（市政工程专业论文）流域水文特征的景观生态机理分析及生态补偿系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 流域水文特征的景观生态机理分析及生态补偿系统的研究 摘要 近年来，随着城市化的加速发展，人类的各项活动对流域水文生 态环境的干扰尤为强烈，原有的景观结构遭到破坏，系统功能紊乱、 减弱甚至丧失;生物多样性下降以及自 然景观的衰退，加剧了城市涝 灾的发生、水资源短缺及水环境污染。本文在国内外有关城市暴雨管 理的最新研究基础上，以杭州市沿山河流域作为研究对象，应用景观 生态学与城市水文学的原理，分析流域原自 然状态下的滞洪、消能、 贮存、入渗的水文平衡结构与水涝灾害发生的生态机理，以及水质净 化、流域景观整体性和连续性的美学价值的关系;从流域水环境的综 合治理、防灾的整体宏观角度出发，探讨改善整个流域水系循环、维 护水文生态、利于该地区防灾减灾的生态补偿系统，通过调整或构建 新的景观格局和功能区域， 使整体功能优化。 为营造一个舒适、宜人、 安全、高效的城市环境，实现城市的可持续发展提供了科学的保障。 关键词:流域景观结构和功能 生物多样性与水体自 净能力 城市水涝灾害 景观生态补偿系统 浙江大学硕士学位论文 a n a l y s i s o f l a n d s c a p e e c o l o g i c a l me c h a n i s m o f r i v e r b a s i n h y d rol o g y c h a r a c t e r i s t i c s a n d s t u d y o f e c o l o g i c a l c o m p e n s a t i o n s y s t e m a bs t r ac t w i t h t h e a c c e l e r a t i o n o f u r b a n i z a t i o n d e v e l o p m e n t t h e s e y e a r s , t h e i m p a c t o f t h e h u m a n v a r i o u s a c t i v i t i e s o n h y d r o - e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t i s v e ry s e r i o u s , i n c l u d i n g l a n d s c a p e s t r u c t u re a n d fu n c t i o n d e s t r o y e d , b i o d i v e r s i t y l o w e d a n d n a t u r a l l a n d s c a p e d i s a p p e a r e d , w h i c h m a k e u r b a n w a t e r l o g d e t e r i o r a t e d a n d h y d r o l o g i c e n v i r o n m e n t p o l l u t e d e t . b a s e d o n t h e l a t e s t s t u d y o f t h e u r b a n s t o r m w a t e r m a n a g e m e n t a l l o v e r t h e w o r ld , i l l u s t r a t e d w i t h y a n s h a n r i v e r b a s i n in h a n g z h o u , a n d a c c o r d i n g t o t h e t h e o ry o f t h e l a n d s c a p e e c o l o g y a n d u r b a n h y d r o l o g y , t h i s d i s s e rt a t i o n q u a n t i t a t iv e l y a n a l y z e s t h e re l a t i o n b e t w e e n h y d r o l o g i c b a l a n c e s t r u c t u r e i n t h e n a t u r a l c o n d i t i o n in r i v e r b a s i n a n d e c o l o g i c a l m e c h a n i s m o f u r b a n fl o o d , w a t e r p u r i fi e d a n d e s t h e t i c s v a l u e . f ro m t h e h o l i s t i c v i e w o f w a t e r e n v i r o n m e n t o f r i v e r b a s i n i n t e g r a t e d m a n a g e m e n t a n