城市化生态水文效应_孙艳伟.pdf

第 23 卷 第 4 期 2012 年 7 月 水科学进展 ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol 23 No 4 Jul 2012 DOI CNKI 32 1309 P 20120614 2251 013 城市化生态水文效应 孙艳伟 1 王文川1 魏晓妹2 POMEROY C A3 王富强1 1 华北水利水电学院水利学院 河南 郑州450011 2 西北农林科技大学水利与建筑工程学院 陕西 杨凌 712100 3 Department of Civil Environmental Engineering University of Utah Salt Lake City 84112 USA 摘要 研究城市化的生态水文效应对于指导河流的保护与生态修复实践具有重要意义 基于河流径流情势在维持 河道生态系统完整性方面的重要性 在分析现有生态水文指标体系的特征及可操作性的基础上 建立了以径流历 时曲线 洪峰流量频率超出曲线和 T0 5 区域径流超出天然状态下重现期为 0 5 年的降水所产生的洪峰流量的时间 占区域有径流总时间的比例 为代表的生态水文指标体系 利用 SWMM Storm Water Management Model 来模拟不同 城市化程度下的降雨径流过程 并利用所建立的生态水文指标体系模拟其生态水文效应 结果表明 城市化程度 越高 其时段流量幅度及历时越大 洪峰流量及发生的频率越大 T0 5越小 城市化通过改变径流的大小 历时及 频率 改变了水域生态系统完整性与多样性 进而对河道生态系统产生了负面影响 关键词 城市化 径流情势 生态水文 径流历时曲线 洪峰流量 中图分类号 P343 1文献标志码 A 文章编号 1001 6791 2012 04 0569 06 收稿日期 2011 10 31 网络出版时间 2012 06 14 网络出版地址 http www cnki net kcms detail 32 1309 P 20120614 2251 013 html 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51009065 美国 Water Environment Research Foundation 资助项目 03 SW 3a 作者简介 孙艳伟 1983 女 山东聊城人 讲师 博士 主要从事水资源利用 生态水文学及低影响发展研究 E mail sunyanwei yahoo com cn 通信作者 魏晓妹 E mail weixiaomei57 tom com 城市化的最显著特征是区域不透水性表面面积的增加 并直接导致了地表径流增大 地下水入渗补给减少 等变化 而汇入下游河道的地表径流流量 频率 大小及持续时间的改变是导致河流生态退化的主要原因 城 市化发展导致在天然状态下的植被向不透水性路面的转变过程中 植被覆盖减少 对污染物的消解及拦截作用 降低 从而导致沉淀物和污染物增加 1 同时 城市化的发展改变了流域河网的形态 造成河流缩窄变短 湖 泊河网衰退消亡 并最终引起河流生态的变化 2 3 由于水文机制改变而造成的河流水质恶化 生物栖息地退 化和单一化及河道侵蚀等生态问题已经在世界研究范围内达成共识 4 生态水文效应是指流域或区域水文过程 或水文情势变化对生态系统的影响 包括河道内和河道外的相关区域 是流域生态水文学的重要研究内容 5 通过建立生态水文指标体系 对城市化或水利工程的生态水文效应进行分析是目前的研究热点 对于指导河流 的保护与生态修复实践具有重要意义 6 7 但目前所采用的生态水文指标体系多是基于河道生态监测数据 对 于缺乏生态监测资料的区域及城市化进程的生态水文效应的分析具有一定的局限性 本文以位于美国堪萨斯州 Little Mill Creek 流域的一个典型城市化地区为例 通过基于径流情势对河流 生态的影响建立一系列简便可行的生态水文指标体系 并利用该指标体系研究城市化的区域生态水文效应 对实现城市水资源的可持续利用和促进生态环境保护有重要的理论和实践意义 1研究区概况及模型构建 研究区位于美国堪萨斯州 Little Mill Creek 流域 面积为 0 36 km2 平均坡度 2 区域不透水性系数为 40 选择该区域作为研究区的原因 一是该区是美国快速城市化的代表性城市 在过去几年内经历了显著 的由非城市化向城市化过渡的过程 其快速发展已严重影响了下游的河道生态环境 二是该区域为 Little 570水科学进展第 23 卷 Mill Creek 流域滞留池基于 SWMM Storm Water Management Model 水文效应分析报告中的一个独立的汇水子 区域 