（环境科学专业论文）上海市中心城区土地利用变化对径流的影响及其水环境效应研究.pdf

摘要 被覆盖的绿地持水能力强于裸地；绿地对c o d b 、n 、p 等化学污染物的削减作用强于裸地， 且其对c o d c r 的削减能力最为突出。 ( 4 )论文在以上研究的基础上，结合上海市中心城区的实际情况，提出了上海市土地可 持续利用途径和控制降雨产流及径流污染的措施。 关键词：土地利用变化；径流；s c s 模型；上海中心城区 a b s l l u 心 a b s t r a c t t h ep a p e rw a sb a s e do nt h ep r o j e c ts t a yo nt h ee 艉c to fr u n o s t o r a g ea n dp o l l u t i o n r e d u c t i o n0 2 u r b a ng r e e ns p a c ew h i c hw a ss p o n s o r e db ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o n o fs h a n g h a im u n i c i p a l i t y ( n o 0 4 d z l 2 0 2 4 ) t h ed a t ai nt h i sp a p e rw a sb a s e do nt h r e ew a y s ， i n c l u d i n gc o l l e c t i n gh i s t o r i c a ll i t e r a t u r e ，s e l e c t i n gt h ed a mf r o mr e l a t e dg o v e r n m e n to f f i c e s ，a n d f i e l dm o n i t o r i n g , e t c b o t hq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v em e t h o d sw e r eu s e dt oa n a l y z et h ei m p a c t s o f l a n du c h a n g eo i lr u n o f f a n dr e l e v a n ta n v i r o n m e n t a le f f e c t s o n t h e b a s i s o f b r i e f a n a l y s i s o n t h e l a n d u c h a n g e o v e r1 0 y e a r s ( 1 9 9 4 - 2 0 0 3 ) t h e p a p e r m o d e l e dt h eh y d r o l o g i c a lb e h a v i o r so f a s t u d ya r e a ( 4 8 k m 2 ) ，w h i c hw a sc o m p o s e do f 2 8d i s c r e t e s m a l lw a t e r s h e d sa l o n gt h es u z h o ur i v e r , t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no f t h es o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e c u r v e n u m b e r ( c n ) m e t h o d a c c o r d i n g t o t h er e s u l t s m o d i f i e d t h e s c s m o d e l a n de x t e n d e d l y a p p l i e dt oa s t i m a t et h ed i r e c tr u n o f fi ns h a n g h a ic e n t r a lc i t y t h ep o s s i b l ee f f e c t so fl a n du s e c h a n g eo nr u n o f f g e n e r a t i o na n dp o l l u t a n tl o a do f r a n o f f w e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sc a nb es u 蜘n 埔r i z e da st h ef o l l o w i n g ： a c c o r d i n gt ot h ec nt a b l e sg i v e ni nt h en a t i o n a le n g i n e e r i n gh a n db o o k - p a r t 6 3 0 t h e s u i t a b l ec nv a l u e sf o