长江三角洲地区城市化对流域水系与水文过程的影响

2012-5  

科学出版社  

许有鹏  

232  

359000  

《长江三角洲地区城市化对流域水系与水文过程的影响》针对长江三角洲地区城市化快速发展所引起的流域下垫面、河流水系以及水文过程的变化，系统开展了城市化发展下的水文效应研究。书中首先基于不同时期遥感影像解译，对比分析了城市化对流域下垫面的影响；通过不同时期地形图叠加，探讨了城市化对河流水系的影响。其次借助长系列降雨径流资料，揭示了城市化对降雨径流的影响；通过对平原水网地区水位过程的变化分析，探讨了城市化对水位过程的影响。在此基础上，基于城市化小流域实验观测以及水文模型的计算分析，模拟预测了城市化对降雨径流与暴雨洪水的影响；并通过景观格局、水生态环境变化研究，分析了城市化对生态环境的影响。
《长江三角洲地区城市化对流域水系与水文过程的影响》可为我国城市化发展对流域水文、水资源与水环境影响的研究提供参考，也可供地理、水利、生态、环境科学、资源与可持续发展等相关领域的科学研究人员、工程技术人员、管理决策人员及大专院校、科研院所师生使用和参考。

前言第一章 概述1.1 城市化与水文过程1.2 国内外研究进展1.3 主要研究内容与方法1.3.1 研究内容1.3.2 研究方法1.4 主要成果简述1.4.1 研究分析途径1.4.2 研究成果分析第二章 长江三角洲地区城市化与流域下垫面变化特征分析2.1 区域概况2.1.1 区域位置2.1.2 自然地理特征2.2 城市化进程分析2.2.1 城市化指标2.2.2 城市化进程2.3 下垫面特征的遥感信息提取2.3.1 数据源的选取2.3.2 下垫面特征的提取2.4 城市化进程中的下垫面变化2.4.1 总体下垫面时空变化特征2.4.2 各区域下垫面变化分析2.5 小结第三章 长江三角洲地区城市化进程中水系格局变化3.1 武澄锡虞区与阳澄淀泖区城市化进程中水系格局变化3.1.1 水系提取、分级与指标选取3.1.2 水系变化特征分析3.1.3 水系演变影响因素分析3.2 杭嘉湖区城市化进程中水系格局变化3.2.1 水系提取分析3.2.2 水系特征变化3.2.3 河网结构变化3.2.4 水系演变影响因素分析3.3 浦西区和浦东区城市化进程中河道水面变化3.3.1 水系提取分析3.3.2 河道变化分析3.4 秦淮河区城市化进程中水系格局变化3.4.1 水系提取分析3.4.2 评价分析指标分析3.4.3 水系变化与影响因素分析3.5 鄞东南平原区城市化进程中水系格局变化3.5.1 水系提取分析3.5.2 水系变化特征3.5.3 水系演变影响因素分析3.6 城市化发展对水系衰减影响分析3.6.1 影响因素分析3.6.2 河流保护分析3.7 长三角水系变化特征第四章 长江三角洲地区城市化对降雨径流的影响4.1 城市化对降雨的影响4.1.1 资料与站点的选择4.1.2 