（环境科学专业论文）上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c eu r b a n i z a t i o ni ss p e e d i n gu pr e c e n t l y , m o s tp a r t so fu n d e r l y i n gs u r f a c eb e c o m ei m p e r v i o u s s u r f a c e ( r o a ds u r f a c e ，h o u s er o o o ，m e a n w h i l et h em a i n l yp e r v i o u ss f k 宁1 l r b a ng r e e nl a n d r e d u c ec o n t i n u o u s l y , w h i c hm a k eh u g ec h a n g e sf o ru r b a nw a t e rc y c l ea n dl e a dt ob i g g e rr i s ko f u r b a nf l o o dd i s a s t e r a tt h es a q l et i m e ，v e g e t a t i o na n ds o i lo fu r b a ng r e e nl a n ds y s t e ma r e d i s t u r b e db yh u m a n b e i n g ，w h i c hw i l lr e d u c et h ea m o u n to fw a t e rf r o mp l a n ti n t e r c e p t i o na n ds o i l i n f i l t r a t i o n t h ef m a lr e s u l ti sc h a n g e so f r u n o f fa m o u n ta n df l o o dp e a kt i m ea n dh i g hf r e q u e n c y o fu r b a nr a i n s t o r mw a t e r l o g g i n g i no r d e rt od e a l 研也u r b a nr a i n w a t e rr u n o f fp r o b l e mc a u s e db yt h ec h a n g eo fl a n du s e ，a n dt o r e l i e fp r e s s u r eo fu r b a nd r a i n a g es y s t e m ，t h ep r i m a r ym e t h o di st oa d dr a i n w a t e rd r a i n a g e e s t a b l i s h m e n t , e n l a r g ed r a i n p i p ed i m e n s i o n , i n c r e a s eq u a n t i t yo fp u m p i n gs t a t i o n , e n h a n c ei t s d r a i n a g ea b i l i t ya n de n l a r g ei t ss e r v i s ea r e a t h ep u r p o s eo ft h i sm e t h o di st oi m p r o v et h ew h o l e r a i n w a t e rd r a i n a g ea b i l i t ya n da v o i df l o o dd i s a s t e r h o w e v e r , f r o mt h ev i e wo fe c o l o g i c a lc i t y , t r a d i t i o n a ld r a i n a g es y s t e mc a n n o ts o l v et h ep r o b l e mi n d e e d ，i t sm a n yd i s a d v a n t a g e sa p p e a r g r a d u a l l y 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 m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g ： 1 ) b a s e do nd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h e s ，d a t ao fl a n du s ea n dr a i nr u n o f fi ns r m g l l a i c e n t r a la r e a , t o g e