d d i s a s t e r p re v e n t i o n , b y a d j u s t i n g a n d re g e n e r a t i n g n e w l a n d s c a p e p a tt e r n a n d f u n c t i o n , t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e l a n d s c a p e e c o l o g i c a l c o m p e n s a t i o n s y s t e m , w h ic h i s b e n e f ic i a l t o t h e i m p r o v e m e n t o f u r b a n w a t e r c y c l e , m a i n t e n a n c e o f h y d r o l o g i c - e c o l o g y a n d p re v e n t i o n o f d i s a s t e r , a n d t h u s p ro v i d e s a s c i e n t i f i c g u a r a n t e e f o r c o n s t r u c t i n g a c o m f o r t a b l e , p l e a s a n t , s a f e a n d e f fi c i e n t u r b a n e n v i r o n m e n t a n d a c h i e v i n g s u s t a i n a b le d e v e l o p m e n t . k e y w o r d s : r i v e r b a s i n ; l a n d s c a p e a n d f u n c t i o n ; u r b a n fl o o d b io d i v e r s i t y a n d s e l f - p u r i f y i n g o f w a t e r ; l a n d s c a p e e c o l o g i c a l c o m p e n s a t i o n s y s t e m 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文研究的社会背景、目的和意义 1 1 1 本文研究的社会背景 一、国际背景 由于水资源分布在时间、空间上的不均匀性，世界上许多地区水资源严重 匮乏；而有些地区却因降雨量大而集中、且上游洪峰来势迅猛而饱受洪涝之苦。 甚至有些地区还遭受洪灾和旱灾的双重威胁。同时，人口的居i 增、不合理的开发 和利用自然资源造，造成流域生态环境的重大破坏，导致诸多的水环境问题，严 重地威胁着城市的发展以及影响城市居民的生活和安全。特别是城市化的加速发 展，改变了流域原有的自然属性和功能特征，全球水环境正在进一步恶化。有统 计表明，在每年发生的自然灾害中，洪水、干旱、泥石流等与水有关的灾害约占 八成以上。世界8 0 多个国家超过8 0 0 万平方公理的土地遭受涝灾，造成3 0 0 0 多 人死亡，1 7 0 0 多万人的生活陷入困境，财产损失高达3 0 0 亿美元。每年因缺水 而造成的经济损失达1 0 0 多亿元，因水污染而造成的经济损失更高达4 0 0 多亿元 。1 。全世界的水域生态系统正在受到严重的改变和损害，这种变化和破坏的程度 远远大于历史上的任何时期。而且损害的速度远远大于其自身的及人工的修复速 度。科学家预测，由于受气候变化、环境污染及厄尔尼诺等现象的影响，与水有 关的灾害发生的频率和强度都将持续增强。因此，世界气象组织和国际减少灾害 战略组织共同在世界范围内发起了世界减灾运动，2 0 0 4 年“世界水日”的主题 是“水和灾害”，其口号是“防治水灾，持续发展”。 二、 国内背景 我国地域辽阔，拥有众多的内陆水域，河网密布。众多的河流、湖泊给人 们提供了主要的淡水来源，河流冲积而成的冲积平原是中华民族文明的重要发源 地，同时也是我国大部分工业、农业基地和能源基地所在地及重要城市和人口的 聚集地。而近年来，随着城市的不断扩张，人类在流域内的开发活动越来越强烈， 由于不合理的开发和利用使原有景观的各类自然要素( 如地形、地貌) 遭到破坏。 浙江大学硕士学位论文 大量林地、农田景观以及天然的调蓄系统如池塘、河流等湿地景观被占用。而原 有景观的各类自然要素是形成景观生态功能的基础，自然要素连续性的日渐破损 和丢失会导致功能的故障，许多自然价值都因为人类没有维护景双层理结构的连 续规律，作为一种孤立的生物残余而丧失，导致周围生态环境发生巨大的改变”3 。 其内在的实质是系统结构紊乱和功能的减弱和破坏，外在的表现为生物多样性的 下降或丧失以及自然景观的衰退，景观变化结果不仅改交了景观的空间结构，而 且影响景观中能量分配和物质循环，最为明显的是影响水的自然循环过程，使流 域景观的生态整体性遭到破坏，水文生态系统平衡被打破，加剧了城市涝灾的发 生。