因此 可以节省模型构建及参数校核的时间 8 研究选取 1968 1977 年降水资料进行模拟 该时段 降水资料序列完整 降水量接近多年平均值 仅比多年平均值小 1 65 mm 可代表多年平均情况 在 SWMM 中 区域不同土地利用形式对径流的影响由透水性区域的可积水深度及曼宁系数来表示 因此 本 文设定当不透水性系数为 5 时 区域为天然状态 透水性区域的曼宁系数为 0 60 可积水深度为 0 76 cm 当不透水性系数为 30 时 区域开始进行有规划的发展 曼宁系数与可积水深度与现状水平下相当 其曼 宁系数为 0 10 可积水深度为 0 51 cm 9 并假设区域曼宁系数和可积水深度在不透水性系数 5 至 30 之 间呈线性变化 模型中 Horton 入渗计算时 最大 最小入渗速率分别为 11 43 cm h 0 51 cm h 消减系数 为 6 5 2生态水文指标体系的建立 水文循环中最终汇入河道的地表径流与基流是影响河流径流最重要的因素 其总体特征表现为河流径流 情势的改变 径流是河流生态的驱动力及生物组成的决定性因素 并通过改变栖息地的环境因子 形成自然 扰动机制 扰动河流纵向和横向连通性 进而影响河流物种种群结构及河道生态系统的完整性 10 11 其中 径流的大小 频率 历时 发生时间和变化率 直接或间接地影响河道生态环境的完整性 控制着河道内 外的物质和能量交换 影响着水生生物群落间的相互作用 是形成和维持水域生态系统完整性与多样性的 5 个关键因素 12 基于河流径流情势在维持河道生态系统完整性方面的重要性 许多学者开始寻求通过恢复 河道天然状态下的径流情势来达到改善下游生态环境 维持河道系统完整性的目的 13 14 基于此 生态水 文指标体系自 1990 年以来在国外便成为研究的热点 不同的学者通过计算分析不同水文指标和生态指标之 间的关系 试图确定与生态最相关的水文指标 15 但是 径流情势的 5 个基本特征决定了其潜在生态相关 的水文指标众多 而在实际应用中 如果将每一个水文指标与河道生态指标都进行关联度分析 从而确定最 相关指标是非常困难的 除此之外 与某一河道生态指标相关的水文指标 有可能与另外河道的生态指标不 相关 为了简化计算并能将其应用于实际工作 本文通过对最终汇入河道的地表径流的形态进行分析 以期 得到简便可行的生态水文指标体系 2 1间接生态水文评价指标体系 间接生态水文评价指标 是指与生态指标没有直接联系 而是通过径流形态反映其生态水文特征的指标 体系 当径流在流量 频率等各方面与天然状态下的径流形态接近时 即可认为河流生态环境得到了恢复和 维持 16 基于以上思想 本文利用径流历时曲线和洪峰流量频率超出曲线来综合反映径流在流量 频率 持续时间等方面的特征 并进而反映生态水文效应 1 径流历时曲线径流的大小和持续时间是重要的生态水文指标 对应着不同的生态过程 因此 很多学者将径流的大小和持续时间作为重要的生态水文指标进行分析 目前常用的生态水文指标体系仅考虑 了年或者月较大和较小径流 而忽略了其它中等大小径流以及洪水等 径流历时曲线反映了所有降水时段流 量的大小以及在研究时段内大于或等于该时段流量的时间占区域有径流总时间的比例 简称超出时间比 例 17 径流历时曲线并不考虑某一个或者某几个单独的水文指标 而是考虑了包括由较大径流 较小径流 以及洪水在内全部径流的大小及其持续时间 而不同大小及历时的径流在维系河道生态环境方面均具有不同 的生态学功能 因此 径流历时曲线可用于对区域不同城市化程度的生态水文效应进行评价 2 洪峰流量频率超出曲线洪峰流量及其发生频率是重要的生态水文指标 与河道生态系统的完整 性和稳定性密切相关 目前在洪峰流量及频率方面所采用的生态水文指标研究主要是对年极端径流计算的 而河道生物群落对径流的响应主要是对大于某一阈值的流量发生的频率 而不仅仅是年极端径流 9 因此 本文采用基于偏序列的洪峰流量频率超出曲线作为反映洪峰流量和频率的生态水文指标 洪峰流量频率超出 曲线反映了所有降水事件中某一洪峰流量和其所发生的频率之间的关系 9 其优点在于考虑了所有降水事 第 4 期孙艳伟 等 城市化生态水文效应571 件的洪峰流量 包括较大和较小洪峰流量 而不仅仅是年极端径流 因此 基于偏序列的洪峰流量频率曲线 可作为一个生态水文评价指标 并用于对区域不同城市化程度下的生态水文效应进行评价 2 2直接生态水文评价指标 直接生态水文评价指标是通过分析水文指标和生态指标 如附着生物 大型无脊椎动物 藻类植物等 之间的关系 从而确定与生态最相关的水文指标 根据美国地质调查局 United States Geological Survey USGS 所采集的大型无脊椎生物群落的样本信息 本文所采用的生态学指标主要包括 类群丰度 蜉蝣目 