t h e rw i t ho t h e ri n f o r m a t i o no fu r b a nr a i n s t o r mw a t e r l o g g i n ga n ds t a t u so f m u n i c i p a ld r a i n a g es y s t e mc o n s t r u c t i o n , t h er e s u l tc a nb ec o n c l u d e dt h a tl a n du s ef r o m u r b a n i z a t i o nh a sc e r t a i ni m p a c ti nr a i nr u n o f f 2 ) d i s c u s sr e s e a r c h i n gs t a t u so fs c sm o d e 卜- b r o u g h tf r o mn a t u r a lr e s o u r c e sc o n s e r v a t i o n s e r v i c e ，a n dm o d i f yt h i sm o d e ld e p e n d e do na c t u a ld a t ao fs h a n g h a ic e n t r a la r e a , i t sr e s u l ti s t h es i m u l a t e dp r e c i s i o nh a se v 2 姗c e dg r e a t l y , i nw h i c ht h ec o r r e c ta m o u n to fr a i ne v e n t s i n c r e a s e df r o m2 8 t 06 3 9 w i t hr e l a t i v ee r r o rl e s st h a n1 0 3 ) u s i n gm o d i f i e ds c sm o d e la n ds c e n a r i o sa n a l y s i sm e t h o dv i as e t t i n gd i f f e r e n tu n d e r l y i n g s u r f a c ea n dd i f f e r e n tr a i nf o r c e ，c a l c u l a t et h es i m u l a t e dr a i nr u n o f fa n dr u n o f ft o e 伍c i e n t , t h e n a n a l y s ea n do b t a i nt h eb e t t e rl a n du s et y i s 4 ) b a s e do nt h ef o r m e rc o n c l u s i o n , b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo fs h a n g h a ic e n t r a la r e a , b e t t e r p e r c e n ta n dl a y o u to fi m p e r v i o u ss u r f a c ew i l lb eb r o u g h to u lm e a s u r e so ne c o l o g i c a ld r a i n a g e s y s t e mc o n s t r u c t i o na n di n s t r m n e n t so nu r b a nr a i n s t o r mw a t e r l o g g i n gw i l lb ep r o d u c e d 弱 w e l l ，w h i c hc o u l dg i v es o m ea d v i c ea n ds u g g e s t i o n st ol a n du s ep l a na n dg r e e nl a n dp l a ni n t h ef u t u r e k e yw o r d s ：l a n d u s ec h a n g e ；r u n o f f ；s c sm e t h o d ；h i g hu r b a n i z a t i o na r e a ；s h a n g h a i 图名目录 图名目录 图1 1 技术路线4 图2 1 城市化的水文效应6 图2 2 丹麦典型的家庭雨水收集装置1 2 图2 3 德国典型的土壤过滤系统1 7 图3 1 华东师范大学内采样点位置图2 2 图3 2 绿地与裸土土壤含水率关系图2 3 图3 3 样地a 与样地b 、c 土壤含水率关系图2 4 图3 4 各类型绿地壤含水率监测值2 5 图3 5 实验装置图2 7 图3 6 不同降雨强度的绿地滞水量图3 7 不同降雨强度的裸土滞水量2 9 图3 8 滞水量与时间关系图( 一年一遇) 图3 9 滞水量与时间关系图( 三年一遇) 3 0 图3 1 0 滞水量与时间关系图( 五年一遇) 3 0 图3 1 1 绿地和裸土渗出水量和滞水量百分比图。