更值得关注的是，随着城市化的发展，城市雨水管网日趋完善，而传统的雨 水排放系统是在“尽快、高效”的指导原则下，着眼于将雨水从城市范围内赶紧 排出去。这就更加速了雨水向城市各条河流的汇集，使河道洪峰流量迅速形成， 加大了城市低洼地带的排水压力。特别是山前平原和山地城镇，景观结构非常复 杂，生态十分敏感、脆弱。在开发建设前若不加强流域景观生态机理研究，不采 取任何保护和适当补偿措施，极易引发各类灾害。近年来我国城市水涝灾害频发， 地面沉降问题突出，并有愈演愈烈的趋势。例如，1 9 9 8 年我国长江流域、松花 江和嫩江流域发生特大涝灾，直接经济损失达1 6 6 6 6 亿，涝灾可能拖累全国国 民生产总值( g d p ) 负增长1 个百分点“1 。而陕西省南部地区每逢夏季也往往发 生洪涝灾害。2 0 0 2 年6 月8 目的特大洪灾给陕南秦岭山区造成严重损失，据有 关专家考察，秦巴山区降雨成灾是随着森林植被破坏程度的加大和大量耕地占用 而增加，从20 世纪中期以来陕南发生水涝灾害的频率已大为提高“1 。如北京市 在干旱季节严重缺水，而在暴雨期间又饱受洪涝之苦。2 0 0 3 年9 月中旬的一场 大雨，北京市中心的各主要街道因这场雨堵得水泄不通。这样的拥堵- - n 雨天就 会出现，见图1 1 。又如杭州市，自8 8 年以来几乎每年有水涝问题。据统计， 建国以来杭州市所遭受最大的1 2 次洪涝灾害中，有4 次发生在9 0 年代，占 3 ， 而且都集中在近5 年内。特别是从1 9 9 6 年以来已经连续4 年遭受特大水涝灾害： 其中9 6 年的“6 3 0 ”水灾事件，给城市的经济、交通、旅游等造成巨大的损失， 据估算，直接经济损失就达1 4 3 亿人民币”1 。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 ；杭州市水灾情况( 1 9 9 6 )北京市2 0 0 3 年水灾图片 其他城市也面临同样的遭遇。水灾情况如图1 1 ，1 2 所示。 这位骑车人在水中吃力地前行两位小孩在积水的马路上“行走” 图1 2 ：汕头市水灾情况( 2 0 0 2 ) 同时，人类在对流域景观资源过度开发和利用的过程中，完成忽视河流是城 市中极重要的自然要素这一特点，把河道仅当着排水渠道，进行人工化整治、加 固及景观设计，习惯予采用传统工程措施，如截弯取直、浆砌块石护坡、高筑垂 直堤岸等严重丧失了河道的自然度、亲水性与视觉美学的均衡性，同时，破坏了 水生生物的栖息环境，丧失了河道作为景观廊道的生态功能以及水体的自净能 力，也加快了洪峰流量的汇流时间，生态价值大大降低”1 。 另外，由于缺乏健全的雨水储存、渗透、净化和利用等设施，大量雨水未经 处理直接排入水体，造成水资源的极大浪费和水环境的严重污染，直接威胁着人 类的健康和生存条件。而传统的雨水排放系统不分地域、不分场所的设计方式， 已不适应城市化的加速发展，其本身也是加剧城市涝灾的原因之一。 浙江大学硕士学位论文 因此，如何加强开发建设前的战略技术研究，将景观层理结构分析与排水规 划设计和流域景观规划相结合来探讨可持续的雨水排放系统和生态补偿系统已 迫在眉睫。 1 1 2 本文研究的目的和意义 目前，我国对城市水涝灾害的基础研究还十分匮乏，在理论、数据、规划 方面可依据的成果很少，很多与城市排水工程相关的规划、设计因为基础研究不 足未能对其灾害风险进行预测，也无法提出相应的减灾措施。许多建设项目在上 马之前，没进行流域景观生态特性调查及维护水文平衡的景观结构层理分析和功 能研究，在项目建成之后，一旦遭灾，立即造成重大损失。因些，本文将景观生 态学与土木工程学和城市水文学相结合，采用跨学科的研究方法，根据不同场所 的景观结构特征，以流域为单位剖析其内在的特性和功能，寻找水文平衡与景观 结构的关系，并在此基础上用景观生态规划的新理念探讨与其相适应的景观生态 补偿系统，对受损的水文生态系统的功能进行补偿和替代。为城市规划和防灾减 灾提供理论依据和设计指导。同时本研究采用的理论分析方法和设计理念不仅对 山地城镇而且对其他城市或地区都具有普遍的借鉴意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国外研究现况 目前世界各国都面临着双重的压力，既要保证城市安全供水，又要减少排 水对环境造成的污染，其中雨水被认为是最大的分散污染源。1 。传统雨水排放 方式带来水资源严重浪费、生态环境污染、水涝灾害频发等不良后果越来越引起 人们的关注。在发达国家，城市化导致的水文生态失衡、洪涝灾害频发问题早在 2 0 世纪5 0 年代后期就已经开始明显化。近年来，许多国家都从完善城市水文生 态系统的新理念入手，从雨水的地下渗透与滞留、贮存、净化处理与中水利用着 手，积极探索新的城市雨水排放系统，将雨水就近削减和处理( o n s i t e ) 。雨 水排放系统己从传统的雨水单独排放转变为以渗为主，贮蓄排相结合的排放系 统，以储为主，渗排相结合的排水系统以及其他的形式的排水方式。德国是欧洲 开展此项工程最好的国家之一，城市雨水利用技术已进入标准化、产业化阶段， 并逐步向集成化、综合化方向发展9 1 。