上海市水质状况分析

上海市水质状况分析

这条河流是城市自然环境的重要组成部分之一。数量和质量的变化是自然环境与人类活动长期互动的结果。上海地处长江三角洲的前缘,扼长江出海口,是我国重要的经济、贸易、金融中心之一,其自然环境的变化和社会经济的发展对我国具有极其重要的影响。一个世纪以前,上海地区河网密布,但在城市发展过程中,尤其是近半个世纪来,随着城市建成区域不断向外扩展,许多河流被填没、淤堵,河流数量大为减少,导致河道自然排水功能下降,加大了城市暴雨积水的可能,同时影响了河流的水质状况。本文基于遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术,剖析了上海市近50年来城市化过程中河流水网演化特征及其与土地利用变化的关系;探讨了河网水系演化对城市暴雨积水、城市排水的影响,研究它们之间的耦合关系;为今后城市发展过程中水环境的管理提供科学依据。一、数据来源与研究方法1.追溯资料的收集与研究为了能够准确、客观地反映研究区近50年来的河网演化情况,本研究采用航空像片作为主要信息源。收集了1964年、1979年、1984年、1989年、1994年、1999年共6个时相的航片2000多张,经过挑选,实际用到的有498张。为了追溯历史河网信息,增补了开埠前后和20世纪50年代的河流分布图。另外,还收集了以下资料:(1)近50年来河流水网演化记载文献。共收集了包括黄浦、静安、卢湾、杨浦、虹口、闸北、普陀、长宁、徐汇、南市、浦东、闵行、宝山等13个区县的地名志上的河流水网历史资料[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。(2)近50年来研究区内土地利用类型变化资料。参考了“上海市第二轮航空遥感调查与研究科研总报告”中“上海城市扩展和城市化过程及规律的遥感动态研究”的部分成果。(3)近50年来研究区内暴雨和暴雨积水资料。这部分资料可分为两个阶段:①1982年前,主要是文献记载的暴雨降水资料和积水资料;②1982年后,主要由上海市城市排水有限公司提供的以城市雨污水泵站为观察点测量获得的暴雨和积水资料。2.河流的流长度、深度属性分析及处理本研究主要应用遥感(RS)及地理信息系统(GIS)技术。具体操做过程如下:(1)1950年代以来上海地区河网水系分布图的建立。利用MAPINFO对选取的498张航片进行数字化处理。在几何校正、配准和参考研究区历史文献资料的基础上,建立了1950年代、1964年、1979年、1984年、1989年、1994年和1999年的上海地区水系分布图,在ARCVIEW平台上动态演示不同时相的河流分布情况。河流长度属性主要在GIS中直接量算获得,河流宽度属性的获得主要采取结合文献资料、从航片上测量、实地测量和估算的方法,河流的深度属性主要根据文献资料、实地测量和估算的方法建立。另外,对苏州河、东老河(现丽娃河)、环浜,以及普陀、宝山、闸北区部分河流进行了野外验证,校正航片判读的结果。从实地踏勘情况看,判读精度较高。(2)土地利用类型时空变化分析及处理。将土地利用类型划为:城市用地,包括居住用地、公共设施用地、工业用地、仓储用地、市政用地、特殊用地、绿地、待建和其他用地;交通道路用地,包括对外交通用地、道路广场用地;水域和农业用地三种类型。对上海半个世纪以来土地利用类型变化进行分析,并结合河网水系的演化和市区积水分布的演化,对三者进行相关分析,以期找出城市化与积水、排水之间的相互关系。(3)暴雨和暴雨积水分布的处理。对1959-1978年(全市)、1995-1999年(市区)历次暴雨雨量、降水梯度,利用人工神经网络模拟计算,通过三次样条内插,获得暴雨降水量等值线图和降水梯度等值线图。