3 1 图3 1 2 研究区域的地理位置3 5 图3 1 3 研究区域各排水系统编号和排水泵站的位置。3 6 图3 1 4 不透水面积及其比例的变化情况3 8 图4 1 模拟径流量1 和实际径流量的比较4 9 图4 2 实际径流量、模拟径流量1 和模拟径流量2 比较5 0 图4 3 相对误差1 和相对误差2 比较5 0 图4 4 降雨量与实际径流量、模拟径流量2 的关系5 0 图4 5a m ci 、a m ci i 和a m ci i i 条件下径流系数比较5 4 v 表名目录 表名目录 。 表3 1 各样地的基本情况2 2 表3 2 各样地土壤含水率统计值2 3 表3 3 四场降雨前后各样地土壤含水率统计值2 6 表3 4 降雨强度与重现期的关系2 8 表3 5 各年代泵站数及排水能力3 4 表3 6 上海城市排水各时期投资情况( 亿元) 3 4 表3 7 上海市中心城区2 0 0 0 、2 0 0 3 和2 0 0 6 年土地利用情况3 7 表3 8 上海市近年来汛期灾情统计表3 9 表3 9 降雨强度分级表( r a m ) 3 9 表3 - 1 02 0 0 0 年和2 0 0 6 年单场降雨径流系数比较4 0 表4 1s c s 水文土壤组的划分标准4 6 表4 2 前期土壤湿度条件等级的划分标准4 6 表4 3 不同土地利用类型的c n 值表( d 类土壤，a m ci i ) 4 7 表4 4 适合上海地区的c n 值表。4 7 表4 52 0 0 0 、2 0 0 3 和2 0 0 6 年研究区域c n 值表4 8 表4 6 修正后的初损情况4 9 表4 7 模拟径流量l 和模拟径流量2 的结果比较5 1 表4 8 幕景条件下的土地利用情况及径流估算值5 2 表4 92 0 0 0 、2 0 0 3 和2 0 0 6 及土地幕景条件下中心城区设计雨量的产流能力比较5 3 附表1 研究区域内各个排水系统泵站概况6 9 附表3n r c s 提供的城市区域c n 值表7 1 附表42 0 0 0 年研究区域各排水片的土地利用分类情况7 2 附表52 0 0 3 年研究区域各排水片的土地利用分类情况7 4 附表62 0 0 6 年研究区域各排水片的土地利用分类情况7 6 v i 学位论文独创性声明 本人所呈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：盘塾日期：让墨：生 学位论文使用授权声明 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：砸乡 导师签名：如吵 年辱师籀太季2 0 0 8 届硕士学位论文 上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 1 绪论 1 1 研究背景 近年来，随着城市化进程的不断加快，人为造成的土地利用变化，使得城市 水文循环发生剧烈的变化，导致城市中洪涝灾害风险不断增加( g i o r g i oc a m o r a n i ， 2 0 0 5 ) 。城市土地利用的改变，主要体现在相当部分的下垫面变为不透水地面( 路 面、屋面) ( 冉茂玉，2 0 0 0 ) ，主要透水下垫面城市绿地系统不断减少，造成了城 市雨岛效应( 周丽英，2 0 0 1 ；刘秋锋，2 0 0 5 ) ，即城市地区的降雨量大于城郊地 区，这就增加了市区暴雨出现的频率和强度。同时由于城市绿地系统的植被、土 壤均受到不同程度的人为干扰，这就使得产流过程中植物截留、土壤的下渗等的 水量减少，造成的最终结果就是径流量和洪峰到来的时间均发生了改变，极易出 现城市暴雨积水( p - e o c o n n e l l ，2 0 0 3 ) 。 为了解决由于土地利用变化所引起的城市雨水径流问题，缓解城市排水系统 的压力，目前最主要采用的方法是增加铺设雨水排放基础设施，扩大排水管径， 增加泵站的数量以及提升原有泵站的排水能力和服务面积，提高整个城市的雨水 输出能力，尽可能避免洪水的产生。然而，从建设生态城市的角度而言，这种传 统的雨水排放系统并不能真正地解决这个问题，其诸多弊端也会逐渐显现。雨水 的快速强排使得地表下渗水量减少，地下水得不到及时补充，甚至可能造成地面 沉降等生态环境问题( 王紫雯，2 0 0 3 ) 。因此，单一地依靠扩大现有城市雨水管 网系统的能力，不仅需要财政投入巨大资金，也会导致城市自然的水循环受到破 坏，并强烈地干扰了城市原有的水环境。更重要的是这并不是解决城市暴雨洪灾 和积水问题的唯一办法。近年来，随着科学技术的发展，人们利用航片解译资料 发现由于人类活动引起的土地利用变化对城市的排水发挥着一定的重要作用，进 一步提出在扩大城市排水管网的基础上辅助于城市土地利用在排水方面的作用， 建立一种新型的城市生态排水系统，使城市水循环能达到真正意义上的平衡。