目前在德国比较成功的雨水处理系统有m r 系统( m u l d e n r i g o l e ns y s t e m ) 和分散入渗、就近储存系统( d e c e n t r a l 4 浙江大学硕士学位论文 i n f i l t r a t i o na n ds t o r m w a t e ro n s i t es t o r a g e ) 等。m r 系统可译为“洼地一渗 渠系统”，该系统包括各个就地设置的洼地、渗渠等组成部分，这些部分与带有 孔洞的排水管道( 带有可调节的溢流阀) 连接，形成一个分散的雨水处理系统， 设在雨水径流形成的“源头”，如靠近屋面、停车场、道路等的地方。通过雨水 在低洼草地中短期储存和在渗渠中的长期储存，保证尽可能多的雨水得以下渗， 涵养地下水，延长径流时间，削减城市洪峰流量并使雨水得以净化“。其中分散 入渗和就近储存系统在德国柏林市r u m m e l s b u r g r e 湖傍新建的住宅小区内得到 成功运用，其示意图见图1 3 。通过采用该系统，屋面和道路雨水分散地流入渗 渠中，经过渗渠渗透、滞留后多余的雨水进入人工洼地，雨水经洼地的植被和人 工土壤的沉淀、吸附、和生物降解等多重净化作用，净化后的雨水作为小区杂用 水。暴雨期间多余雨水可通过溢流管排入市政管网。取得了很好的经济和环境效 益1 。 渗瀑 排水装釜 土壤出口 图1 3 ：土壤滞留、挣化雨水 从生态系统结构与功能的角度看，以上两种典型的雨水系统实质上也可称为生态 补偿系统，弥补原生态系统的某些功能。目前德国还将生态水景设计与城市雨水 排放设计相结合，使城市排水系统上升到景观美学的高度。他们根据不同场所景 观结构的独特性( 如不同地形、地貌和土地渗透条件等) ，设计适合当地的新型雨 水排放系统。例如设计师h e r b e r td r e i s e i t l 巧妙地设计一个风水轮装置，将屋 顶雨水和小区的洼地、渗渠联系起来，来自屋顶的雨水通过水道流到风水轮里， 并使轮子转动起来，具有很高利用价值的雨水经过墙上的露天水槽直接注入到渗 透洼地，然后流入具有很高渗透性的砾石渗渠中。【1 2 】这种设计理念是值得我们借 鉴的。见图1 4 ： 浙江大学硕士学位论文 除德国外日本、英国、美国等发达国家也相继开发了新的暴雨管理系统。日 本由于是一个山地丘陵国家，早在2 0 世纪五六十年代，由于迅速的城市化带来 日趋严重的水涝灾害和水资源危机，日本政府就投入大量资金开展雨水的贮、渗 性雨水排放系统的研究与实践。并给出相应的优惠政策，鼓励房地产商在开发区 引入“防灾调节池”( 用于滞水、蓄水) 与“就地”( o n - s i t e ) 处理系统，对大形 建筑物必须设置地下雨水调节池，以滞留、储存因地表硬质化( 屋面、地面) 产 生的多余径流量，作为建筑物、区域内杂用水水源“。目前，由于地基沉降问题 目益突出，日本正在逐渐从以雨水临时贮存方式为中心转向以雨水渗透法为中心 的研究，实际上是从简单的雨水资源利用系统转向以水文生态改善为中心的雨水 入渗系统，这也是很好的一种生态补偿方式。 又如英国、美国近几年对工程补偿系统研究也有新的进展，在许多广场、停 车场、和小区路面采用可渗材料，下部结构采用多孔材料用来储存下渗的雨水”“， 利用地下蓄水层形成大型蓄水库，在雨季将雨水灌入地下，旱季则将地下水抽出 使用【”】。以减少城市涝害的发生并缓和水资源危机。 到目前为止，国外仍侧重于从排水管网的角度出发，进行生态修复性的工程 技术研究。至于如何从区域景观的不同层理结构和功能特性入手探讨流域水文平 衡的机理还很少。近年来，越来越频繁的洪涝灾害引起人们对流域生态问题的关 注，促进了景观生态学在流域水文生态学科的应用，开展了对流域景观结构变化 及其对流域水文过程影响的研究“。如欧洲开始研究河岸植被结构对雨水的净 浙江大学硕士学位论文 化、滞留作用。研究发现，一个宽1 0 米的植被缓冲带能有效地拦截地表径流中 的沉积物，对氮、磷的除去率高达9 5 以上。【l ”又如日本，各类水利设旆的建设 和人为挤占河道等现象对流域植被空间结构的影响引起了人们的关注。人们试图 用斑块形态指数法研究沿岸植被的破碎度、斑块大小、形态及其改变以及生物多 样性的变化。 1 s l 同时日本也有学者开始对堤岸人工化、硬质化的传统设计导致生 态环境和自然景观破坏等问题开展研究，并提出生态修复工程技术，试图恢复流 域的自然形态和生态功能。不过目前景观生态学者都注重景观结构和动态方面的 研究，而对景观功能的研究较少。 1 2 3 国内研究现状 我国在该领域的研究才刚刚起步，目前主要偏向雨水资源化研究，仅仅在 缺水地区有一些小型、局部的非标准性应用，比较典型的有山东的长岛县、大连 的獐子岛和浙江省舟山市葫芦岛等雨水集流利用工程。大中城市的雨水利用基本 处于探索和研究阶段。北京、上海、大连、西安等城市相继开展研究。在严重缺 水形势下，北京加快了雨水利用等方面的研究，1 9 9 8 年开始，北京建筑工程学 院和北京城市节水办公室立项进行雨水资源化研究，并在城区示范推广。2 0 0 0 年北京市水利局与德国埃森大学合作，开展“城区雨洪控制与利用”项目，使城 区降雨量的3 0 得到有效利用。其中最有代表性的是车武、李俊奇、汪慧贞和胡 家俊等人的研究成果，发表在给水排水杂志上。