城市化水文效应研究进展.pdf

第 25卷 第 12期自 然 资 源 学 报Vol 25 No 12 2010年 12月JOURNAL OF NATURAL RESOURCESDec 2010 收稿日期 2010 04 07 修订日期 2010 07 20 基金项目 国家自然科学基金重点项目 40730635 水利部公益项目 200701024 20091042 第一作者简介 徐光来 1978 男 安徽无为人 博士生 主要研究方向为水文与水资源 E mai lguanglaixu ya hoo com cn 城市化水文效应研究进展 徐光来 许有鹏 徐宏亮 南京大学 地理与海洋科学学院 南京 210093 摘要 受人类活动特别是城市化的影响 天然水文过程发生了显著变化 目前城市化的水文效 应研究已经成为国际上的热点问题和前沿领域 文章回顾了国内外城市化过程所引起的水文 效应研究现状 述评了现有研究方法和主要研究内容 城市化对降水的影响具有地区差异和 季节差异 其影响程度还存在争议 城市化降水效应机理有待研究 城市化地区河网结构趋于 简单 目前平原河网地区水系分级方法不明确 不透水面变化改变长期径流量 水质以及暴雨 洪水洪峰流量 洪峰过程 其定量关系的阈值需要确立 变化下垫面条件下流域生态系统结构 和功能 水文过程与生态过程耦合需要进一步研究 最后提出了存在问题和进一步研究的思 路 以便作为城市水文学研究的参考 关 键 词 降水 径流 生态系统 水文效应 城市化 中图分类号 P343 9 文献标志码 A 文章编号 1000 3037 2010 12 2171 08 水文过程是气象与下垫面共同作用的结果 城市化引起的土地利用变化 不透水面增 加正不断地改变气象与下垫面要素 目前城市化水文效应已涉及到降水 河流水系 径流 暴雨洪水 生态环境效应等 城市化水文效应研究已成为流域水资源 水环境以及水安全研 究的热点问题 本文基于近年来国内外研究成果 从降水 河流水系 径流 流域生态系统等 方面综述了城市化下水文过程响应 并对研究内容和方法进行评述与展望 1 城市化对降水的影响 目前城市热岛效应与雨岛效应已有较多研究 人口集中 建筑密集 地面不透水增加等 特点使城市地区土壤热容量大 地温高于郊区 温度上升 与郊区温差增大 近地面风速递 减 城区的绝对湿度和相对湿度逐渐减少 受城市气候的热岛效应 凝结核效应以及高层建 筑物阻碍效应影响 城市 雨岛效应 明显 1 Shepherd 2 研究美国西部 阿拉伯干旱地区降 水发现 城市化后比城市化前降水量平均增多 12 14 降水的增多与城市发展后引起 的下垫面变化及其地形的相互作用有关 Mote等 3 Rose等 4 也认为城市区域能激发或者 增加降水 Shepherd等 5 提供了一个理想的范式 在离城市中心 25 75 km 下风向 125 的 扇形区域由于城市化作用 降水显著增加 国内对长江三角洲地区研究结果得出类似的结 论 在相同气象条件 变化下垫面因素影响下 城市化发展迅速的城区降水增幅大于郊 区 6 李娜等 7 进一步研究认为城市化对年雨量 汛期雨量 最大日雨量和不同类型降雨 发生次数都有不同程度的增加作用 其中对最大日雨量的影响最显著 但是城市化对降水的影响程度仍然存在争议 Kaufmann等 8 认为珠江三角洲地区的 2172 自 然 资 源 学 报25卷 降水减少是由于城市化引起的地表水文特征改变引起的 植被覆盖 粗糙度 反射率 能量流 动和径流变化减少大气水分的供给 Trusilova等 9 对比欧洲非城市区域和城市化区域 城 市化区域冬季降水增多 夏季降水减少 Rosenfeld 10 认为城市产生的气溶胶减小云滴凝结 核 不利于降水的形成 郑思轶等 11 分析北京 40 a气候观测资料得出结果 北京城区年均 降水量呈下降趋势 城区下降幅度比郊区明显 并且波动性增强 王喜全等 12 认为城市化 的影响程度不可过分地高估 由此可见城市化对降水影响存在地区差异和季节差异 其很大程度上受到全球气候背 景的影响 如季风气候区雨季影响远高于城市化对降水的影响 降水变化与城市化无明显相 关关系 8 目前国内外研究大多是基于卫星 雷达遥感和地面水文 气象数据的统计分析 全球气候变化背景和城市化降水效应机理还有待深入探讨 如城市上空大云滴凝结核的增 雨作用和小云滴的抑制作用 以及 蒸发悖论 等 2 城市化对河流水系影响 2 1 河道结构 城市化对河流水系产生了较大影响 使河道结构趋于简单 城市化对河道结构的影响 因河道的等级 社会属性不同而异 一般高等级主干河道因疏浚作用以及不透水面积增加引 起的径流流速 洪峰流量和洪水总量增加而变宽 低等级河道则因为淤积以及城市建设 与 水争地 而逐渐变窄甚至消失 Gregory等 13 研究英国中南部 Monks河流域城市化的水文 效应 河流的空间格局发生变化 主河道宽度增加约 2 2倍 