同 时，对城市中唯一渗透下垫面城市绿地的研究也逐渐进入人们的研究领域， 其中利用城市绿地系统的调蓄能力来缓解雨水径流的问题，已经引起人们的重视 ( 欧岚，2 0 0 1 ；叶水根，2 0 0 1 ) 。 1 2 选题目的及意义 上海是中国城市化速度最快的地区之一，下垫面受到的人为干扰程度较大， 并且具有其特殊的自然地理位置和气候条件。在每年6 月中旬到7 月上、中旬初 年辱炜笔大学2 0 0 8 届硕士学位论文上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 夏的梅雨季节，天气的主要特征是多阴雨天气，日照短，相对湿度大，雨量充沛， 常有大雨到暴雨。近年来，上海地区的暴雨出现频率增大，造成中心城区市区道 路严重积水，对百姓的生活和工作带来了极大的不便，给国家和个人造成了不可 估量的巨大损失，同时也有损于上海国际化大都市的形象。 本文旨在对上海市多年来的暴雨、积水和城市雨水管网改扩建情况梳理的基 础上，总结上海地区易发生洪涝灾害的区域及特点，分析城市雨水管网改扩建的 作用效果及不足之处。同时拟从城市土地利用变化的角度，利用现有的上海市土 地利用数据以及相关降雨、排水资料，对所选的水文模型一一s c s 模型进行进一 步修正，并利用修正后的s c s 模型研究上海土地利用变化对雨水径流的影响及 相关水环境效应。将所获得的研究成果作为一个重要的辅助条件添加到基于城市 雨水管网的排水作用中去，为上海构建生态型排水提供重要依据和参考，也为今 后城市土地利用规划或绿地规划的环境影响评价提供一定的参考。同时结合生态 城市建设的背景，为今后土地利用在对雨水径流调蓄方面的规划和管理提供一些 参考性的意见。 此外，上海在生态城市建设过程中，城市绿地建设是重要的组成部分，如能 植被配置、土壤质地等的合理设计，优化城市绿地系统结构，充分发挥城市绿地 对雨水径流的调蓄功能，可在一定程度上节省建设排水管网、调蓄池等工程设施 所需的空间资源和工程费用，满足城市经济、环境、生态等多重效益。因此，结 合上海绿地系统的实际情况，就提高绿地对雨水的调蓄能力提出一些优化途径及 管理措施，将为上海城市今后的绿地建设提供参考，具有较大的理论与实践意义。 由此，将降雨和土地利用方式这两个看似没有直接联系的环境因子，通过建 立土地利用方式对降雨径流调蓄的作用机制，具有一定的科学研究意义。同时， 通过有效的土地利用宏观调控，合理规划土地利用方式，使这一城市雨水排水的 辅助手段能充分发挥其最大作用，在土地的应用和管理方面具有较强的意义。最 后，在全面建设资源节约型、环境友好型社会的号召下，开展土地利用方式对雨 水径流调蓄的研究，既可以缓解高度城市化地区的暴雨积水问题，又可以在一定 程度上节约宝贵的雨水资源，在资源节约问题上，同样具有一定的意义。 1 3 本文主要工作 论文在上海市科委重大科技攻关项目“中心城区和新城市化地区面源污染控 制关键技术与示范研究( 0 4 d z l 2 0 2 4 ) ”的子课题一“城市绿地系统对雨水径流调 蓄及污染削减效应研究 基础上，广泛调研国内外相关领域的理论与实践，探讨 土地利用变化对城市水循环的影响和相关水环境效应。本文根据上海市中心城区 近年来暴雨积水和雨水排水管网建设的梳理情况，分析产生积水的强度和原因。 2 年孽炜菇天季2 0 0 8 届硕士学位论文上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 选出暴雨积水严重的区域，分析其土地利用的变化情况，剖析土地利用变化对雨 水径流的影响。同时选取该区域的降雨、排水资料与上海市土地利用的数据，利 用修正后的s c s 模型进一步量化土地利用变化对与降雨径流的影响，验证土地 利用这一城市雨水排水辅助途径的作用。在此基础上，结合生态城市建设的背景， 从水分自然循环的角度分析土地利用对雨水径流的影响，提出土地利用的优化途 径和相应管理方法，为今后缓解上海市暴雨积水的问题提供一些建设性的建议， 也为土地利用调控提供一定的对策与措施。论文的技术路线见图1 1 。 本论文的主要工作包括五个方面的内容： 1 ) 通过调研国内外城市化进程对雨水径流影响的理论研究和工程实践，总结城 市化对雨水径流所产生的负面影响及其原因，并归纳和分析了目前国内外对 于城市化过程中的雨水问题的解决方案。从各种方案中选择绿地作为研究重 点，着重阐述其对控制城市化进程中的雨水径流问题的重要意义，以及最新 的研究进展。 2 ) 基于室内试验研究的基础上，初步得出城市地区唯一透水下垫面绿地与裸土 在模拟降雨条件下的滞水能力差异。同时在室外选取不同绿地进行长期土壤 持水能力监测，分析影响绿地持水能力的因子。 3 ) 归纳总结近年来上海中心城区暴雨积水的灾害情况以及雨水排水管网的建设 情况，分析产生暴雨积水的原因。选取0 0 、0 3 和0 6 年上海市中心城区的2 5 个排水片作为研究区域，结合降雨径流的实际监测数据资料，进行现状研究， 分析研究区域土地利用变化对雨水径流的影响及原因。 