如汪慧贞等人曾在给水排 水杂志上发表“城区雨水渗透设施计算方法及关键系数”一文，对雨水渗渠设 计方法作了介绍，近年来又对城市屋面雨水绿地渗透净化开展研究心们。车武、 李俊奇等人还提出生态园区雨水综合利用系统的设想e 2 1 。上海也开展通过雨水 利用来防涝的工程尝试。 另外，我国在景观生态学和景观规划方面的研究起步也较晚，但近年来进展 很快。其中具有代表性的人物主要有邬建国、傅伯杰、肖笃宁和王紫雯等。邬建 国是多年潜心于景观生态学研究的年青学者之一，他主要在景观格局、尺度以及 等级斑块动态方面有比较独到的研究，其代表作有景观生态学一格局、过程、 尺度与等级。肖笃宁、傅伯杰等人主要从自然生态系统入手研究生物的多样性， 目前也开始从事水土保持、农业景观等方面的研究。王紫雯教授多年来一直致力 于景观规划、城市景观特质评价和景观保护方面的研究。其主要作品有环境规 划、管理与控制。但是真正把景观生态学与城市水文学和土木工程学相结合， 浙江大学硕士学位论文 从市政建设的角度出发进行跨学科研究，分析流域原自 然状态下的滞洪、消能， 贮存、 渗透、 排水的生态平衡结构与水涝灾害发生的生态机理， 并进行生态补偿 系统的探讨和研究目 前尚属空白。 本研究就是在浙江大学王紫雯教授的指导下在 这方面进行探讨。 1 .3 本研究的主要内容和创新之处 1 3 . 1本研究的主要内 容 本研究选择有代表性的山地城镇为研究对象， 并选择有代表性的流域为研究 区。 以景观生态学的理论为指导， 从区域景观的不同 层理结构， 剖析其内 在的 特 性和功能。 从而找出流域水文平衡结构与城市涝灾发生的机理以及生物多样性保 护和景观美学价值。在此基础上探讨有利于该地区水文平衡的景观生态补偿系 统。使城市排水系统不仅具有普通的排水功能，更具有防灾减灾和美学功能。 本研究的具体内容如下: ( 1 ) 确定研究对象和研究区，选择景观生态较敏感的山地城镇为研究对象， 并选择有代表性的小流域为研究区。 ( 2 ) 调查对象研究区城市化前后水网 平原状况及水涝灾害情况。 ( 3 ) 了 解城市化前后景观结构特征( 如地形、 地貌、空间结构) 及其变化， 特别 是沿河景观元素和利用功能的改变。 ( 4 ) 在调查了解的基础上，以景观生态学的理论为指导，采用定量与定性相 结合的手法分析原地形、 地貌及原河流走向、 支流等与雨洪排放、 分流( 渗、 贮、 排) 及消能的关系以 及流域自 然景观元素 ( 如河漫滩、 河堤、等)与雨水净化、 生物多样性、 景观连续性和整体性的关系。 为生态补偿系统的探讨提供理论依据。 ( 5 ) 在国内外文献综述和国内现有研究成果的基础上， 对各类生态补偿系统工 程技术措施进行归纳、 分析和研究， 得出各种系统的优缺点和适用条件， 为新型 雨水排放系统的选择和工程设计提供依据和参考。 ( 6 ) 从研究区范围内选择具体工程实例，预测其开发建设对城市水涝灾害的 影响; 修筑大量人工化的堤岸对生物迁移和景观审美价值的影响。 并根据不同场 所的景观结构特征( 地形、 地貌和土壤渗透条件) 探讨与其相适应的景观生态补偿 系统。 1 . 3 .2主要研究方法 浙江大学硕士学位论文 本研究是在类型分析法的基础上， 以定量分析法为主， 景观结构模拟法为主， 形态指数法( s h a p e i n d e x ) 为辅。 采用定性定量相结合的 手法分析区域景观结构的 复杂性和景观形态的独特性。 1 . 3 . 3 本研究的创新之处 本研究室多年来一直致力于景观规划、城市景观特质评价和景观保护方面 的探索和研究，将结构模拟法和类型分析法应用于传统街区景观形态特征分析 上。 近年来， 对城市水涝灾害生态机理进行了分析并探讨了 新型的雨水排水系统。 本研究在以上研究的基础上，又有新的突破之处: ( 1 ) 本研究是利用土木工程学与景观生态学交叉学科的优势来剖析区域景观 的结构特征和功能关系， 并根据不同场所的景观特征， 以流域为单位寻找水文平 衡与景观结构的关系， 来达到城市防涝、 生物多样性保护、 流域景观美学价值以 及流域水环境治理等多重功能。这在国内尚属首次。 ( 2 ) 本文以定量分析为主，定性分析和图化方法相结合， 分析城市化前后流域 景观结构和功能的变化，这是初步尝试。 1 .3 .4 选择研究对象 我国是一个多山的国家。 有差不多半数以 上的城镇都位于丘陵与山 地上。 在 浙江，山地面积占全省面积的7 5 %以上， 俗有“ 七山一水两分田” 之说。 然而近 年来， 随着经济的发展和城镇人口的增加， 各山地城镇在城市建设中， 不注意丘 陵山 地的 生 态特性盲目 开发， 使 得环境问 题加剧， 城市灾害 频发2 2 1 。 其中 杭州市 就是一个典型的例子。 据统计， 建国以 来杭州市所遭受最大的1 2 次洪涝灾害中， 有4次发生在9 0 年代，占1 / 3 ，而且都集中在近5 年内。特别是从1 9 %年以来 己 经连续4 年遭受特大水涝灾害. 而杭州市的沿山河流域是杭州西部的一条主要 河流， 其南侧是连绵的山脉， 北侧则是地势低洼的水网湿地。 近几十年随着杭州 西部住宅区的大面开发， 对流域景观结构和功能造成严重破坏， 导致诸多水环境 问题。 因此本文选择杭州市为研究对象并选择沿山河流域为研究区， 分析区域环 境原自 然状况下的水文平衡结构和水涝灾害、 水质净化等的关系。 