深度下降约 0 4 m 容量增加约 2 2 2 5倍 Vanacker等 14 基于航片和野外调查研究南厄瓜多尔 Deleg河河流系统 LUCC 的水文地貌响应 结果表明一般河道变窄超过 45 河床深切超过 1 m 河床沉积粒级从 13 2 cm下降到 4 7 cm 国内对太湖流域的研究发现河道淤积严重 数量减少 15 可见城 市化对河道结构的影响是复杂的 在研究河道敏感性和对阈值条件的响应时还要考虑到河 道的自然变化过程以及水利工程影响 河道改变与河网改变之间的联系需要进一步研究 2 2 河网形态 河网形态是河流网络中干流及支流的组合形式 主要的参数有水面率 河流长度 河流 频度 河流比降 河网密度 河网复杂度 河网自然度 河网结构稳定度 河网槽蓄容量与可调 蓄能力 H orton率 河流分维等 目前国内的研究主要集中在东部河网密集 快速城市化地 区 研究表明河网密度 河流长度和面积 水面率 结构稳定度 河网调蓄能力均呈下降趋 势 16 陈云霞等 17 进一步研究浙东沿海地区 河网水面率减幅与城镇用地增幅呈正相关 R 0 97 H orton定律是当前对河网形态进行定量描述的重要理论之一 提出以后不断 被修正并与河流分形分维理论结合应用于河网分布规律研究中 借助天然河流 Horton Strahler分级体系 支流数量N 长度 L 流域面积 A 与河底比降 S 存在以下关系 N RB L L1R 1 L A A1R 1 A S S1R 1 S 式中 为河流级别 为最大河流级别 L1 A1 S1分别为第 1级河流平均长度 平均流域面 积 平均河底比降 RB RL RA和 RS分别称为分支比 长度比 面积比和比降比 H orton定律 认为天然河网的 RB RL RA和 RS在一个很窄的范围 不随河流级别的变化而变化 18 河流 的分维值 D 即 RB与 RL的双对数线性回归的斜率 随河流发育而增加 Horton定律起源 于天然河网分布的统计规律 有研究表明 人类活动强烈 河网受到人为干扰的城市化地区 规律不明显 19 高度城市化地区 河网结构趋于简单 非主干河道不断减少 河网水系分支 12期徐光来等 城市化水文效应研究进展2173 比削弱 不同等级水系发育的自相似性受到破坏 以及小流域的土地利用变化对于河网发育 的影响使 H orton率产生改变 尽管如此 Horton比率 分形分维仍然是反映河流数量与长 度发育 河网分布以及城市化对河网影响的重要定量指标 目前城市化对河网影响的研究 主要问题有 平原河网地区河流等级划分 大量人工开挖形成的河流是否满足 Horton率范 围 不同比例尺地形图提取的河网分形结果之间的联系等 3 城市化对径流的长期影响 城市化过程中森林 农田 湿地等不断转化成居住地 工业用地或商业用地 城市地区不透 水面积增加 这种下垫面硬化过程使下渗量 截留量 蒸发量 基流和地下水位减少或降低 从 而影响流域产流 另一方面与河流渠化 防洪堤坝等水利工程措施共同作用使河道结构 河网 形态改变 从而影响河道汇流 产汇流的变化使城市化地区降水 径流过程不同于天然水系 3 1 城市化对径流的影响 土地利用 覆被变化 LUCC 的径流过程响应是近年来水文研究的热点 但是 LUCC与 径流产生的机理之间的定量化联系仍没有很好地确立 20 径流系数与降水量成正比 而降 雨量存在年际波动 如何在影响径流变化的诸多因素中剔除降雨年际变化因素是研究的重 要内容 一种方法是在较长的尺度范围内利用统计学方法 常用的方法有序列滑动平均法 有序聚类分析法 M ann Kendall检验方法 主成分分析 累积滤波器 21 等 上述统计学分析 方法成功剔除了气候因素影响 但缺点是需要较长的时间尺度 另一种方法是流域实验的 方法 该方法产生于上世纪 60 二是筑堤渠化会阻止河流宽度的增加 河流会下切河道 河流沉积物粒级变小 流速增加 14 三是集水区域河道渠化会增加径流汇 流流速 进而使洪峰过程线尖瘦和极端洪水的规模增加 由此可见城市化过程的地面结构 变化改变了水文情势 影响流域的产汇流过程 增加进入河道中的水量 洪峰时间提前 洪峰 流量增大 洪峰过程缩短 洪量趋于集中 在城市地区 少数不可避免的大洪水将增加水灾的损失 一些城市地区因地面沉降给防 洪带来压力 使洪灾损失加剧 一些山区中小河流 盲目开发行洪河滩 修建堤防进行城市 建设 流域洪水自然调蓄功能与河道行洪能力下降 导致小流量高水位的现象更加频繁 河 流洪水位将随着堤防的延长和加高而不断抬高 即 堤高水涨 随着经济发展的速度加 快 小洪灾造成的经济损失也逐渐加大 即所谓 小水大灾 现象 5 城市化对流域生态系统的影响 城市化的土地利用方式改变流域生态系统的物理 化学与生物特性 影响有机物质降解 过程 城市不透水面积使景观破碎减小了流域生态系统营养物质的移动 城市化的 LUCC效 应 使洪水和河流沿岸土壤湿润状况改变 