rs h a n g h a ic e n t r a lc i t yw e f ep r e l i m i n a r i l yd e t e r m i n e d i m p l e m e n t e dt h es c s m o d e lt ot w ol a n d - u s es c e n a r i o s ( 2 0 0 0 ，2 0 0 3 ) a n dc a l c u l a t e dt h er u n o f f y i e l do f t h es t u d ya r e a f o r4 5r a l n f a ue v t sa s s o c i a t e dw i t hd i f f e r e n ta m o u n to fp r e c i p i t a t i o n t h er e s u l t so fl o w e r a p p r o v e dr a t e ( 2 8 5 7 ) s h o w e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fs c sm o d e l i ns h a n g h a in e e d e ds o m e a m e n d m e n ln 始i n i t i a la b s t r a c t i o n ( i d - p o t e n t i a lm a x i m u mr e t e n t i o n ( s ) r e l a t i o ni nt h es c s m e t h o dw a sa s s u m e da si a = 娼a d j u s t e dt h exv a l u ei nr e s p o n s et ot h er a t i oo flt op ( t o t a l r a i n f a l l ) i n as p e c i f i c w a t e r s h e d t h e p i l o t c a l c u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e d 丸v a l u e so f a b o u t o 0 3 f o r a m ci 0 0 8f o ra m c a n d0 2 0 f o ra m c i l lw o u l db em o r ea p p r o p r i a t ef o ru s i n gi n d e t e r m i n a t i o n o f d i r e c tr u n o f f f r o m g i v e n r a l n f a u w i t ha h i g h e ra p p r o v e dr a t e ( 7 1 3 4 ) b a s e do nt h ec o n t r a d i s t i n c t i o no f l a n du s ea m o n g1 9 9 4 ，2 0 0 0a n d2 0 0 3 ，u s i n gt h ed a t ao f l a n d u s ea n dr a i n f a l le s t i m a t e dt h er u n o f f a m o u n t si nt h r e ea s s u m e d t y p i c a lh y d r o l o g i c a ly e a r st h r o u g h t h em o d i f i e ds c sm o d e l f r o m1 9 9 4t o2 0 0 3 ，l a n dn s ec h a n g ed u et ou r b a n i z a t i o nl e dt od e c r e a s e o f 0 0 4 7 4 o 0 5 2 2a n d0 0 3 9 9i nr u n o f f c o e f f i c i e n tu n d e rt h ea s s u m p t i o no f 9 0 0 r a m , 1 1 0 0 m ma n d 1 3 0 0 m ma n n u a lp r e c i p i t a t i o ni ns h a n g h a ic e n t r a lc i t y b e s i d e s ，t h ep o l l u t a n tl o a d i n ga m o u n t so f s u r f a c er u n o f fi n c r e a s e do b v i o u s t h cv a r i a n c eb o t l lo nr u n o f fc o e f f i c i e n ta n dt h ep o l l u t a n tl o a d a m o u n t sd e m o n s t r a t e dt h el a n du s cc h