of Engineers, (1996) ISBN 0-7844-0201-9
  16. ^ United States. Code of Federal Regulations, 40 CFR 122.26页面存档备份,存于互联网档案馆
  17. ^ EPA. Washington, D.C. "Stormwater Discharges From Municipal Separate Storm Sewer Systems (MS4s)."页面存档备份,存于互联网档案馆) 2009-03-11.
  18. ^ C.M. Hogan, Leda Patmore, Gary Latshaw, Harry Seidman et al. Computer modeling of pesticide transport in soil for five instrumented watersheds, United States Environmental Protection Agency Southeast Water laboratory, Athens, Ga. by ESL Inc., Sunnyvale, California (1973)

相关条目

延伸阅读

外部链接


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