导言

气候变化正在从根本上改变水文循环,对渗透动态产生深远影响 — — 水进入土壤并下移到地下水蓄水层中的过程。 随着全球气温上升,降水模式更加不稳定,极端天气事件加剧,渗入地面的水的速度和量正在以挑战传统基础设施规划的方式转移。 工程师、城市规划者和水资源管理者现在必须对这些变化负责,以确保排水系统、洪水控制和供水保持弹性。 本条探讨了在不断变化的气候下渗透的科学、对基础设施的连带影响以及能够保护社区和生态系统的适应性战略。

了解在不断变化的气候下渗透

渗入是水循环的关键组成部分,它制约着地表径流和地下水补给之间的降雨分配,取决于土壤类型、前期水分含量、植被覆盖和降雨强度。 气候变化以复杂的方式影响着上述每一种因素,导致渗透率出现非线性反应。

改变的降水模式

气候变化最直接的影响之一是降水特性的改变. 温空气持有更多的水分,导致更重的下水道被较长的干燥咒语隔开. 根据 气专委第六次评估报告,许多地区已经经历了极端降水事件增加. 当降雨强度超过土壤的渗透能力时,水池会流出而不是渗入地面,这减少了地下水的补给,扩大了洪水风险,特别是在地表大不透水的城市地区.

土壤湿度动态

季节性模式的变化也改变了以前的土壤湿度——在下雨之前土壤湿度。在干旱更加频繁的地区,土壤可能会变得疏水或地壳化,即使在雨水终于到来时,渗入也会减少。 相反,长时间的湿度会饱和土壤,降低以后事件的渗透率。美国地质调查局(USGS)指出,土壤湿度的变化正在改变全国的地下水补给率(USGS、渗透和水循环)。 这些动态使根据历史气候规范设计的基础设施的预测复杂化。

冻结- 拖动循环和永久冻土

在寒冷地区,气候变化正在缩短雪覆盖期,并加速永久冻土的融化。 当永久冻土退化时,地面结构发生了巨大变化,随着冰镜的融化,渗透率也往往增加。 然而,这也会导致潜伏和坡度不稳定,威胁到道路、管道和地基。 与此同时,减少积雪会减少传统上充水浅含水层的春季融化脉冲,从而改变从生长季节开始的渗透时间。

对基础设施规划的影响

基础设施系统——从城市暴雨水网到农村灌溉渠——是为特定的水文条件设计的,随着渗透动态的变化,这些系统面临更大的压力,需要进行昂贵的改造或重新设计。

城市风暴水管理

城市正在面临更频繁和更严重的城市洪灾。 传统的排水系统,规模是历史降雨强度,但已经不堪重负。 由于土壤紧凑和覆盖层不透水而减少的渗透加剧了径流。 为了应对这种灾害,许多城市正在实施 低影响开发 技术,如生物保留细胞和渗透铺路,这些技术模仿了自然渗透过程。 例如, U.S. 环境保护局的绿色基础设施方案 提供了恢复城市流域渗透能力的指导。

农业用水管理

农业依赖可靠的土壤水分来生产作物,渗入的变化既影响作物的供水,也影响土壤侵蚀的风险,在降雨量越来越强烈的地区,渗入过多的陆地流会剥离表土,降低长期生产力,相反,长时间的干旱会减少渗入事件的频率,迫使农民更多地依赖灌溉——灌溉本身会使地下水供应紧张。 保护耕作[、覆盖作物种植和农林业是通过改善土壤结构和有机物含量来维持或加强渗入。

地下水补给和供水

许多社区依靠地下水饮用和灌溉,由于气候原因渗入的变化直接影响到含水层补充的速度,在补给量已经有限的干旱和半干旱地区,即使略有减少,也会导致地下水位的长期下降,管理下的含水层补给项目,它捕获了暴雨水,并引导它进入渗入盆地,正在成为维持供水的必要工具,但是,MAR的成功取决于在各种气候假设下对未来渗入率的准确预测。

适应战略

使基础设施适应渗透动态的变化需要多面性的方法,将工程、生态和治理结合起来。 世界各地正在部署以下战略。

绿色基础设施和自然解决方案

绿色基础设施利用自然系统管理暴雨水,加强渗透。[] 硬路面[] 绿色屋顶[、 雨林园[和[生物空间站]的设计是为了捕捉源头降雨量,使水能够渗入并减少峰值径流。这些措施不仅有助于适应更强烈的降雨,而且还提供了共同效益,如改善空气质量、城市热岛减缓和生境创造。加利福尼亚大学的一项研究发现,广泛采用绿色基础设施可以抵消许多城市气候变化下预计的径流增加(《自然科学报告,2020年)。

数据驱动模型和气候预测

现代基础设施规划依赖于模拟未来降水和渗透模式的气候模型,诸如土壤和水评估工具[SWAT]和可变渗透能力模型等工具,使规划者能够测试不同的适应情景,决策者越来越多地采用组合模型——利用多种气候预测——来捕捉不确定性,国家海洋和大气管理局提供了可并入基础设施设计水文模型的降级气候数据。

政策框架和社区参与

适应不仅仅是一个技术挑战;它还需要支持性政策和公共购买。 分区代码可以更新,要求新的发展需要渗透标准。风暴水费可以组织起来激励现场渗透。社区参与方案教育居民减少水面渗漏和维护排水系统的重要性。在荷兰,河道方案举例说明了政策和社区行动如何能共同适应水文学的变化。

区域考虑因素

各区域对气候变化的渗透反应差别很大,需要制定适合当地具体情况的适应战略。

干旱和半干旱地区

在美国西南部、中东和澳大利亚部分地区,气候变化预计将减少许多地区的总体降水量,同时增加罕见风暴事件的强度。 渗透率往往受到土壤地壳和低有机物的限制。 暴雨后发生的闪电洪水可能很危险,但如果适当捕获,同样水也可以被收获补给。 Wadi管理[和检查水坝是正在恢复的减缓径流和促进渗透的传统技术。

湿润和热带地区

在湿润地区,温度升高会增加蒸发损失,但总降雨量可能仍然很高或增加,更频繁的风暴使土壤饱和,导致饱和过度径流增加,这给为中度和频繁事件设计的排水基础设施带来了挑战。 红树林恢复[和沿海区珊瑚礁保护也与淡水渗透相互作用,影响地下水盐度,随着海平面上升,人们日益关切这一问题。

寒冷山区

以雪为主的流域面临更早的雪融和较短的雪季. 熔融期的渗透可能发生在土壤仍然部分冻住,降低补给效率. 在高山地区,冰川退缩正在暴露出新的地形,而渗透特征不明. 这些变化影响了数百万人的下游供水. 适应措施包括季节性水库再动 捕捉更早的径流和 植树造林稳定坡度和加强渗透.

结论

气候变化正在以挑战现有基础设施和威胁水安全的方式改变渗透动态。 降水量变化、土壤水分制度变化和景观退化的相互作用要求以基于科学的前瞻性方法进行规划。 通过采用绿色基础设施、改进水文模型和促进优先注重复原力的政策,社区可以减轻与不断变化的渗透模式有关的风险。 继续投资于研究和监测——如全球土壤水分观测网络[——对于完善适应战略至关重要。 最终,目标不仅仅是应付变化,而是建立足以在不确定的气候未来蓬勃发展的系统。