a n g eh a dc r u c i a li n f l u e n c eo nr u n o f f w i t ht h es a l n er a i n f a l l , t h ec o m p a r i s o no fr u n o f fp r o d u c i n gc a p a c i t yi nv a r i a n ti n t e n s i v eo f l a n du s cs h o w e dt h er a l n f a l l - r a n o f fr e l a t i o n s h i pw a sa f f e c t e db yt h ec h a n g eo fl a n du s ea n d u e a t m e n t p a t t i c u l a r l y ，t h eu r b a ng r e e ns p a c eh a ds t a n d o u tr e p r e s e n t a t i o no ns t o r i n gr u n o f fa n d p o s t p o n i n gt h er u n o f f p r o d u c i n gt i m e a b s t r a c t b yu s i n gt h el a b o r a t o r yr a i n f a l la n a l o gf a c i u t y , q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d0 1 1t h ed i f f e r e n c eo f w a t e th o j d m gc a p i t yb e t w e e ne x p o s e ds o i la n dc o v e r e ds o i lu n d e rt h r e eg i v e nr a i n f a l li n t e n s i t i e s a tt h em e a n t i m e ，t h ep o l l u t a n te n n c e n t r a t i o r eo f y i e l dw a t c tm l n 碰n gt h r o u g ht w os a m p l es o i l s w e r em e a s u r e da n dc o n t r a s t e d f m l y , t h ed i g i t a li n f o r m a t i o na p p r o v e dt h a tt h ec o v e r e ds o i lw a s b e t t e rt h a ne x p o s e ds o i lb o t he nh o l i n gw b l e ra n dr e d u c i n gp o l l m a n t s ，s u c ha sc o d ，t na n dt p i na c c o r d a n c ew i t ht h ec u r r e n ts i t u a t i o no fg e n e r a lp l a n s 衙t h eu t i l i z a t i o no fl a n d , u r b a n d i a l n a g e ，f l o o dp r e v e n t i o na n dn o n - p o i n tp o l l u t i o ni ns h a n g h a i ，t h ei n t e 删m a n a g e m e n tf o r l a n du s ew a sd i s c u s s e d0 1 1t h eb a s i so f t h ef o r e g o i n gs t u d y k e yw o r d s ：l a n du s ec h a n g e ；r u n o f f ；s c sm e t h o d ；s h a n g h a ic e n t r a lc i t y 图名目录 图1 - 1 图1 - 2 圈2 - 1 图2 - 2 图3 - 1 图3 - 2 图3 3 图3 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图4 - 1 图4 - 2 图4 _ 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 - 7 图4 - 8 径流形成的过程 本文的技术路线 图名目录 研究区域的地理位置 研究区域内各排水片编号及泵站位置 7 2 0 0 0 年和2 0 0 3 年研究区域土地利用分类图 模拟径流量1 与实际径流量的比较 1 3 1 6 实际径流量与降雨量的关系2 2 模拟径流量1 与降雨量的关系2 2 ，_ s 关系图( 引自n e h - 6 3 0 ，2 0 0 4 ) 模拟径流量2 与实际径流量的比较 模拟径流量2 与降雨量的关系 2 5 2 6 1 9 9 4 年、2 0 0 0 年和2 0 0 3 年中心城区土地利用分类图3 0 1 9 9 4 年和2 0 0 3 年中心城区各种土地利用方式的变化。