在Arcview软件中把暴雨积水分布图、河流水系分布图等图件进行叠加,从而可以直观地进行对比,进而找出城市排水系统分布的不足之处。对1997-1999年的积水资料,利用Arcview软件,将文字记录转换为空间分布,从而获得暴雨积水分布图。对于1997年之前的积水记录,主要是结合降水进行定性研究。3.城市水系的研究区范围本研究的工作范围主要选择在包括上海市内环线的矩形区域。包括上海市区的绝大部分,同时也包括部分郊区。从这个研究区范围我们可以清楚地看到本区河网水系随上海市区范围的扩展变化,有利于将郊区和市区进行对比研究;同时,把研究区集中于市区范围内有利于研究成果的实际应用。二、上海河网水系的发展特征1.上海城市河网水系的消失区研究表明,上海市中心城区的河网水系在一个世纪以前还像周边地区一样相当发育,十分密集。但是,随着工业发展,静安、黄浦、卢湾以及南市等中心城区的水系在20世纪50年代以前就基本消亡。20世纪50-80年代间,上海城市河网水系的消失区主要集中在徐汇、长宁、普陀、闸北、虹口、杨浦和宝山等区;20世纪80年代中后期,这些区的河流水系基本没有什么变化。1989年以后,普陀、闸北和长宁区的水系出现了较大程度的减少。据统计,近50年来,全市河流长度缩短了约270公里,河网密度也大为减少。例如:宝山区20世纪50年代河网密度为4.74公里/平方公里,至1994年为4.21公里/平方公里,到1999年锐减为0.93公里/平方公里,5年间减少了约78%。总的看来,20世纪50年代至60年代末和90年代中期至90年代末期变化最为显著。空间上,又以研究区的西北部和东南部变化剧烈。2.河流动态变化为了对河网演化和土地利用信息进行更加直观和量化研究,我们开发了一套基于Arcview软件的信息系统。运用该系统,不仅可以进行常规的图层缩放、叠加和各种查询,而且还可以实现不同时相河流的动态显示与统计,如可以量算任选区域的河流长度或面积等。结果显示:第一,1964-1984年间,所有区的河流长度和面积均呈持续下降趋势,以虹口和徐汇变化最为剧烈;第二,1984-1989年间,各区河流长度和面积基本没有呈现大的变化;第三,1989-1999年间,闸北、普陀和长宁变化明显,其他区仍然保持较为稳定的态势;第四,20世纪80年代上半期和90年代后半期是河流减少较为集中的两个阶段。以上变化特点是与上海城市建设的历史和发展速度相一致的。另外由于静安、黄浦、南市和卢湾4区的河流在1964年以前就已经消失,故不再统计。三、土地使用与河网水系发育之间的关系1.改革开放以来,区内市、城市用地分布不均衡,呈社会化趋势上海市第二轮航空遥感调查结果表明,50年来上海城市空间迅速扩展(表1)。上海市建成区面积从1947年的91.6平方公里(含浦东陆家嘴块)逐步扩大到1996年的364平方公里,扩大了约3倍;如与改革开放以来的统计数据对比(169.6平方公里;1979年),建成区面积约增加了1.15倍。市区城市化率也从1947年的40%相应增加到1979年的65.9%,并继续增加到1996年的96.2%。从用地类型上看,水域和农业用地逐渐减少,而城市用地则刚好相反,呈逐年递增趋势。水域和农业用地1947年为188.87平方公里,1979年为110.9平方公里,至1996年减少到29.82平方公里;总共减少了约84%。城市用地1947年为62.8平方公里,1979年为128.53平方公里,1996年增至208.6平方公里;总共增加了约2.3倍。2.楚地河流的分布调查表明,改革开放以来,上海市水网体系的消失主要集中在苏州河以北。