襀翅目和毛翅目的数目 EPT 其中 蜉蝣目 襀翅目和毛翅目统称为 EPT EPT 丰度 大型底栖无脊椎 动物指标 MBI Kansas 生物指标 KBI 以及科阶元生物指标 FBI Pomeroy 认为 T0 5 区域径流超出天然 状态下重现期为 0 5 年的降水所产生的洪峰流量的时间占区域有径流总时间的比例 是能预测生物多样性的 水文指标 9 利用数理统计软件 SAS 计算各生态样本采集点的 T 0 5值并将其与各生态指标进行线性回归 结 果表明 类群丰度 EPT EPT 丰度 MBI KBI 和 FBI 与 T0 5之间的线性相关系数分别为 0 77 0 75 0 73 0 75 0 81 和 0 79 显著性水平为 1 4 因此 可将 T0 5作为一个生态水文指标 用以对多样 性中的类群丰度 Kansas 生物指标以及科阶元生物指标进行预测 并进一步对河道生物多样性进行预测 3城市化的生态水文效应 3 1径流历时曲线 由于径流历时曲线对所有的径流数据均进行统计 且大部分径流为零 为了突出非零径流的特征 本文 图 1不同不透水性系数下的径流历时曲线 Fig 1Flow duration curves with different imperviousness 采用偏数据系列 将径流历时曲线时段流量的阈值设为 0 03 m3 s 即当区域的时段流量小于该值时不计入统计 区域各不透水性系数下的径流历时曲线如图 1 所示 由图 1 可以看出 随着区域不透水性系数的增大 径流历时曲线的形状发生了明显的变化 并表现为时段 流量幅度及超出某一瞬时径流的时间占区域有径流总时 间的比例显著增大 为了直观反映不同城市化程度在整 个模拟区间对区域径流在大小 持续时间以及频率的变 化 以区域不透水性系数为 40 的城市化程度为标准 将径流历时曲线按照其径流所占的时间比例分为 4 段 即当其 时 间 比 例 区 间 分 别 为 0 1 0 1 1 1 10 以及 10 100 时用以代表区域不同瞬时径 流量的大小 并利用每个区间内径流的总时间来表示不 同城市化程度下区域所产生的径流在大小 持续时间以及频率方面的变化 其计算结果如表 1 所示 表 1不同不透水性系数下各区间径流的持续时间 Table 1Flows duration in different flow intervals for different imperviousness 不透水性 系数 区域径流位于该径流区间的时间 h 3 244 m3 s1 385 3 244 m3 s0 335 1 385 m3 s 0 335 m3 s 总持续时间 h 50015 00387 00402 00 1000 2531 50845 25877 00 1502 2548 001 011 251 061 50 2003 5075 501 226 501 305 50 2505 75106 251 376 001 488 00 301 2513 00122 251 509 251 645 75 351 5014 50151 001 622 751 789 75 402 0019 50193 251 716 751 931 50 表1 表明 洪水 较大径流 中等程度 较小径流的持续时间及径流总持续时间均随区域不透水性系数显 572水科学进展第 23 卷 著增加 从而使天然渠道有更多的时间处于更大的径流流量之下 而当径流量对渠道所产生的剪应力大于渠道 的临界剪应力时 便能对渠道发生侵蚀作用 当区域不透水性系数为 5 时 即区域处于天然状态时 其最大 洪水流量小于1 385 m3 s 且其持续时间仅为 15 h 而对于不透水性系数为 40 时 其持续时间为 193 25 h 约是前者的13 倍 一定持续时间的洪水主要用来维持水生生物和和河岸带物种的平衡 而城市化的发展使天 然状态下较小的洪水演化为频繁发生 且持续时间变长的较大洪水 必然为水生和河岸物种平衡方面带来负效 应 同样的 城市化进展通过影响较大径流及其持续时间和频率 进而在河道形状塑造 河道正常水质水平的 恢复方面产生了负面影响 通过增大较小径流的历时和频率 改变了天然状态下维持水生生物适宜的水文 溶 解氧以及水化学特征 从河道径流调控的角度出发 为使城市化发展后的河道生态环境得到修复 可通过径流 调控措施 使得城市发展后的河道径流的径流历时曲线即径流大小和历时与天然状态下水平相当 图 2不同不透水性系数下的洪峰流量频率曲线 Fig 2Peak discharge exceedence curves for different imperviousness 3 2洪峰流量频率超出曲线 图 2 为研究区各不透水性系数下的洪峰流量频率超 出曲线 其中洪峰流量的阈值为 0 03 m3 s 即当某个降 