3 4 枯、平、丰三典型水文年各种径流污染物的变化。 中央商务区、中山西和大渡河三排水片土地利用分类图 长白、控江和营口三排水片土地利用分类图 3 7 3 7 4 t 长白、控江和营口三泵站2 0 0 4 年7 月3 日降雨一径流过程4 2 入渗实验装置示意图 三种不同降雨强度1 小时内绿地与裸地持水量变化。 4 5 表名目录 表3 - 1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 - 5 表3 - 6 表3 - 7 表3 - 8 表3 - 9 表3 - 1 0 表3 - 1 1 表4 - 1 表4 _ 2 表4 3 表4 - 4 表4 5 表4 _ 6 表4 7 表4 8 表纠 表4 - 1 0 表4 - 1 1 袭4 _ 1 2 表4 - 1 3 表4 - 1 4 表4 - 1 5 附表l 附表2 附表3 附表4 附表5 表名目录 s o s 水文土壤组的划分标准 1 4 前期土壤湿度条件等级的划分标准1 5 2 0 0 0 年和2 0 0 3 年研究区域土地利用分类情况。 n r c s 提供的c h 值换算表 适合上海地区的洲值表 2 0 0 0 年研究区域2 8 个排水片的渊值( d 类土壤) 1 8 2 0 0 3 年研究区域2 8 个排水片的渊值( d 类土壤) 1 8 降水强度分级( m ) 模拟径流量1 与实际径流量比较结果 不同a i i c 等级下的i 的取值 模拟径流量2 与实际径流量比较结果 19 9 4 年、2 0 0 0 年和2 0 0 3 年中心城区土地利用类型数量变化2 9 1 9 9 4 年、2 0 0 0 年和2 0 0 3 年中心城区土地利用的动态变化。3 1 土地利用强度分级表 19 9 4 年，2 0 0 0 年和2 0 0 3 年中心城区设计年降雨量的年径流估算结果3 4 1 9 9 4 年，2 0 0 0 年和2 0 0 3 年土地利用功能区面积比较( h m 2 ) 3 5 中心城区不同功能区径流污染指标e m c 值( m g l ) 3 5 1 9 9 4 年、2 0 0 0 年和2 3 年中心城区径流污染物年负荷量估算值( t a ) 3 6 中央商务区、中山西和大渡河三排水片土地利用类型组成，3 8 中央商务区、中山西和大渡河三排水片产流模拟结果3 8 不同a n c 林家巷和华阳两排水片径流系数比较3 9 中央商务区、凯旋、大渡河和华师大四排水片产流模拟结果4 0 绿地面积与径流系数相关度排序 长白、控江和营口三排水片土地利用类型组成 三种降雨强度下绿地与裸地进水量与出水量比较 污水进出绿地与裸地前后各污染物浓度变化 研究区域内各个排水系统泵站概况：5 9 n r c s 提供的c n 值查算表 n r c s 提供的城市区域铡值表。6 2 2 0 0 0 年研究区域各排水片的土地利用分类情况 2 0 0 3 年研究区域各排水片的土地利用分类情况6 5 、，n i 学位论文独创性声明 本人所里交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明 确说明并表示谢意。 作者签名：邀日期： 学位论文使用授权声明 巫侈 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 锄勃 黼篮 嗍彬 囊许蕾太，2 0 0 7 届硕士学位论文上海市中心城区土地利用变化对径流的影响及其水环境效应研究 1 绪论 1 1 研究背景和意义 人类对自然环境的利用和改造直接表现为人类对土地的利用，不同的利用程度与方式必 然会对土地产生不同影响，进而对依附于土地的生态环境系统和水资源系统产生影响。土地 利用变化是全球环境变化的重要组成部分和主要原因，是研究全球环境变化与可持续发展问 题的核心内容。 土地利用变化对水循环、水分平衡及洪水的影响早已引起人们的注意。许多研究者都指 出：流域植被覆被变化对水文的影响因流域面积、气候和植被类型等因素的不同而有差异。 流域植被尤其是大面积森林的破坏，不但使汛期的流量增加，桔水期流量减少，径流极值发 生明显变化，而且造成严重的水土流失和水质下降。土地利用变化是水文水资源情势变化的 重要影响因素。土地利用变化大大改交了天然的水循环过程，影响地表水和地下水的水量水 质状况，影响了社会经济和生态环境质量。 城市兴建和发展后，城市气候和下垫面条件均发生明显的变化。由于城市人口、建筑物 以及工商企业的高度密集，使得城市化地区产生了独特的气候特征，城市气候的热岛效应、 城市地区雨岛效应明显反映出来。通常城市的降雨量比四周的郊区农村大，汛期的雷暴雨量 也增多。同时，由于城市的发展，大面积的天然植被和农业耕地被住宅、街道、公共服务设 施、工厂的厂房及商业占地等建筑物代替，下垫面的滞水性、渗透性等均发生明显的变化， 城市区降雨后，截留填洼，下渗的损失量很小，加之城市道路、边沟以及下水道系统的完善， 使城市集水区天然调蓄能力减弱，汇流速度明显加快，径流系数也明显增大，城市化所及地 区的产汇流过程发生显著变化。 