4 ) 选取上海市o o 、0 3 和0 6 年2 5 个排水片的土地利用解译资料，利用上海市城 市排水有限公司提供的相关年份的排水数据，选择具有代表性的3 6 场降雨事 件对s c s 模型中的初损等参数进行修正。 5 ) 基于修正后的s c s 模型，并根据上海市区近年土地利用情况，利用幕景法设 置不同的土地利用方式，以定量化手段初步分析土地利用变化对降雨径流带 来的影响，大致得出透水下垫面对雨水径流调蓄的饱和点。 6 ) 基于上述研究结论，从土地利用变化以及绿地系统变化的角度，探讨上海市 雨水径流的变化情况以及所引起的相关水环境效应，最终使研究成果今后能 为缓解的城市暴雨积水问题提供一定的参考。 3 华妻师苑太季2 0 0 8 届硕士学位论文上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 资料收集 i j r山上 国内外研究进展室外不同类型绿地背上海市中心城区暴雨积水情况及雨水 及相关文献资料景值和室内模拟降雨管网的建设情况，土地利用的变化情况 的收集实验数据的采集 及雨水及径流的数据资料 上 分析城市化过程大致得出影响各种类型总结上海中心城区暴雨积水情况和原 对土地利用的影绿地蓄水能力的因素，因并分析市政排水管网建设情况，分析 响及控制雨水径并分析绿地和裸土滞水 0 0 、0 3 和0 6 年上海中心城区2 5 个排水 流的措施 能力的差异及原因 片的土地利用变化对雨水径流的影响 l 1r 结论：城市区域透水性下垫面绿地，对雨水径流具有 一定的调蓄效应。 围肉琳q r q 艟刑的 修正 i ；蒜羰。 - _ 一s c s- _ 一 一土地利用情况 模型 降雨资料 径流资料 1r 通过修正后的s c s 模型作为量化分析工具，利用幕景法设 置不同的土地利用方式，分析不同土地利用条件下的城市 雨水径流变化情况以及水环境效应，并初步获得城市透水 下垫面的饱和调蓄量。 上海城市土地利用变化对雨水径流调蓄的管理策略研究， 并提出相应的土地利用优化途径，为缓解上海市暴雨积水 问题和今后的土地利用规划提供一点建议和参考 图1 - 1 技术路线 f i g u r e l - 1t e c h n i c a lr o u t e 4 年孽师籀太孝2 0 0 8 届硕士学位论文上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 2 城市化进程中土地利用变化对雨水径流调蓄的研究进展 城市化是一个复杂的空间形态变化和社会、经济发展过程。目前全世界城市 化水平以每年1 以上的速度递增，且发展中国家逐渐成为增长的重点，预计到 2 0 5 0 年，将有2 3 的世界人口生活在不同规模的城市中( 陈杰，2 0 0 2 ) 。目前我 国正以世界罕见的速度推行城市化，城市人口占总人口的2 0 左右，预计2 0 1 0 年达2 9 ，2 0 5 0 年达4 7 左右( 宋新山，2 0 0 4 ) 。建国初期我国有城市1 3 6 座， “七五 末期4 5 0 座，到“八五 末期猛增至6 4 0 座。随着城市规模扩大、数量 增多，出现了一些地理位置相近，资源环境条件相似、类型、功能互补的城市群。 我国已有5 个超大规模城市群( 沪宁杭、京津唐、珠三角、四川盆地以及辽宁中 部) ，这些城市群面积大、影响和辐射范围广。 随着城市化水平的不断提高，城市化进程对人类生存与发展必不可少的水资 源及城市水环境的影响愈来愈显著。城市人口膨胀，密度增大，产业集中，社会 经济活动强度大，带来了住房紧张、交通拥挤、资源短缺、环境污染等一系列的 城市生态环境问题。城市化的结果还将大规模改变土地、大气、水体、生物、资 源、能源的性质和分布，引起城市自然地理环境的变化。 城市化是最为突出的土地利用变化过程之一，在城市化进程中，随着经济的 发展和人口的增长，农业用地向非生产性用地转移的力度与规模不断加大，建筑 物增加，道路及下水管网建设使下垫面不透水面积增大，这导致了大面积地表永 久密闭，使其彻底失去生产力和生态功能，并直接改变了地表径流特征以及地表 水质量，从而对水的流动、循环、分布、水的物理化学性质以及水与环境的相互 关系产生各种各样的影响。这些影响包括：蒸散发与下渗的减少、地下水位的降 低、汇流时间的缩短以及洪峰流量的增加等等。简而言之，由于城市化进程中土 地利用变化的影响，城市区域的水循环机制，包括降雨径流过程与河道过程， 都将发生改变，呈现于自然状态下迥然的差异。这一变化将使得自然系统变得更 加不稳定，极端事件( 洪涝、旱灾等) 发生的概率增加。此外，城市社会经济发 展，人口增多，对水的需求量增大，废污水相应增多，从而对水的时空分布、水 分循环及水的理化性质、水环境产生了各种各样的影响即水文效应。城市化的水 文效应可由图2 1 概括( 马海波，2 0 0 7 ) 。 