而这些会影响生物种类多样性和分布 特别是本 土物种 城市化地区河流沿岸单一的生境和较高的污染负荷使鱼类和一些无脊椎动物种类 贫乏 综上所述 城市化引起的下垫面变化改变了流域生态系统原有的结构 使其功能退 12期徐光来等 城市化水文效应研究进展2175 化 M iltner等 34 研究认为不透水面积超过 13 8 时 生物完整性指数 Index of Biotic In tegrity 显著下降 Woo 35 对比沿岸为泥沙砾石的 白河 与沿岸为植被的 绿河 沿岸植 被缓冲带减轻城市化对流域生态系统的影响 河网水系生态系统的结构和功能是统一的 城市化过程对其的影响往往是使其结构单 一化 功能退化 所以在考虑人类生产生活而充分利用水资源的同时 也应考虑到水环境结 构的改变和流域生态系统对水的需求 水循环过程既要考虑大气水 地表水 土壤水和地下 水 也应考虑植物需水 生物群落结构一旦遭到破坏 恢复原来的结构可能需要上百年的时 间 在此背景下近年来国内兴起了生态用水 城市河流生态系统健康等相关研究 6 问题与展望 城市化对水文过程的影响已成为水文学研究的前沿问题 综观近年来国内外的研究成 果 得出的结论有一定的差异 甚至持有相反的观点 研究方法也在不断完善 许多问题仍需 要进一步研究和探讨 笔者认为 今后的研究思路主要应涉及到以下方面 1 城市化的水文效应具有明显的区域特点 不同地区有不同研究结果 如何将不同地 区研究成果归纳总结出规律性的结论是今后研究的主要方向 水文效应是诸多因素综合作 用的结果 如何将城市化因素从气象因素 水利工程因素中分离出来是研究的重要内容 2 向不同尺度方向发展 宏观上水文科学与大气科学交叉合作 研究区域 城市化 气候变化 水文过程 耦合系统的作用机理 微观上水文科学与环境学 生态学结合 研究 河流健康与流域生态系统 3 河网水系 径流 暴雨洪水方面 平原河网地区数字流域的建立 水系分级 H orton 率的修正或探讨 不同尺度水系分形分维之间的关系 综合流域实验方法的改进 城市化对 径流影响的水文模型与 GIS RS集成进行模拟与预测研究 变化下垫面条件 变化社会经济 条件下的水情 高度城市化地区防洪问题 城市雨水资源化 洪水资源利用 4 水环境 水生态效应方面 不同气候区内不同类型城市不透水面比率对水质产生突 变影响的阈值 水文过程的量质演变 时空分布及特征值变化研究 定量化城市化地区生态 环境需水最小量 结合水文与生态过程耦合作用机制研究河流健康 流域生态系统多样性的 保护 受损生态系统的修复以及生态城市的建设 城市化的水文过程响应研究具有重要的理论意义和实践价值 尤其对于像我国这样正 在快速城市化的国家 在今后的研究中 研究方法的改善以及与相关学科的交叉是该领域 的重要研究方向 如 GIS RS等现代技术与统计学方法 综合流域实验 分布式水文模型的 结合 水文学与大气科学 地质学 环境学 生态学等学科的交叉研究 研究重点在于定量化 城市化对水文过程的影响 以及研究结果的可靠性和推广性 从而提高城市水文学的研究水 平和成果 为城市化地区的水资源可持续利用 水环境和水安全提供理论指导 参考文献 References 1 于淑秋 北京地区降水年际变化及其城市效应的研究 J 自然科学进展 2007 17 5 632 638 YU Shu qiu Research of interannual change of precipitation and urban i mpact in Be ijing region Natural Science Progress 2007 17 5 632 638 2 Shepherd JM Ev idence of urban induced precipitation variability in arid cli mate reg i mes J Journal of Arid Environ ments 2006 67 4 607 628 3 M ote T LackeM Shepherd J Radar signatures of the urban effect on precipitation distribution A case study forA tlanta 2176 自 然 资 源 学 报25卷 G eorgia J GeophysicalResearch Letters 2007 34 20 L20710 4 Rose L Stallins J BentleyM Concurrent cloud to ground lightning and precipitation enhancement in the Atlanta G eorgia United States urban reg ion J Earth Interactions 2008 12 1 30 5 Shepherd