在Arview软件中将河网水系图与相应的土地利用图相叠加,清楚地看出河流随城区扩展而逐渐减少的趋势;尤其是城市边缘区的河流大量和迅速地消失,更是城市化的直接后果(图1)。譬如,1990年代后随着城区向西北和北部迅速扩展,导致本市西北部苏州河以北的河流大量消失,如今只剩下澎越浦等大的支流。市区河流长度随年代推移而减小,而城市化率则逐年递增,二者显示了很好的负相关关系(图2),相关系数高达-0.95,说明河流长度受城市化的影响强烈。四、国内外既有关系十分复杂城市排水是一项系统工程,牵涉到城建过程中的众多方面,关系十分复杂。研究表明,暴雨积水不仅与暴雨分布、地面高程等有关,更主要与本区域河流消亡、以及管网的排水能力密切相关。1.泵站至泵站稀疏区在利用神经网络对本区近年暴雨积水的空间分布进行模拟,并与全市的排水泵站分布进行对照后,我们发现,各区交界处往往是泵站分布稀疏之地,因而也是暴雨积水较为集中之区。如1999年夏季的暴雨降水,大量积水出现在卢湾区与南市区、静安区与徐汇区之间的泵站稀疏区(图3)。由此可见,管网-泵站系统不能完全代替自然河道排水功能。在现代城市发展过程中,应尽量保留河流水系;同时在水网体系大量消亡区,大力完善管网-泵站系统,以弥补因水系消亡带来的排水困难。2.径流系数的确定如前所述,本区在近50年间土地利用类型发生了巨大的变化。农业用地大幅度减少,取而代之的是工业和交通用地;从而导致大量水网体系的消失和不透水面积增加,改变了流域下垫面的性质,径流系数增大;并直接影响到暴雨积水。据《室外排水工程规范》标准,径流系数采用由地面种类确定,各种屋面、混凝土和沥青路面径流系数(ψ)取0.9;大块石铺砌路面、沥青表面处理的碎石路面取0.6,级配碎石路面取0.45;干砌砖石和碎石路面取0.3,公园和绿地取0.15。本研究将其概化为城市用地取0.8,交通道路用地取0.45,水域和农业用地取0.1。由概化的标准计算的径流系数如(表2)。由(表2)可以看到,由土地利用类型转化而来的径流系数从1947年至1996年逐年增大(从0.29到0.67)。无庸讳言,增大的径流系数造成市区积水几率增加。稍有降水,便可能形成大面积的积水。另外,随着市域不断扩大,农业用地被大量征用为城市用地,河流或被倾倒垃圾逐渐淤塞,或因城市扩展逐渐被填没消失,也是导致本区近20年来的水质恶化的重要原因。五、驳岸水系的消失及演化趋势河流是一个国际性大都市不可或缺的自然环境要素之一,涉及到城市排水、城市景观,以及水环境整治等。研究表明:●上海市区在一个世纪以前的河网水系像周边地区一样密集。近半个世纪以来,随着上海城区不断扩展,许多河道被填没淤堵而逐渐消失,河流水网大面积萎缩。调查表明,市中心区的河网水系早在20世纪50年代前就基本消失;50-70年代是当时的周边地区河流快速消亡时期;80年代是稳定期,90年代又呈现快速消亡趋势。据统计,近50年来全市河道长度缩短了约270公里,河网密度也大为减少,严重影响了河流的天然排水能力,从而加大了城市排水系统的压力。●土地利用变化是直接导致河网水系消失的重要原因。我们研究表明,目前上海市建成区面积比1947年增加了约3倍,城市化率也增加到96%以上。工业、交通和居住用地大量增加,农业用地因而明显减少。将河网水系演化信息与土地利用变化信息对比,可以清楚地看出河流随城区扩展而逐渐减少的趋势。●随着河流大量消亡及用地类型的改变,导致城市暴雨积水的概率增加,尤其在上海市泵站-管道功能的薄弱环节,如各区的交界处。1999年夏季在卢湾区与南市区、静安区与徐汇区之间出现的暴雨积水就是很好的例证。六、水网体系的消失,导致排水系统分布参数更新●河网水系是一个国际性大都市必不可少的水环境要素,牵涉到城市排水、城市景观,以及水环境治理等。因此,决不能以城市发展为理由,随意填