水事件所产生的洪峰流量小于 0 03 m3 s 时 该降水事件 不纳入统计范畴 由图2 可以看出 随着不透水性系数的增大 降水序列 所产生的洪峰流量越来越大 且超出某一洪峰流量的频率呈 显著增大的趋势 为了更加直观地比较 以区域不透水性系 数为40 时的洪峰流量频率曲线作为标准 将其分为 3 段 即将频率 1 1 10 以及 10 100 分别表示频率 曲线所对应的较大的洪峰流量 中等程度的洪峰流量以及较 小的洪峰流量 并计算不同不透水性系数时位于各区间洪峰 流量发生的次数 进而反映城市化对洪峰流量大小及发生次 数的影响 结果如表2 所示 表 2不同不透水性系数下各径流区间洪峰流量发生的次数 Table 2Times of peak flow existed in the flow interval for different imperviousness 不透水性系数 各径流区间洪峰流量的发生次数 2 476 m3 s0 636 2 476 m3 s 0 636 m3 s 洪峰流量大于 0 03 m3 s 发生的总次数 502221223 1005351356 1509418427 20015445460 25221471494 30425480509 35435483522 40547475527 由表 2 可以看出 随着不透水性系数的增大 区域发生较大洪峰流量 中等洪峰流量以及较小洪峰流量 的频率均显著增加 具体表现为其次数的增加 不同的洪峰流量过程对应不同的生态过程 如较大洪峰的流 量过程通过与河漫滩和高地的连通 大量输送营养物质并塑造漫滩多样化形态 维系河道并为河岸生物提供 食物 较小洪峰的流量过程则影响着河流生物能量的补充以及一些典型物种的生存 城市化使得洪峰流量在 大小方面发生了显著的变化 从而破坏了生物生命循环流量稳定化 使得外来生物容易入侵 从而导致生物 局部绝灭 威胁原有物种并改变种群组成 而河道流量的频繁变化增加了对河岸和河床的冲刷 使得敏感物 种丧失 并减少通过河道进入漫滩的水和营养物质 从而导致植物 幼苗干化 植物种子扩散条件变差 河 流生态系统的生物组成 结构和功能依赖于河流径流情势 而洪峰流量的大小和频率是形成和维持水域生态 系统完整性与多样性的两个关键因素 区域城市化通过影响洪峰流量的大小和频率 进一步对河道生态系统 产生了负面的影响 第 4 期孙艳伟 等 城市化生态水文效应573 3 3径流划分阈值对 T0 5影响 为了讨论不同区域径流划分阈值对 T0 5的关系 本文计算并绘制了不同不透水性系数下 当阈值分别为 图 3不同阈值下的 T0 5值 Fig 3T0 5under different thresholds 0 03 m3 s 0 06 m3 s 0 11 m3 s 0 17 m3 s 0 23 m3 s 和 0 28 m3 s 时的 T0 5值的变化曲线 如图 3 所示 由图 3 可以看出 当阈值较小时 T0 5值受区域有径流总时间 的影响较大 随不透水性系数的变化比较平缓 当阈值 较大时 曲线前段接近水平线 而区域城市化发展的初 始阶段 是径流变化最剧烈的阶段 18 因此 阈值较小 或者较大时均不能反映区域径流的变化特征 合理的阈 值取值区间应为0 11 0 23 m3 s 在此区间内 T0 5的变 化趋势呈现出先剧烈减小 而后减小幅度相对平缓的特 征 根据 T0 5与河道生物多样性指标之间的线性关系可以 得知 随着 T0 5的减小 其生物多样性逐渐减小 从而表 明城市化对河道生物多样性起着负面的作用 并进一步 恶化河道生态环境 且这种负面影响在城市化的初始阶段尤为显著 4结论 利用径流历时曲线 洪峰流量频率超出曲线和 T0 5等指标 分析了区域不同城市化程度的生态水文效 应 结果表明 城市化程度越高 其时段流量幅度及历时越大 洪峰流量及发生的频率越大 T0 5越小 径 流的大小 频率和历时是形成和维持水域生态系统完整性与多样性的关键性因素 区域城市化通过影响洪峰 流量的大小和频率 进一步对河道生态系统产生了负面的影响 根据 T0 5与河道生物多样性指标之间的线性 关系可以得知 随着 T0 5的减小 其生物多样性逐渐减小 本文所建生态水文指标体系可用于从水文角度对 区域的生态效应进行分析 参考文献 1 PETERS N E Effects of urbanization on stream water quality in the city of Atlanta Georgia USA J Hydrological Processes 2009 23 20 2860 2878 2 许有鹏 丁瑾佳 陈莹 长江三角洲地区城市化的水文效应研究 J 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