为城市的开发 建设提供理论依据和参考。 浙江大学硕士学位论文 第二章 与流域水文环境相关的各学科及其进展 2 . 1系统科学 系统论的思想和系统分析技术虽然近半个多世纪才发展起来并上升为较为 完整的一门新学科， 其实它源于人类千百年来的社会和生产实践， 是人类认识世 界和改造世界的经验总结。 早在古希腊时代， 人们在观察事物的相互联系与组合 时就提出 过统一的物质本原的看法， 把自 然界当 作一个统一体， 提出整体、 组织 和秩序等概念。 经过十五世纪文艺复兴、 近代科学的逐步兴起， 及十九世纪产业 革命、自 然科学的巨大进步 ( 特别是能量守恒、细胞学和进化论的出 现) ，人们 对自 然过程相互联系的认识有了很大的提高。1 9 3 7 年奥地利理论生物学家贝达 朗菲把哲学中的协调、 联系、 秩序和目 的性等概念用于对有机体的研究上， 主张 把有机体作为一个整体或系统， 从生物和环境相互关系的观点来说明生命现象的 本质， 提出“ 一般系统论” 的思想， 其要点包括“ 整体性原则” 、 “ 动态结构原则” 、 “ 组织等级性原则 ”等。1 9 7 2 年，他发表了 一般系统论的历史和现状 ，试 图将系统论思想推广应用到其它方面， 提出一般系统论可以作为一个新的科学规 范， 内容包括三方面: 一是关于系统的科学和数学系统论， 即对各种不同的科学 系统进行理论研究和要求运用精确的数学语言加以描述; 二是系统技术， 即包括 系统工程、 系统分析方法在科学系统和社会系统中的应用; 三是系统哲学。 另一 方面， “ 系统工程学” 在人们在实际的生产与工程活动中逐步发展起来。 早在 1 9 1 1 年美国人泰勒在 科学管理原理 著作中， 总结并提出了具有现代含义的系统概 念。 二战中 产生的 运筹学 ( o p e r a t i o n a l r e s e a r c h ) ， 为系 统思 想的 定 量化建 立了 数 学理论与方法。 而电子计算机则为定量化系统方法的实际应用提供了强有力的工 具。6 0 年代起系统工程逐步形成一门 独立的工程技术.系统科学的发展，为流 域水环境研究的提供了 必要的理论基础。 系统是由 若干个相互区别、 相互依存、 相互联系与作用的要素( 或部分) 所组 成， 具有某种结构和特定功能， 处于一定的环境中，己 达到某种预定的目 标的有 机整体。 任何系统的整体( w h o l e ) 都是在一定结构基础上的整体， 系统的结构越严 密、 有序性越高， 整体性就越强。 整体性是系统的核心。 系统结构具有相对的稳 定性、 多层次性。 每个子系统不能离开这个整体而存在， 各个组织的功能和行为 浙江大学硕士学位论文 影响着整体的功能和行为， 这种影响不是单独的， 而是在其他要素的相互关联中 影响整体的。 系统的整体功能不等于各要素的功能之和， 而是强于它们的和。 12 3 1 而流域水文生态系统也是由若干个部分或要素， 以一定的结构相互联系而成 的有机整体， 各部分间相互联系、 相互影响， 参与流域整体的水文循环过程。 流 域系统示意图: 图2 . 1流域系统示意图 因此， 根据系统论的观点， 流域内只要有一个元素受到影响， 那么其它元素也 将被这些相互作用的关系牵涉进去。例如， 上游不恰当的输入也会引起洪涝灾 害。 互 2 . 2 城市生态学与城市水文学 2 . 2 . 1城市生态学 城市生态学是以生态学的概念、理论和方法研究城市生态系统的结构、功 能和行为的生态学分支学科。 生 态学 ( e c o l o g y ) 一 词 是德国 生 物学 家 赫 克尔 ( e m s t h a e c k e l) 于1 8 6 6 年 在 有 机体普通形态学 一书中首次提出的。 生态学是研究人类、 生物与环境之间复杂 关系的科学。1 9 3 5年英国 生物学家坦斯列( a . g . t i n s l e y ) 首次用“ 生态系统” ( e c o s y s t e m ) 一词。 他认为， 生态学不应该仅仅研究生物与环境的关系或环境对生 物的影响， 而应该研究生物群落与非生物环境所构成的整体， 这个整体就叫生态 系统。 1 9 4 2 年， 美国生 物学 家r 林德曼 ( r a y m o n d l i n d e m a n ) 发 表了 研究生 态系 统的 能量 流动和物质循环的 论文。 1 9 5 3 年， 美国 著名生 态学家 奥杜姆( e . p . o d u m ) 出版了 生态学基础一书，建立了较完整的生态理论体系。 他建议， 把 “ 生态 系统” 的概念从生物界推广到了人类社会， 他将生态系统定义为: 包括特定地段 中全部生物和物理环境相互作用的任何统一体，并将现代生态学定义为: “ 生态 浙江大学硕士学位论文 学是研究生态系统的结构和功能的科学” 。 城市生态学的思想自 城市问题一出现就有了。 比如1 6 世纪美国t h o m a s .mo r e 的 乌托邦 ， 1 8 9 8 年霍华德( e . h o w a r d ) 著述的 明日 的田园城市等著作， 都反映了当时人们对保护城市自 然生态环境的渴望和研究。 1 8世纪初由于工业的发展，人口的激增，城市环境不断恶化，开始出现了 一系列城市环境问题。