5 年尊师籀太雪2 0 0 8 届硕士学位论文上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 城市化 j 人口密度增大疋巩切苗j 曼增删 需水量增加废污水增加不透水面积增加排水系统改变 + 1r 地下水补给量减少暴雨水质恶化i 城市气候变化i l 蓉浦吾憎，l 兀ii 嘉液增女i 流量减少受纳水体质量下降 士 洪峰流量增大汇流时间缩短 水资源问题污染控制问题 ， 洪水控制问题 图2 - 1 城市化的水文效应 f i g u r e 2 1h y d r o l o g i c a le f f e c to f u r b a n i z a t i o n 2 1 土地利用变化对降雨和径流的影响及原因分析 2 1 1 土地利用变化对降雨的影响及原因分析 降雨的过程主要受大气环流，地形条件，大气层结和大气凝结核含量( 空气 中的微小悬浮物等) 的影响。美国e d w a r d s r i l l e ( 霍尔m j ，1 9 8 9 ) 的研究指出， 在城市的形成和扩大的过程中，土地利用格局的变化对局地气候，尤其是局部地 区降雨及降雨机制产生显著影响，形成特有的城市气候( 霍尔m j ，1 9 8 9 ；徐祥 德，2 0 0 2 ) 。这种变化虽然还不足以改变区域气候的基本特征，但各项气候要素 尤其是降水的变化很明显。一般认为，城市对城区和下风方向有增加降雨的作用， 使得城市区域降雨日数和降雨量增加，这也是人们常提到的“城市雨岛效应”。 其主要原因有3 方面： ( 1 ) 城市热岛效应 由于城市热岛效应( 城内气温高于城外的现象) ，使城市上空气层的层结不稳 定，有利于产生热力对流。当水汽充足，凝结核丰富或在有利于对流性天气发生 的天气系统制约下，容易形成对流云和对流性降雨。 ( 2 ) 城市阻障效应 城市内因有参差不齐的建筑物，粗糙度比城郊大，不仅能引起机械湍流，造 成降雨；而且对移动滞缓的降雨系统有阻障效应，使其移动速度减慢，滞留时间 6 牟辱师菇太雩2 0 0 8 届硕士学位论文上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 加长，导致城区的强度增加，时间延长。 ( 3 ) 城市凝结核效应 城市区域由于污染大于城郊，凝结核多于城郊，有利于降雨所需的冰核形成， 所以在城市区域易于形成降雨。 对城市化前后降雨量进行对比分析表明，城市化后降水量增加4 2 5 。 h a n b e n g ( 霍尔m j ，1 9 8 9 ) 研究了瑞典首都斯德哥尔摩与其附近u p p s a l a 5 0 年 ( 1 8 6 1 - 1 9 1 0 年) 的降水资料，发现u p p s a l a 降水量这5 0 年变化很小，而斯德哥 尔摩的降水量明显增加。章澄昌通过上海1 9 6 0 - 1 9 8 6 年3 0 年汛期和非汛期降水 资料分析表明，降水量由城区向四周递减( 郑在洲，2 0 0 3 ) 。李维亮等的模拟研 究指出长江三角洲地区城市化的迅速发展，影响局地降水的分布( c h e n l o n g x u n ， 1 9 9 8 ) 。周翠宁等在对北京近半个世纪的降雨资料进行分析后发现，城市化对降 雨特征存在以下影响：( 1 ) 城市化使年雨量增大。城区年雨量大于郊区，增雨系 数为1 0 4 ，枯水年城区降增雨系数最大为1 0 8 6 ，丰水年为1 0 3 8 ，平水年城郊年 雨量相差不大。( 2 ) 城市化使汛期雨量增加明显。城区汛期( 6 9 月) 雨量占年雨量 比例由8 1 5 4 增加至8 4 8 9 ，郊区汛期雨量占年雨量比例由8 2 1 7 增加至 8 1 8 1 。( 3 ) 城市化使得降雨量等值线加密。中心值由4 5 0 m m 增加到5 5 0 m m ， 市区降雨增幅是郊区增幅的2 4 8 倍。( 4 ) 城市化影响降雨频率。不同时期城区雨 量站变差系数均大于郊区，说明其受城市化的影响( 周翠宁，2 0 0 7 ) 。 事实上，城市化不仅使得城市年降雨量增加，而且也使得降雨这一原来人类 主要的淡水来源在受到城市环境污染以后转而成为了污染源。这主要是因为在城 市的扩大，给人类带来了良好地生活工作环境同时，也由于工厂、生活所排放的 污染物，也给城市区域的环境造成了相当大的危害。城市区域大气污染严重，地 上废弃物众多，在降雨的影响下，污染物质将发生扩散、迁移和淤积。在大气中 的污染物质大多可溶于水或被水所携带。在降雨时，雨水在通过空气时，不断将 污染物质溶解或携带，使雨水的化学成分含量发生变化，形成对人类危害的液体 ( 如酸雨污染) 。虽然这对空气的净化十分有利，但是降雨将空气中的污染物带到 地上、地下，并可携带到较远地区，影响到下风或下游地区。其次，人们的卫生 意识淡薄，垃圾的散装，混合的收集方式十分落后，造成城市的卫生状况较为恶 劣，在降雨时，雨水将溶解、携带垃圾中的污染物，起着扩散作用。由于对于雨 水不进行污水处理，而直接排放。所以，雨水所溶解和携带的大气和地上的污染 物质将对土壤、河流、地下水造成危害。由于城市区域的降雨是由下水道排出， 污染物质还会在下水管道中淤积，造成长期污染。目前，雨水污染，尤其是初期 雨水的污染问题已经成为城市水环境治理过程中新的课题。 