我国城市化虽然起步很晚，但城市地域扩展的速度很快，有报道称：预计到2 0 5 0 年， 我国城市的城市化水平将达到7 0 以上。城市土地利用空间格局正处于急剧的重组过程之 中，大规模的城市扩展与大规模的内城更新改造齐头井迸。上海市经历了近十年的快速城市 化，其快速城市化过程为相关研究提供了良好的研究素材。通过对城市土地利用转变类型及 城市土地利用形成的过程和机制的分析，可以直观地分析，追踪城市形态建成过程以及城市 扩展空间特征。土地利用所引起的流域下垫面变化势必会带来诸多对生态环境的影响。尤其 是改变径流产汇流条件，严重影响洪涝灾害的致灾过程。 上海城市地区在每年的梅雨季节和台风侵袭时期都会受到不同程度的影响。1 9 9 9 年上 海百年未遇的特大梅雨，大大超过上海部分地区防洪、除涝能力。市区累计积水路段2 2 0 条段，全市累计受淹农田8 4 5 万公顷，全市累计经济损失达8 7 0 5 亿元。2 0 0 5 年的“麦莎” 台风使上海市出现了台风、暴雨、高潮和局部洪水碰头”的局面。8 1 0 级的大风伴随着暴 雨，黄浦江水位全面超过警戒线。市区2 0 0 余条马路积水，郊区5 5 8 万公顷( 8 3 7 6 万亩) 农田受灾，7 5 3 条1 万伏以上高压线受损，全市倒伏树木5 2 万棵，直接经济损失1 3 5 8 亿元。 t 讳麓太2 0 0 7 届硕士学位论文上海市中心城区土地利用变化对径流的影响及其水环境效应研究 另外，上海市大中小河道存在严重的黑臭现象，氨氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量和化 学需氧量等污染指标常年超标。2 0 0 2 年开始，全市1 6 条骨干河道水质劣v 类水的一直保持 在4 0 以上。所以，研究上海市区土地利用变化对地表产流和径流污染的影响对防洪、减 污工作都具有十分重要的意义。 1 2 国内外相关研究综述 1 2 1 土地利用变化的水环境效应 土地利用变化影响到水、土、气、生物间物质能量的迁移和转化。土地利用变化的重要 环境效应是以水文效应的形式出现的，而土地利用变化对水文过程的影响主要表现在对水质 和水量两方面的影响上。土地利用方式及其程度的改变和土地覆被的变化，会增加营养盐、 重金属及悬浮物的入河通量，造成水体富营养化和水污染。王和意等( 2 0 0 5 ) 对上海中心城 区暴雨径流中营养盐和重金属负荷在不同功能区分布差异进行了有益的探讨。 土地覆盖对水质的影响主要包括点源和非点源污染的研究，尤其是农业用地强度增加产 生的非点源后果是近年来国外研究的重点( 于兴修等，2 0 0 4 ；e k h o l me ta l ，2 0 0 0 ) 。国内 的研究主要在非点源发生机理( 梁涛等，2 0 0 2 ) 及其污染负荷总量的估算( 张大弟，1 9 9 7 ： 郑一。2 0 0 2 , 卓幕宁，2 0 0 3 ) 方面进行了大量研究。 同样，土地利用的变化对水分循环的影响非常明显。例如，森林的砍伐可能会增加下游 洪水泛滥的频率和强度( r i c h e ye ta 1 ，1 9 8 9 ) , 草地的过牧和不适当管理可能弓l 起植被减少 和土壤板结，地下水补给减少导致河流补给缺乏，并使得区域气候干旱( 郭旭东等，1 9 9 9 ) ： 城市化的发展，不仅会导致河网水系的缩减，嚣水量激增，引发河流断流、海水入侵、土壤 盐溃化等一系列生态问题。 1 2 2 城市化的水文效应 联合国教科文组织( u n e s c o ，1 9 7 4 ) 对城市化的水文效应进行出色的论述，包括如下 方面：需水量增大，通常倒过可以锝到的自然资源；废水增加，加重河流湖泊的负担， 并危害生态；洪峰流量增大；下渗减小；地下水应用增加，对农业和林业产生不利影 响，减小了河流的基流，加剧污染问题；局部微气候变化；城市化使各种废物增加，减 小了废物处理空间，使水质问题更加复杂。 1 2 2 1 城市化对降雨的影响 城市径流的形成与降雨条件有着十分密切的关系，随着城市化程度的提高，城市下垫面 发生改变，影响城市气候，造成城市降雨量、降雨强度变化，对城市降雨径流产生影响。城 市化过程中，大量人口向城市聚居，工业、商业迅速发展，污尘排放量显著增加，城市上空 的灰尘成为降雨的催化剂，同时使城市温度明显提高，产生“雨岛效应”和“热岛效应”， 造成市区降雨量增加。 2 囊讳蓖太晕2 0 0 7 届硬士学位论文上海市中心城区土地刺用变化对径漉的影响& - g 水环境效应研究 美国v u a yp - s i n g h 教授认为：城市化过程造成城市相对于农村而言雨量增多5 1 0 ， 而2 英寸以上降雨日数则增多1 0 。另外，有研究者对上海1 9 8 4 年1 9 8 8 年。上海市水文 总站在老市区( 不含宝山、闵行区) 1 4 9 k i n 2 内设置的1 3 个雨量点和原有分布在郊县的5 5 个雨量站进行平行观测，以研究城市化对上海市区降雨的影响程度和范围。