p a r k 作为一个报社记者对城市问题更具一种天然敏感性。 他提出支配自然生物群落的某些规律也可以应用于城市人类社会。经过 b u r g e s s ( 1 9 2 5 ) ; g re s s e y ( 1 9 3 8 ) ; m c k e n z i e ( 1 9 2 9 ) 等人的补充与完善，形成了一套 城市与人类生态学研究的思想体系， 以城市为研究对象， 研究城市的集聚、 分散、 演替过程与调控机理，将城市视为一个有机体， 倡导创建了 城市生态学( u r b a n e c o lo g y ) . 1 4 1 城市生态学主要是研究城市居民与城市环境之间关系的科学。 城市生态系统 是由城市居民与其独特的城市环境共同形成。 城市环境由原生自 然环境条件及在 它基础上经过加工改造的人工物理环境条件共同复合而成， 受到自 然与社会环境 的相互作用。 城市中集中了大量的人口与频繁的经济活动， 对自 然的干扰尤为强 烈。 一旦使自 然生态环境发生根本的变化， 那么这种变化通常是不可逆的。 当某 个环节出现问 题， 整个系统就会失去平衡， 造成严重的环境问 题， 如水涝、 交通 阻塞、电力中断、 水源枯竭等。系统内通过物质流、能量流和信息流而发生相互 作用， 相互制约， 构成具有一定结构和功能的 有机整体2 5 1 。 本研究就用到生态学 的理念研究城市的水文生态系统。 随着1 9 9 5 年国际生态学会 “ 可持续城市” 系列研讨会、1 9 %年6 月土耳其 “ 联合国人居环境大会” 、1 9 9 7 年6 月莱比锡国际城市生态学术讨论会的召开， 可以 看出现在研究的目 标都逐渐集中在城市可持续发展的生态学基础上， 城市生 态学和城市生态环境学已成为城市可持续发展及制定2 1 世纪议程的科学基础。 2 . 2 ) 城市水文学 水文学研究地球上水体的存在、 循环、分布; 化学和物理性质及对包括有生 物的环境的反映。 远古以来，人类就已经在改变环境，因而也就改变水循环的陆 相为他们自己的目的服务。为了耕作， 清除了野生植物， 砍伐了森林， 疏干了沼 泽。 市镇及其基本建设在曾经是农业的区域建立起来了。 近年来， 对于改变土地 利用而产生影响的水文学受到普遍的关注， 随着城市化的不断发展引起了诸多水 1 2 浙江大学硕士学位论文 环境问题，导致了城市水文学的出现。 城市水文学研究受城市化影响的城市环境内外水文过程，具体研究城镇规 划、 排水系统设计、 城市防洪、水质、雨水管理等方面的水文问题，是一门新兴 水文分支学科。它针对城市 ( 人的活动强烈干扰自 然进程的区域) ，以较小的时 间与空间尺度来考虑城市所有的水文过程12 6 1 目 前，城市水文学领域最突出的研究目 标是城市m l- 洪研究，即城市暴水管 理系统的探讨。 城市暴雨管理的目 标在于减轻城市暴雨径流的量和质所产生的不 良后果。 根据城市水文学的观点， 城市水循环系统由自 然系统和人工循环利用系统 所组成。 其中， 人工循环系统由城市给水系统、 排水和处理系统组成。 在这一系 统的运行中， 除了有部分水量消耗外， 主要发生的是水质变化过程。 城市水环境 系统是整个流域的一部分， 参与整体的水文循环过程，是个复杂的、 开放的生态 系统，在水系循环的各个生态链上，任何一个环节发生问题都会引起生态失调。 而随着城市面积的扩展、 地表物理特性发生明显变化， 改变了水的自 然循环过程。 渗水和地下水的补给量减少， 地表形态和暴雨径流发生变化， 造成径流的高峰值、 大流量以及城市的污染物和泥沙的运输速度加速。 这样， 城市不仅影响了其范围 内 的 径流方式， 还影响到下 游整个 河流水系 本身 及周边地区。 2 7 1 由于人们己开始意识到上述事实， 在2 0 世纪7 0 年代， 暴雨管理中， 传统的 以排放为主的方法逐渐变成以滞留、调节雨水、补充地下水为中心的蓄水方式。 后来， 在 1 9 8 01 9 9 0 年期间， 人们发现雨水是一个重要的污染源， 暴雨管理的主 要目 标变成通过局部从源头加以控制、 流量削减以及在自然的或人工的生态系统 如塘、 湿地、 根系处理设施中处理污染物， 来保护自 然的水循环及生态系统。 人 们普遍接受了雨水应该在局部就地削减的观点。 新的方法以小尺度的、 对环境有 利的技术手段 ( 包括自 然的或人工的雨水处理生物系统) 为基础。 这些方法包括 各种类型的池塘、 植物过滤设施、 地表径流通过自 然 ( 或人工) 生态系统、 湿地、 根系系统、渗透设施，土壤过滤、透水沥青路面，以 及上述设施的很多组合。 目前的城市暴雨管理措施可大致分为工程措施和非工程措施， 如表2 .2 所示。 沟渠化就是较传统暴雨管理方法， 是把暴雨洪水集中在一处， 而平衡调蓄水池是 分散在整个的汇水面积上。 当城市化引起洪水的变化过大， 传统的沟渠化不能适 浙江大学硕士学位论文 用时， 可以考虑采用蓄水池及其它的措施。 调蓄水池是一项试图代替因城市化而 损失天然蓄水能力的措施。 蓄水池的主要作用是把入流量的洪峰降低并把径流量 作时间过程的再分配， 与之不同的雨水下渗是将雨水过程线的部分水量拦蓄于池 底下面的含水层内。 因而这样的设施限于池底部有比较好的透水层， 且地下水位 足够低的区域.具体论述见第六章。 