城市化水文效应研究进展

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 , H orton 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 H orton 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 [ 20] 径流产生的机理之间的定量化联系仍没有很好地确立 。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 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& 70 年代 , 包括控制流域法、 单独流域法、 平行流域法和多数 平均流域法 。 G ilbert等 运用实验方法研究不同类型下垫面降水 - 径流的量质变化 , 结果表明沥青、 渗透性混凝土和碎石平均渗透率分别为 0 、 11 2 和 9 0 cm / h , 沥青路面污染 物的浓度变化幅度显著小于其它两种路面。流域实验方法能较精确地模拟不同下垫面条件 下的径流, 缺点是需要较长的时间, 通常在小流域进行, 结果也不尽如人意, 甚至得出相反的 结果, 研究结果难以推广。 近年来主要研究方法侧重于水文模型法。即建立降水 - 径流模型 , 将不同时期降水量 代入模型中 , 研究同样降水条件下城市化引起的下垫面变化对径流的影响。使用较多的是 美国土壤保持局 1972年开发的 SCS 方法。方程为: 2 P e = (P - 0 2S ) / (P + 0 8S ), S = 2 540 /CN - 25 4 式中: P e 为径流, P 为降水 , S 为潜在的最大滞留, CN ( curve num ber) 值通过实验的方法确 立 , 不透水面与水体 CN = 100 , 透水面 CN < 100 , CN 值与前期土壤湿润状况、 土壤类型和土 地利用有关。该模型在国内外被广泛应用 。此后建立在 SCS 基础上的模型有 H arbor 于 1994 年开发的 L TH I A 模型 , 美国陆军工程师团开发的 H ES 模型的子模型 HEC HM S 模 型。此外用于定量土地利用变化对径流影响的模型还有美国环保署 ( EPA ) 1971 年开发的 模拟动态降雨 - 径流的 S WMM 模型 , 以及 Stanfo rd 模型 ( S WM )和以其为基础的 H SPF 模型 等。模型由集总式向半分布式或分布式方向发展 , 水文模型仍然是研究城市化对径流影响 的主要手段。国内许有鹏等
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。
[ 8] [ 6] [ 7]
认为珠江三角洲地区的
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 m ai: l guanglaixu@ ya hoo. com. cn
第 25 卷 第 12 期 2010年 12 月
自
然
资
源
学
报
JOURNAL OF NATURAL RESOURCES
V o l 25 N o 12 D ec ., 2010
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 城市化 地区河网结 构趋于 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 ;
[ 1]
。 Shepherd 研究美国西部、 阿拉伯干旱地区降
[ 2]
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 [ 3] [ 4] 的下垫面变化及其地形的相互作用有关。 M o te 等 、 Rose 等 也认为城市区域能激发或者 增加降水。 Shepherd 等 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
[ 16] [ 17]
,
L = L 1RL ,
-1
A = A 1RA ,
-1
S = S 1R S
-1
式中: 为河流级别, 为最大河流级别 , L 1、 A 1、 S 1 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 、 R L、 R A 和 R S 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 、 R A 和 R S 在一个很窄的范围 , 不随河流级别的变化而变化
[ 11] [ 9]
分析北京 40 a 气候观测资料得出结果, 北京城区年均
[ 12]
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 的影响程度不可过分地高估。
认为城市化
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 [ 8] 关关系 。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。
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
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 [ 13] 水争地 ∃而逐渐变窄甚至消失。 Gregory 等 研究英国中南部 M onks 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 基于航片和野外调查研究南厄瓜多尔 De leg 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
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。 T rusilova 等 对比欧洲非城市区域和城市化区域, 城 [ 10] 市化区域冬季降水增多, 夏季降水减少。 Rosenfe ld 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
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 文献标志码 : A 文 章编号 : 1000- 3037( 2010) 12- 2171- 08 中图分类号 : P 343 9
[ 15 ] [ 14]
。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 。陈云霞等 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 H orton S trah ler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
[ 18 ]
。河流
的分维值 ( D ) 即 R B 与 R L 的双对数线性回归的斜率 , 随河流发育而增加。 H orton 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
[ 5]
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 。李娜等 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。 Kaufm ann 等
[ 26] [ 24 25 ] [ 22] [ 23] [ 21]
应Байду номын сангаас L TH IA 模型对西苕溪流域近 30 a 的降雨 - 径流进行