J P ierceH NegriA R ainfallmodification bymajor urban areas Observations from spaceborne rain radar on the TRMM satellite J Journal of App liedM eteorology 2002 41 7 689 701 6 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 水利水运工程学报 2009 4 67 73 XU Y ou peng D I NG Jin jia CHEN Y ing I mpacts of urbanization on hydrology in the Yangtze R iver delta Hydro science and Engineering 2009 4 67 73 7 李娜 许有鹏 陈爽 苏州城市化进程对降雨特征影响分析 J 长江流域资源与环境 2006 15 3 335 339 L INa XU You peng CHEN Shuang Influence of urbanization on precipitation in Suzhou City Resourcesand Environ ment in the Yangtze Basin 2006 15 3 335 339 8 RobertK Kaufmann Karen C Seto et al Cli mate response to rapid urban growth Evidence of a human induced precipita tion deficit J Journal of Cli mate 2007 20 10 2299 2306 9 Trusilova K Churkina M JG et al U rbanization i mpacts on the cli mate in europe Numerical experi ments by the PSU NCAR M esoscaleM odel MM5 J Journal of AppliedM eteorology and Cli matology 2008 47 5 1442 1455 10 Rosenfeld D Suppression of rain and snow by urban and industria l airpollution J Scince 2000 287 5459 1793 1796 11 郑思轶 刘树华 北京城市化发展对温度 相对湿度和降水的影响 J 气候与环境研究 2008 13 2 123 133 ZHENG S i y i L I U Shu hua U rbanization effect on cli mate in beijing Cli matic and Environ mental Research 2008 13 2 123 133 12 王喜全 王自发 齐彦斌 等 城市化进程对北京地区冬季降水分布的影响 J 中国科学 D 辑 地球科学 2008 38 11 1438 1443 WANG X i quan WANG Zi fa QIYan bin et al The i mpact on the distribution of pre cipitation inw inter in Beijing reg ion by urbanization process Science in China SeriesD Earth Sciences 2008 38 11 1438 1443 13 G regory K Dav is R Downs P Identification of river channel change to due to urbanization J Applied Geography 1992 12 4 299 318 14 V anackerV M olina A GoversG et al R iver channel response to short ter m human induced change in 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等 感潮河网地区水系结构特征及城市化响应 J 地理学报 2004 59 4 557 564 YANG K a i YUAN Wen ZHAO Jun et al Stream structure characteristics and its ur banization responses to tidal river system Acta Geographica Sinica 2004 59 4