城市化对年雨量的影响4.1.3 城市化对汛期雨量的影响4.1.4 城市化对冬季雨量的影响4.1.5 城市化对不同量级降雨的影响4.1.6 城市化对降雨影响的趋势分析4.1.7 不同时期降雨集中度和集中期比较4.2 城市化对太湖平原产水量的影响4.2.1 土地利用变化与流域产水量4.2.2 月产水量计算模型4.2.3 产水量变化与太湖水位4.3 城市化对径流的长期影响4.3.1 苕溪流域概况4.3.2 数据基础4.3.3 西苕溪模拟分析结果4.3.4 东苕溪模拟分析结果4.4 小结第五章 长江三角洲地区城市化对河网水位及水系调蓄能力的影响5.1 太湖腹部区城市化进程中水位过程变化5.1.1 水文变异指标分析5.1.2 河网极值水位时空变化5.1.3 水位历时曲线分析5.2 太湖腹部区水位变化与城镇化的关系5.2.1 研究区水系与水位分形之间关系5.2.2 水位变化对城镇化的响应5.3 太湖腹部区水系调蓄能力变化5.3.1 调蓄能力的地区差异5.3.2 不同年代调蓄能力的变化5.3.3 不同等级河道的调蓄能力差异5.4 长江三角洲其他地区水位过程变化5.4.1 秦淮河地区5.4.2 奉化江流域5.4.3 杭嘉湖地区5.5 小结第六章 城镇化小流域水文实验观测与计算分析6.1 城镇化水文实验方法6.2 城镇化水文实验区的选择与设计6.2.1 城镇化小区的暴雨洪水实验6.2.2 不同类型小流域对比实验观测6.3 实验观测成果与分析6.3.1 城镇化小区的实验观测与计算分析6.3.2 城镇化实验小区暴雨洪水模拟6.3.3 不同类型实验区观测结果分析6.4 小结第七章 城镇化水文效应的模拟与预测7.1 流域城镇化长期水文效应的模拟与预测7.1.1 模拟模型的建立7.1.2 城镇化水文效应的模拟分析7.1.3 城镇化水文效应的预测分析7.2 流域城镇化对暴雨洪水的影响7.2.1 暴雨洪水模型的建立7.2.2 城镇化下暴雨洪水模拟7.2.3 城镇化对暴雨洪水影响预测分析7.3 小结第八章 长江三角洲地区城市化对生态环境的影响8.1 研究区概况及城市化特征8.1.1 杭嘉湖地区概况8.1.2 杭嘉湖地区城市化特征8.2 城市景观格局变化8.2.1 城市化综合水平8.2.2 景观动态变化分析8.2.3 城市化与景观动态变化的关系研究8.3 城市水环境变化8.3.1 城市周边区域水环境概况8.3.2 控制站点的水质情况8.3.3 城市环境熵值模型8.4 城市化对生态系统健康的影响8.4.1 主要指标的计算8.4.2 生态系统的健康评价8.5 城市化对湿地生态的影响8.5.1 城市化对湿地景观格局的影响8.5.2 城市化对湿地生态环境需水的影响8.5.3 城市化对湿地综合生态安全的影响8.5.4 杭嘉湖地区“城市-湿地”系统耦合协调分析8.6 城市化过程中的生态环境效应第九章 结论与展望9.1 主要结论9.2 展望分析参考文献