研究表明：市 区降雨量大雨郊区降雨量，平均增加雨量为6 ；市区和其下风向的降水强度比郊区大； 降水时空分布趋势明显，降水以市区为中心向外依次减小；城市化使得城市暴雨雨日增 多。 1 2 2 2 城市化对径流水量的影响 国内外一些研究者对城市化带来的产汇流条件的改变和径流变化作了研究。e s p e y 等 ( 1 9 6 5 ) 研究结果表明：城市化后暴雨径流的洪峰流量可为城市化前的3 倍，取决于河道整 治情况、不透水地面的比重、河道植被及排水设施等。城市化后由于河道漫滩被占用。过水 断面减少，因而洪水频率也随之增加。与此同时，由于雨水下渗逐渐减少，从而导致河流枯 季的基流也相应减少。从目前的研究看来，由于研究者研究的水文地区不同以及研究中采用 方法的不同，相同降雨条件下，城市化引发的径流增加量并不统一。尽管如此，城市化导致 洪峰流量及径流总量的增加这一结论是被确认的，许多研究者都通过自己的研究证实了这一 结论。e s p e y 等( 1 9 6 5 ) 和b e s t o n ( 1 9 7 6 ) 对美国t e n n e s s e e 州k n o x v i l e 地区4 个流域( 面 积为0 6 2 2 1 2 k m 2 ) 的研究认为不透水面积可视为城市化指标。v a ns i c k l e ( 1 9 6 2 ) 对美国 t e x a s 州h o u s t o n 城市流域的研究中指出该流域由于城市化减少的滞时达9 0 。w i i t a l a ( 1 9 6 1 ) 评价了密歇根州的r e d r u n 流域城市化对平均年洪水的影响，指出大小相当的区域，城市化 可使平均年洪水翻番。 1 2 2 3 城市化对径流水质的影响 城市径流中污染物组分及浓度随城市化程度、土地利用类型、交通量、人口密度和空气 污染程度而变化。一般雨水径流中的污染物来自三个方面：降水、土地表面和下水道系统。 其中污染物大概可分为下面几大类：固体悬浮物、好氧物质、重金属、富营养化物质( 如氮， 磷) 、细菌和病毒、油脂类物质、酸类物质、有毒有机物( 除草剂等) 和腐殖质。美国及荷 兰的研究结果认为城市地表径流中污染物，s s 、重金属及碳氢化合物的浓度在数量级上与 未经处理的城市污水基本相同，而c o d 和b o d 要比未经处理的城市污水低。因此，雨水 径流污染这一非点源污染已成为城市水环境污染主要因素之一( h e a n e y ，h u b e e r ，1 9 8 4 ) 。 城市化对水质有多方面的影响，不仅改变河流情态而影响淋溶、冲洗、侵蚀，同时也改 变雨水质量、居住、工业及商业区的贡献。除此之外，b e s t o n ( 1 9 7 6 ) 发现城市化引发的大 气问题也是许多水质问题的主要根源。 综上，城市化带来的城市降雨量、降雨强度、汇流条件、径流水质等变化，导致城市水 文生态失去平衡，使得城市建设的防洪抗涝压力剧增，城市的基础设施投资增大，排水工程 运行费用增加。同时，雨水资源大量流失，地下水得不到有效补充，引发地面下沉等地质灾 3 摹囊拜花太2 0 0 7 届硕士学位论文上海市中心城区土地利用变化对径流的影响厦其水环境效应研完 害。降雨径流携带的污染物质快速汇入城市河道，也成为上海城市河道富营养化及黑臭污染 的重要因素之一。 1 2 3s c s 模型的发展和应用 本文采用的s c s 模型是2 0 世纪5 0 年代初美国农业部水土保持局( s o i lc o n s e r v a t i o n s e r v i c e ，现为n a t u _ n dr e s o u r c e sc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ，缩写为n r c s ) 根据美国强烈的地带 性气候特征和明显的农业区划所研制的小流域设计洪水模型。1 9 5 4 年国家工程手册 ( n a t i o n a l e n g i n e e r i n g h a n d b o o k ) 介绍了这种模型，并历经多次修订( n e h - 4 ，1 9 5 6 ，1 9 6 4 ， 1 9 7 1 ，1 9 8 5 ；n e h - 6 3 0 ，2 0 0 4 ) 。s c s 模型的设计初衷是在水土保持工作中估算径流，发展 至今，s c s 模型也适用于城市化地区和各种植被覆盖的流域( u s d a ，1 9 8 6 ) ，并成为多种 复杂模型的重要组成部分。比如，s w r r b ( w i l l i a m se ta 1 1 9 8 5 ) 、p e r f e c t ( l i t t l e b o ye 1a 1 ， 1 9 9 2 ) 、o p u s ( s m i t h ，1 9 9 2 ) ，等。7 0 年代中期到8 0 年代后期，在水文模型的应用和改进 阶段，s c s 模型改进成s c s t r - 2 0 模型和s c s t r - 5 0 模型( 胡春歧，2 0 0 4 ) ，并在此基础上 发展出水文软件w m t r - 5 5 、w i n t r _ 2 0 ( u s d a ，2 0 0 3 ) 。 