表2 .2 城市暴雨管理的措施 工程性措施非工程措施 沟渠化、 平衡调蓄水池、 雨水回灌水池、 屋 面蓄水池、 透水路面 局部地形保护 分洪区 我国 在城市暴雨管理的方法论研究方面起步较晚。 从8 0 年代起， 人们逐步 意识到城市化进程加快会给社会带来的新问题， 开始注意开展这方面的研究与实 践。 但是， 我国至今还没有形成适应国情的规划、 设计的技术方法， 还没有能用 综合水环境科学， 特别是系统学、 景观生态学的理论把水资源保护、 供水、 排水、 城市防灾与流域景观自 然美学价值等问题综合起来进行分析研究。 这使得当前的 城市水文学家的工作必须与土地政策、 城市规划与景观规划、 发展控制、 房屋建 筑、经济、立法、教育以及社会认同和当地社区的参与密切的结合在一起。 互 2 3 相关的景观生态学理论及其在流域水文方面的应用 2 3 . 1景观的多种含义 “ 景观( l a n d s c a p e ) ” 一词最早出 现在希伯来文的 圣经 中， 用来描绘具有 所罗门王国教堂、 城堡和宫殿的耶路撒冷城的美丽景色。 其含义同汉语中的“ 风 景” 、 “ 景 致” 、 “ 景象” 等一 致， 等同 于英语中的“ s c e n e ry ， 都是 视觉美学意义 上的 概念2 8 1 。 这种针对美学风景的景观理解， 既是景观最朴素的含义， 也是后来 科学概念的来源。 随着景观理论的发展， 在 1 71 8 世纪， 一些景观地理学家将“ 景 观” 一词引入到了自 然科学领域， 景观的含义就是地形地貌的地理学意义， 如今， 作为多学科关注的一个大课题， 景观的含义也变得更加广泛与多样， 如:自 然科 学和社会科学、 人文科学、 景观建筑学和艺术等。由于不同的学科有自己的历史 传统和分析方法， 有各自 独立的研究体系， 研究景观问题时也有各自的兴趣和偏 好，因而也存在着对景观的不同理解: ( 一) 景观的地学意义: 景观的地学意义， 立足地理学， 强调景观的地貌属性， 认为: 景观是包括岩 1 4 浙江大学硕士学位论文 石、 表面沉积 物、 土壤、 植物和动物，以 及土 地形态本身在内 的 复杂体 ( m . f . t h o m a s , 2 0 0 1 ) 12 9 1 ; 景观是具有明 显 形态特征与 功能 联系的 地理实体， 其结 构与 功能具有相关性和地域性;景观既是生物的栖息地，更是人类的生存环境2 9 1 ( 二)景观的生态学含义: 2 0 世纪景观生态学的出现为景观概念注入了生态学含义， 极大地完善了景 观地学的理论， 即， 把景观看成由不同类型生态系统所组成的、 具有重复性格局 的异质性地理单元， 看作为生态系统能源变换和物质循环的载体; 强调景观构成 的元素组分、 空间形态格局、 及其景观尺度与生态学过程( 生物与其环境) 之间的 相互作用， 指出空间异质性、 等级结构和尺度在研究生态学格局和过程中的重要 性 3 0 1 而对于人类生态系统来说，景观是人类环境的一部分，视觉环境是人类从外 界获取信息的主要途径，日 本的景观工程学方面的学者筱原 修( 1 9 9 9 ) 认为: 景观是被眺望的对象物群体， 并由此使人类心理产生各种情感、 行为反应的现象 3 1 1 ，景观是存在于观察者眼中，而不是存在于物体本身，因 而， 真正意义上的景 观 应该从人的审美心理来定义，即: 景 观是指由 我们人 类( 景观主 体) 感受到的 空 间物质形态、 氛围的综合体。不仅包括地形、 植物、建筑等自 然的、人工的形态 物，同时也包括人类活动的内容与含义3 1 1 12 5 1 。因此， 景观具有自 然、生态的和文 化的多重价值，表现为综合性。 2 .3 .2 景观生态学及其相关理论 景观生态学的概念，主要由两种学科观点结合而产生的，一种是地理学的 景观，另一种是生物学的生态， 景观生态学是地理学、生态学以及系统论、 控制 论等多学科交叉、 渗透而形成的一门新的综合学科。 它主要研究人与景观客体之 间、 景观对象物与环境景观场之间关系的学科。 研究的中心是不同地域场所的景 观元素构成与功能特点， 景观动态变化以及相互作用的机理，研究景观的美化 格局、 优化结构、合理利用和保护。 它强调景观空间异质性的维持和发展，生态 系统之间的相互作用， 景观格局与生态过程的关系以及人类对景观及其组分的影 响。 它具有生态学理论的一切基本原理。 首先符合生态系统的动态平衡理论:当 外部环境条件 ( 因子)一定时，生物及其环境空间仅能保持一定的结构 ( 形态、 次序)与功能 ( 物质、能量的变换方式、生态特性、利用方式、容量限度等) ; 浙江大学硕士学位论文 一旦环境条件发生变化， 这种结构与功能就会改变。2 8 . 2 5 1 景观生态学研究的主要内容概括为三个方面: 景观结构、 功能及其变化。 景观 结构是指景观组成单元的类型、 多样性及其空间关系。 即指不同生态系统的大小、 形状、数量、 类型，它们的空间格局以及能量、 物质和生物体的空间分布。景观 功能指景观单元之间的相互作用。 这些作用主要体现在能量、 物质和生物有机体 在景观镶嵌体中的运动过程中。 景观变化是指随着时间的改变， 结构和功能之间 的 变更3 0 1景观结构与功能具有密不可分的关系， 不同结构决定不同功能， 随着 景观结构的演变将产生新的形态