7 年东师菇大学2 0 0 8 届硕士学位论文上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 2 1 2 土地利用变化对雨水径流的影响及原因分析 2 1 2 1 水径流水量的变化 城市快速扩张和新城镇的建设必然会导致下垫面以及地表状况迅速变化。随 着城市化的进程，城区土地利用情况的改变，如清除树木、平整土地、建造房屋 街道以及整治河道，兴建排水管网等，直接改变了当地的雨洪径流形成条件，使 水文情势发生变化。这主要体现在下垫面从原有状态逐渐转为不透水层及下水管 道汇流。这一变化直接了导致降雨径流过程( 地表水文循环) 发生了质的变化。 按照原有天然水循环的过程及分配方式，即雨水降落到地面以后，大约有1 0 形成地表径流，4 0 消耗于陆面蒸发和填洼，5 0 通过人渗蓄存在地下水位以上 的土坡包气带中或通过重力形式补给地下水。而现有的城市水循环过程中则由于 建筑物和地面衬砌的影响，不透水面积的扩大，截断了水份人渗及补给地下水的 通道，导致地表径流增大，土壤含水量和地下水补给量减少。这使得城市降雨径 流过程已经演变成排水系统中的雨洪过程，绝大部分为地表径流，过程线的历时 短且涨落幅度大，基流也很小。因此，城市地区的产流计算应着重于地表径流部 分，对于壤中流不予考虑，把地下径流作为损失来处理。而城市的汇流特点是从 屋顶、路面和一切铺砌面上产生的径流，进人人工砌筑的沟、渠道，再汇人下水 道系统，最后进人河道。这与天然河流有较大的区别，一般说来，城市的降雨径 流过程按其水流方式可分为地表径流和下水道传输两个子过程。 此外，城市化对城市土地结构影响的同时，也影响了土壤质量，从而使土壤 的生产功能、缓冲挣化功能和景观等自然功能大部分甚至完成丧失。这种功能 的丧失首先表现在土壤物理性状的破坏。由于在城市建设改造过程中，机械的搬 运、压实，人为揉动与践踏等因素，造成土壤层次的颠倒、粗骨化以及裸露，土 壤结构严重破坏，地表的封闭和压实，土壤容重增加，通气和保水孔隙降低。这 在一定程度上也会导致城市地区雨水径流的水量和汇流时间发生改变。 由于城市化过程中土地利用的变化会导致流域上下游水量空间分布和产流 持续时间的变化，使得水量在河流上下游或干支流上的分配趋向于极端化，增大 流域洪灾发生频率。早在1 9 6 5 年，克里彭在沙伦河流域使用单位线方法研究流 域水文时，发现面积为2 4 5x0 4 1 h m 2 的小集水区在城市化的几年进程中，洪峰 流量从1 8 0 o 3 1 。3 m 3 s 增加到2 5 0 o 3 1 弓n 1 3 s ( 周乃晟，1 9 9 5 ) 。l e p o l d 总结了 城市化对城市水文的影响后指出，当一地区有2 0 的面积由下水道排水和不透水 盖层时，溢岸洪水的发生频率将增加一倍，河流流量将增加0 6 倍( l e p o l d ，1 9 6 8 ) 。 罗伯特和克林格曼( 1 9 7 0 ) 应用实验室的流域模型论证了透水面积分别为0 、5 0 和1 0 0 时，对单位线的作用( 周乃晟，1 9 9 5 ) 。申仁淑从气温、径流、峰量、峰 8 年毒师蕙太雪2 0 0 8 届硕士学位论文上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 型、降水和大气污染诸方面对城市化前后状况做了对比分析，研究表明：由于城 市道路及铺砌路面的不断增加，同量级的降水产生的径流远比自然状态下的大。 并利用长春市1 9 9 0 1 9 9 2 三年9 次洪水计算得出平均径流系数约为o 5 5 ，而用同 级降水查水文图集的降雨径流关系图得径流系数约为0 2 0 ( 申仁淑，1 9 9 7 ) 。韦 明杰等通过对北京市城市化进展的分析，建立了以不透水面积为参数的降雨径 流相关图，并发现在通惠河乐家花园站以上流域内，径流系数已超过0 5 0 ，汇流 速度由2 0 世纪5 0 年代洪峰流速的0 3 o 5 m s 增至0 7 m s ) ( 陈建耀，1 9 9 7 ) 。 还有研究表明，当流域内城市不透水面积达到城市面积的2 0 时，3 年一遇的降 水强度其产流量就可能相当于该地区原有产流量的1 5 2 倍( 王紫雯，2 0 0 2 ) 。 高俊峰等在对太湖流域土地利用变化及洪涝灾害相应过程研究时发现，在相同降 雨类型条件下，由于土地利用的变化，使得1 9 9 6 年流域下垫面状况下的产水量 比1 9 8 6 年时多1 0 1 8x1 0 8 m 3 ，与该流域2 0 世纪9 0 年代以来持续高水位的现象 相吻合( 高俊峰，2 0 0 2 ) 。史培军等研究指出，土地利用所引起的流域下垫面变 化严重影响着洪涝灾害的致灾过程，并分析了下垫面条件的改变对流域径流过程 的影响，指出土地利用的变化使径流量趋于增大，人类活动对径流的影响最大的 区域主要集中于城市用地和水体( 史培军，2 0 0 1 ) 。 2 1 2 2 雨水径流汇流时间的变化 快速的城市化过程不仅改变了城市地表的产流方式及产流时间，同时还使得 城市的自然水循环系统发生改变，影响了当地的雨洪径流形成条件，使得产流增 加，汇流变快，峰现时间提前。