第一章 概 述1.1 城市化与水文过程水文过程是气象因素与下垫面条件共同作用的结果。随着城市化的快速发展，流域下垫面土地利用方式与河流水系形态结构产生了较大变化，流域内的降雨径流形成规律发生改变，最终导致流域水文过程的变化。由此，引发了洪涝灾害现象频繁发生、河流水质恶化等一系列水文、水资源与水环境问题。当前城市化发展对流域下垫面、河流水系以及水文过程的影响已成为人们十分关注的问题。长江三角洲是当前世界上最大的三角洲之一，也是世界上最大的都市圈（城市化群）之一。它以约占全国1%的土地和6%的人口，创造了全国17%的国内生产总值（GDP），是我国经济最发达的地区之一。然而，随着经济的迅猛发展，工业化及城镇规模的不断扩大，洪涝灾害以及水环境恶化问题也随之加剧。长江三角洲地区洪涝灾害频发及水环境恶化现象的出现，与该区气象因素、下垫面条件、自然地理状况以及人类活动密切相关。其中，地理特征和流域水系特点决定了其洪涝多发性，而区域内河网密度大幅度减小、河网结构趋于简单，导致了该区洪涝灾害频繁发生、水污染状况不断加剧。此外，气候变化和土地利用/覆盖变化使得该区水循环过程发生较大改变，而城市化所引起的河流水系变化则对洪水过程产生显著影响，同时河流水系功能衰减与河道淤积也使得河流自净能力下降。在各种因素的综合作用下，长江三角洲地区洪涝灾害频繁发生，水环境问题日趋严重，在很大程度上制约了其现代化建设的进程与可持续发展。因此，探讨该地区城市化发展对流域下垫面地表覆盖与河流水系的影响，分析下垫面及河流水系变化对降雨径流、河道水位等水文循环要素的影响，既有利于城市化进程中流域防洪减灾的研究，也可对变化环境下水文特征与洪涝变化规律有更深入的了解。基于城市化对洪涝孕灾环境影响等防洪减灾研究的迫切性和必要性，本书开展了城市化对河流水系与水文过程影响的研究，主要涉及以城市化为代表的人类活动对河流水系的影响、流域下垫面及河流水系变化对流域水循环和水文特征的影响、水循环和水文过程变化对洪水过程以及水环境的影响等方面的探讨分析。其研究内容不仅有利于对新形势下城市化地区水文特征变化规律的深入了解，还可为我国东部城市化地区防洪减灾及水资源持续利用提供决策依据；其研究成果必将为当前人水关系研究提供良好的素材及有力的技术支持，为我国东部其他城市化高度发展地区的河流保护、洪涝灾害防御、水环境保护以及水资源可持续利用的研究提供较好的借鉴和参考。1.2 国内外研究进展城市化（也称为城镇化①）是人类社会发展的必然进程，其发展给流域下垫面的土地利用方式以及地表覆盖带来较大影响。城镇和工矿企业规模的不断扩大，使得流域下垫面由透水性较好的农业用地向透水性较差的城镇用地转变，原有的河道水系被人工排水渠道、管网所代替，下垫面的产、汇流条件发生了很大变化。因而，城市化的水文过程的独特性，促使了对城市水文的研究。近年来，随着我国城市化进程的加快，城市水资源短缺、洪涝灾害加剧以及水环境恶化等城市水问题日趋引起了人们关注，城市化水文效应以及城市化对洪涝风险与孕灾环境的影响已成为当前人们关注的热点领域。城市化对河流水系、水循环以及水文过程的影响也是国际水文研究中备受关注的问题之一。国外从20世纪60年代起就开始关注城市化对水文过程的影响。70年代欧美等发达国家相继开展一些城市水文的研究与实验观测工作。1975年UNESCO“水文十年”计划中就已开始城市化对水文影响的研究，同时许多学者相继开始进行有关土地利用/地表覆盖变化对河流变化与水文过程影响等方面的工作，且一些城市水文实验观测以及遥感和GIS技术逐渐应用到水文领域。此外，城市河流水生态与水环境问题也不断受到重视，尤其是日本学者在城市河流的自然治理方面进行了较深入的研究。80年代以来，随着国内城市化进程的加快，我国也陆续开展了城市水文的研究工作。目前，国内外在城市化进程对河流水系、城市气候与水循环、城市暴雨洪水、城市水文模型、城市水生态环境以及城市水安全的影响等方面已取得一批有价值的研究成果，但这些研究工作尚未能综合开展，基本是以单个城市或城市内的汇水单元进行的。1）城市化等人类活动对流域下垫面与河流水系的影响随着城市化的发展，土地利用方式发生变化，尤其是河道渠化以及城市给排水管网的建设使流域内原有水循环路线发生较大变化。为此国外研究主要集中在土地利用变化、河流泥沙以及河道渠化等方面（Hooke，2005；James，2006），2006年召开的国际地貌学大会还以“人类在改变河流系统中的作用”为主题开展研讨。国内早期从河流地貌学以及河流水沙动力学角度来研究长江、黄河等大江大河的中下游河流水系变化。