s c s 模型是目前应用比较广泛的一种用于计算农业流域、森林和城市地区地表径流的方 法。一般来说，s c s - c n 法在农业流域、牧区效果最好，最差的是森林流域。它不太适用与 岩溶地区( h a w k i n s1 9 8 4 ) 。s c s - c n 法主要依赖于流域产流特性，即土壤类型、土地覆盖 类型、耕作方式和前期湿润程度( p o n c e ，h a w k i n s ，1 9 9 6 ；m i s h r a ，e ta 1 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 。 p o n c ea n d h a w k i n s ( 1 9 9 6 ) 通过验证对s c s 模型的能力、局限和用途等做了总结，g r o v ee t a 1 ( 1 9 9 8 ) 和m o g l e n ( 2 0 0 0 ) 探讨c n 值空间易变性对径流计算的影响。但是由于s c s 模 型参数简单、数据易得的特性，得g 广泛的普及和多年的应用。 我国关于s c s 模型的研究和应用始于2 0 世纪8 0 年代，2 0 多年的研究重要集中在以下 几个方面：s c s 模型应用于各类典型小流域并对其产流计算，多集中于小流域( 沈健聪， 1 9 8 7 ；穆宏强，1 9 9 2 ) ，干旱半干旱地区( 孙三祥。1 9 9 3 ；徐秋宁，2 0 0 2 ；罗利芳，2 0 0 2 , 晋华，2 0 0 3 ) ，黄土高原地区( 刘贤赵，2 0 0 4 , 王兴鹏，2 0 0 5 ) ；将s c s 模型应用于城市 水文相关计算( 史培军、袁艺，2 0 0 1 ；卓幕宁，2 0 0 3 ) ；利用地理信息系统和a r c g i s 相关 软件。将遥感资料应用于s c s 模型( 张建云。1 9 9 8 ：谢华，2 0 0 5 许彦，2 0 0 6 ) ；其他应 用。张秀英( 2 0 0 3 ) 利用定西安家沟流域小区1 9 8 6 1 9 8 8 年的降雨径流观测数据反算c n ， 在统计软件s p s s 下利用逐步回归和曲线模拟函数模拟，得出不同土地利用方式下c n 值和 相应的模拟曲线；魏文秋( 1 9 9 2 ) 分析了将s c s 模型直接用于我国误差较大的原因并提出 了改进方法，并使用混台聚类法对土壤进行分类：王宏( 1 9 9 5 ) 利用s c s 模型对葫芦河流 域进行削洪减沙效益计算并对结果进行验证。 i n n e s ( 1 9 8 0 ) 用1 0 3 场降雨模型资料比较了h o r t o n 模型、g r e e n - a m p t 模型、p h i l i p 两 项模型、m e i n - l a r s o n 模型和s c s 模型：s c s 模型对干旱土壤结果较好，对湿润土壤结果不 理想。柴晓玲( 2 0 0 5 ) 对两种气候1 2 个无资料水文地区的模拟计算结果表明，s c s 模型用 于缺乏资料流域径流模拟精度较低，尤其是湿润地区。从而说明在无资料或者缺乏资料地区， 4 t 姊缸太2 0 0 7 届硕士学位论文上海市中心城区- + - 蚴1 用变化对径流的影响爰其水环境效应研究 参数较少的模型比复杂模型具有更大的适用性，但并不是参数越少越好。彭定志( 2 0 0 5 ) 在 水文模型与洪灾监测评估系统的研究中，比较1 5 参数的新安江模型、6 参数的i h a c r e s 模型和4 参数的改进后s c s 模型，认为在牧马河、株树桥和白云山流域( 湿润地区) 三个 模型的检验效果并无绝对的优劣之分。 张大弟等( 1 9 9 7 ) 在上海农学院校园、罗南、扬行等地区作过试验，相对误差为1 9 7 1 5 4 ；通过对香花桥径流实验小区1 9 9 4 年8 次实验资料分析，相对误差为0 3 3 0 1 。 贺宝根( 2 0 0 1 ) 对上海郊区农田非点源污染研究中认为s c s 法进行适当的修正后是可以适 用于与上海郊区具有类似气候、土壤和土地利用条件下的长江三角洲农业地区。 国内的研究对注重对s c s 模型中几个经验公式的修正，而国外近年的很多研究偏重c n 值确定的方法，对水文土壤组和前期湿度的划分傲了进一步的细化和数据补充。p r i c e ( 1 9 9 8 ) 认为对于相同土地覆盖情况的不同区域，应该有各自的c n 值，而且现在已经有反映季节湿 度变化或者阔叶林落叶阶段的林地c n 值。 1 3 土地利用与径流形成过程 径流形成过程是指从降雨到水流汇集到出口断面的整个物理过程，这个复杂的过程可以 概括为降雨、蓄渗、坡地汇流和河网汇流四个过程。 降雨开始后，地表径流产生前的过程是流域蓄渗过程，包括植物截留、填洼、雨期蒸发 和土壤下渗。在城市地区，植物截留和填洼的雨量比较少，雨期蒸发可以忽略不计，所以， 土壤下渗是前期损失的主要部分。当雨强大于下渗强度时，开始坡面漫流，这个过程中形成 壤中流和基流。坡地上各种径流注入河网后，沿河槽下泻称河网汇流过程。漫流停止后，河 槽蓄水慢慢流出，河槽对径流产生调节作用称为河槽调蓄。径流形成过程可以简化为图1 - 1 。 