造成这一系列后果的原因一是城市化对径流形成 的影响，流域部分地区为不透水层所覆盖，如屋顶、街道、停车场等，不透水下 垫面的下渗率几乎为零，增加了雨季径流并减少了基流；二是城市中的天然河道 往往被裁弯取直、疏浚整治，并设置道路边沟、雨水管网和排洪沟，使河槽流速 增大，导致径流量和洪峰流量增加、洪峰流量提前出现。程江等在对上海的两个 土地利用相对差异较大的国顺和长白双阳系统的回流时间进行了计算，得出国顺 系统的径流峰值滞后降雨峰值比长白双阳系统的滞后时间要多约2 0 m i n ，原因主 要是国顺系统土地利用中绿地比例较长白双阳系统高出1 0 所致( 程江，2 0 0 6 ) 。 2 1 2 3 水土流失与暴雨积水 城市化过程中强烈的人为活动使地表植被和自然地形遭到严重破坏，由此产 生的水土流失问题日益严重。一方面，城市化导致自然地表特征发生彻底改变， 土地经人工平整后，一些水塘、河流等天然水体消失或被改造，使暴雨径流在地 面的滞留时间缩短，洪峰流量集中，同时由于不透水地表面积显著增加，地面阻 力明显减少，也使暴雨径流产生的能量集中，加大了水流的侵蚀能力；另一方面， 9 年孽师菇太擘2 0 0 8 届硕士学位论文上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 城市化基础建设产生的大量松散堆积物为径流侵蚀提供了丰富的物质基础。严重 的水土流失不仅造成城市生态区土层变薄，土壤功能下降，同时土壤侵蚀产生的 大量泥沙淤积于城市排洪渠、下水道、河道等排洪设施中，大大降低了这些设施 的排洪泄洪能力( a l l e ywm a n ds m i t h p e ，1 9 8 2 ) 。 此外，城市化过程中由于过度开采地下水而使地面下沉，导致防洪设施功能 降低，也是造成城市洪灾的一个重要方面。 2 1 3 土地利用变化对雨水径流水质的影响及原因分析 城市化的快速发展使不透水地面面积在迅速增长的同时，雨水径流量也随之 增加，雨水径流污染的威胁日益严重。特别是当点源污染被控制后，雨水径流的 污染就更为突出。雨水径流水质受到大气沉降物、生活垃圾、道路交通量和路面 材料的影响，具有一定的污染性，特别是初期径流。路面径流对水质影响随降雨 时间增加而减小，大量初期雨水对河流水体构成严重污染，造成整个城市的生态 环境日趋恶化。有研究表明，雨水主要污染物是c o d 和悬浮固体( s s ) ，道路初 期径流中也含有铅、锰、酚、石油类及合成洗涤剂等成分( 高云福，1 9 9 8 ：北京 市水利局中德合作雨洪利用项目办公室，2 0 0 3 ) 。近年来，由于大气污染严重， 某些地区和城市出现酸雨，严重时p h 值达到3 1 ，因而降雨初期的雨水是酸性 的( 王健，1 9 9 8 ) 。随着汽车数量的不断增加，汽车漏油与汽车排放的尾气，车 辆轮胎磨损，更加重了降雨径流的污染。 早在1 9 8 1 年美国就预计城市径流带入水体的b o d 量约相当于城市污水经 处理后的b o d 排放总量，而且通过研究发现，1 2 9 种重点污染物中有约5 0 在 城市径流中出现( 朱显谟，1 9 9 5 ) 。美国环境保护署1 9 9 0 年公布了不同污染源( 如 农业、工业、城市污水等) 对河流污染( 包括化学毒物、沉积物、营养物等) 的 贡献比，其中城市雨水径流占了9 ( 袁铭道，1 9 8 6 ；李勇，2 0 0 2 ) 。我国学者汪 慧珍等分析了北京市雨水径流的污染源，估算了其污染量，并提出了多种控制径 流污染的措施( 汪慧珍，2 0 0 2 ) 。张勇等分析了上海市地表水水质近2 0 年的变化 后指出，水质变化主要与人类社会经济活动的影响有关( 张勇，2 0 0 2 ) ，而与水 文气象因素相关性较小，尤其是农牧业及生活污染是影响水质变化的主要因素 ( r i c h af i e l d ，1 9 9 3 ) 。 人类赖以生存的水环境不断地遭受污染是世界普遍存在的问题。过去人口少 且分散，人类活动能力较弱，当时排放的有机物和无机物量少且为易降解物质， 水环境有自净的能力。随着城市化的进程，城市人口的增加和社会经济发展，人 类活动所排放污染物不仅远远超过水环境的自净能力，而且大部分都是难以降解 1 0 牟孽师转太掌2 0 0 8 届硕士学位论文 上海高度城市化地区土地利用变化对雨水径流影响的研究 的物质，这样就不可避免地带来水环境污染。河水流速加大，径流中悬浮固体和 污染物含量也增大。在两次暴雨之间，大气中沉降和城市活动产生的尘土、杂质 及各类污染物积聚在这些不透水面积上，最后在降雨期被径流冲洗掉，进人雨水 管道；其次，土壤污染严重，工业“三废”的排放，机动车辆废气的排放和生活垃 圾得不到及时的处置而堆放，通过大气沉降和降水以及雨水的冲洗，大量的污染 物通过这些途径进入城市土壤，国内外有关学者进行了大量的研究表明，一些重 金属如z n 、c r 、c d 等和一些有机物如苯、酚等的含量在城市土壤中有明显的累 积，其