图卜1 径流形成的过程 降雨、蓄渗、坡地汇流和河网汇流这四个过程也可以分为产流和汇流两个过程。产流过 囊荸苑土夸2 0 0 7 届硕士学位论文上海市中心城区土地利用变化时径漉的影响及其水环境效应研究 程包括降雨、流域蓄渗和产生坡地水流的过程，汇流过程包括坡地汇流和河网汇流。 超渗产流主要发生在地下水埋藏深、包气带厚度足够大、土壤渗透性差、植被覆盖较差 的丘陵或干旱地区。由于土壤含水量通常比较低，一般的降雨情况下，下渗湿润锋面范围很 小达不到整个包气带的厚度。超渗产流的特点是降雨强度大于下渗强度时才会产生地表 径流，径流量与产流面积主要与降雨强度和下渗能力有关。 蓄满产流是雨量补足包气带缺水量后，全部形成径流。蓄满产流多发生在包气带比较薄、 植被覆盖较好、土壤透水性强、下渗强度大的湿润地区。土壤湿润，包气带很容易达饱和， 下渗趋于稳定，稳定下渗的水量产生地下径流补给给河流，降雨强度超过下渗强度部分的水 量产生地表径流。对于一个特定的流域，包气带的最大蓄水量基本保持不变。因此，蓄满产 流的特点是次降雨与总径流的关系不受雨强的影响，与次降雨量、蒸散发量和初始土壤含水 量有关。上海地区的产流机制主要属于蓄满产流。当然也会有两种产流方式交替出现的情况。 本文是在流域为蓄满产流的机制上展开的，即降雨落到地表，除了填洼和植被截流的部分， 雨水入渗到土壤，包气带达饱和状态，流域达到最大蓄水量，随着降雨的继续，全部形成径 流。 由图1 1 可以看出。土地利用的方式，如植被、不透水面、洼地等，对径流形成的各个 阶段都有一定的影响，从而影响到整个产流过程，甚至是洪灾系统。地表的地形条件、土壤 条件、植被条件、不透水面积等因素影响到蓄渗和坡面漫流两个过程，决定了形成径流量的 大小和时空分布。降雨量形成径流量的多少由蓄渗和漫流这两个过程决定，也是洪水是否形 成的关键所在。而河流两侧河漫滩，河流阶地的土地利用情况影响了河网汇流的速度和时间 分配，也间接影响了洪水是否能够形成。洪泛区的土地利用情况则影响了洪水在洪泛区的泛 滥过程。本文主要讨论靖e 域的产流过程， 1 4 研究内容、目标和技术路线 本文在对上海市中心城区近十年土地利用变化及其驱动力研究的基础上。利用现有土地 利用资料和排水降雨数据，选择流域水文模型s c s 模型对上海市中心城区部分排水区域 进行降雨径流过程的模拟。分析城市化过程中，土地利用类型的变化对城市地表径流及降 雨入渗的影响，探讨由此产生的水环境效应。通过对土地利用变化及其水环境效应的分析， 突出土地资源合理利用的重要性，寻求城市土地资源的可持续利用的途径。可以为政府部门 协调土地利用与经济和城市化发展的关系，为区域资源、经济和环境协调发展提供决策依据。 研究土地利用变化对流域径流过程的影响，获取流域下垫面数据以及水文、气象数据是 论文研究的基础。本文采用上海市1 9 9 4 年、2 0 0 0 年和2 0 0 3 年土地利用解译资料为基本信 息源得到的不同年份土地利用分类结果，作为土地利用变化的基础数据，以此简要分析快速 城市化过程中上海市土地利用状况。由于水文、气象数据比较缺乏，不宜使用一般的水文方 法对流域径流过程进行模拟。更重要的是，土地利用数据是遥感数据处理得到的结果，因此 选择分布式水文模型进行径流过程的模拟是适合本项研究的一种可行方法。s c s 模型是一种 6 囊师花太謦2 0 0 7 届硕士学位论文上海市中心城区土地利用变化对径流的影响及其水环境效应研究 适用于缺乏资料地区水文模拟分布式水文模型，但是由于其具有区域性，需要对s c s 模型 进行适当的修正以符合上海城市地区的实际情况，提高模型精度也是本文的主要工作之一。 与此同时，开展系列室内、野外实验，对确定上海城市地区的土壤类型、流域最大滞水量等 提供判断依据。 本文的研究目标是： ( 1 ) s c s 模型的检验与修正 ( 2 ) 土地利用变化的水环境效应研究 分析土地利用变化对径流水量的影响 分析土地利用变化对径流水质的影响 分析下垫面条件对入渗水量的影响 分析下垫面条件对入渗水质的影响 ( 3 ) 城市土地利用合理利用途径和控制径流及径流污染的措施 本文的技术路线如图1 - 2 ： 论支框架 ， ， ( 阵雨捧水教据o ( 土地利用矢量数据0 i 自降雨 ， 0 、， 0 、 攥拟实验 阿鐾 研究中心 区域城区 样地，绿地和檩地 土地土地 利用利用 k ：= 硐 信且信皇 l 一 、二丁j 入 、+ j = 、。、 入漕 洛辑 s c s 模型在上海中心城区的应用 样地 地承 水质 量浓 变度 f 窆1 1 人工绿地调蓄能力分析： i l 窆h 。 化变 的化 i 较i u 埠地比重对产毹的影响il i 轻iu 1 9 鲥年与2 0 0 3 年年 比 的 较比 u1 绿地对径漉的延时敏应1 l l jf 柱厦挥难负荷比敉 较 1 l 土地利用变化对径流的影响 l 下垫面条件对入渗的影响l 城市土地利用变化的水文效应 】城市土地可持续利用途径和管理策略 l 控制径流及径流污染的措捷 j 政簟层面li 技术层面 l 完善掉柬系统1i 雨水簧镡化l _ 图1 - 2 本文的技术路线 7 毫杆藐太2 0 0 7 届硕士学位论文上海市中心城区土地利用变化对径流的影