近年来随着城市化的快速发展，众多河流水系相继消失，河道人工渠化严重，且河网形态结构发生不同程度的改变，由此引发的洪涝干旱、水质恶化等问题日趋严重。与此同时，人们对河流变化规律研究的重视程度也日益增强，并开始从防洪、排涝以及水生态环境保护的角度对河流水系变化开展研究分析。目前，国内在城市化对河流水系影响方面已开展一些研究，杨凯、袁雯（2005）从水环境角度对上海市河网水系变化开展诸多研究；陈德超等对上海城市化进程中的河网水系演化进行研讨，不仅揭示出上海河网水系因城市化锐减，还提出河流自然排水功能下降、径流系数增加不利于排水的结论；而陈云霞等（2006）则从洪涝灾害角度对城市水系的变化开展研究。但国内外对水系结构的研究主要集中于自然状态或局部小流域，并且以自然树枝状水系形态较为多见，而对大规模高度城市化的平原河网地区水系结构的表征方法及其规律的研究相对较少，河网地区分类中难以直接采用Horton与Strahler河流分级体系，一定程度上影响了平原河网地区水系形态的研究。目前，城市化下河流水系变化对水文过程影响等方面的研究仍处于起步阶段，相关的研究工作亟需开展。2）城市化对降雨的影响早在20世纪初，众多学者就开始关注城市降水方面的观测分析研究，并从理论上证实了城市“热岛”和“雨岛”效应。目前国外已有许多相关研究成果，国外学者通过比较圣路易斯、华盛顿、斯德哥尔摩等城市以及同期不发达的城市或郊区，得出城区降雨量呈显著增加趋势的结论。20世纪60年代以来，国内在广州、上海、南京与杭州等一些大城市也曾开展类似研究（朱元�等，1991）。其中，周建康（2003）对南京降雨量的统计分析表明，该区域发生大雨、暴雨的频率及年降雨量均呈现增加趋势；周桂明（1989）发现杭州的城市环境变化使降雨量增加了约13%～15%；李天杰（1995）指出城市化对上海存在显著的增雨效应；李娜等（2006）就苏州城市化对降雨的影响进行分析，认为城市化对年雨量、汛期雨量和最大日雨量都有不同程度的增加作用，其中对最大日雨量的影响最为显著。同时，北京、天津等城市开展了城市化对气候和降雨的影响研究，利用一些城市小区实验观测资料，通过统计分析、频率计算和推理公式的方法，对城市降雨、设计暴雨和洪水进行计算（杨凯，1993；李蝶娟、刘俊，1999）。然而，城市化对降雨的影响仍存在一定的不确定性，更深层次的规律及机理还有待进一步研究探讨。3）城市化对径流与洪水影响目前主要采用概念性水文模型来模拟分析城市化进程中降雨径流、暴雨洪水以及河流水环境变化状况。如国外学者采用美国水土保持局的SCS模型计算方法，分析相同雨量条件、不同下垫面状况下，城市化对径流的长期影响（Bhadurietal.，2001；Hundecha，2004）。目前这方面分析较多采用美国的SWAT模型和HEC模型，并已取得较好的模拟效果。在模拟分析时，首先通过研究流域的实测降雨径流资料确定模型参数，调试好所选水文模型，并进行验证分析；然后选择相同的典型降雨序列作为输入，根据未来城市化发展下各种土地利用与地表覆盖变化状况，借助GIS空间数据库，通过图形叠加分析计算，模拟预测未来城市化发展对径流、洪水以及水质过程的影响。而对城市化小区水文计算，目前广泛采用城市暴雨洪水模型。国外较著名的城市水文模型有SWMM、STORM、ILLUDAS等。这些模型大多将城市划分成不同大小的汇水小区，采用Horton或Philip下渗公式计算透水面积基础上的产流，应用简化非稳定流方程及动力波理论计算地面和管网汇流。近年来，我国在城市暴雨洪水综合模拟方面也取得一些可喜成果，如刘俊等（2006）对SWMM模型加以改进，提高了其在我国城市暴雨洪水中的实用价值；徐向阳（1998）针对平原城市的雨洪过程，提出了针对平原城市特点的计算模型，包括产流子模型、坡面汇流子模型、管网汇流子模型和河网汇流子模型，经验证表明成果较为合理可靠。4）城市化水文效应实验研究国外已开展了许多观测研究。美国学者Witala早在1961年，通过对密歇根州RedRun流域的观测分析，得出城市化发展使洪峰流量达到未开发时的2～5倍，迟滞时间是开发前的1/5～1/2，以及城市化导致流域洪水更加频繁的结论。国内城市水文实验研究的起步相对较晚。1988年，北京市水文总站设置了四个城市功能的典型实验区，开始观测不同城市化程度及不同土地利用状况下暴雨洪水过程的变化。吴学鹏等（1992）通过实际观测和概化模型实验提出当不透水面积比例超过20%时，城市化影响明显；徐向阳（1998）和刘俊等（2006）结合实验观测并应用SWMM模型，分别就上海市、北京市集水小区城市化发展对雨洪的影响进行分析，结果表明城市规模的扩大、不透水面积的增加导致降雨入渗量减少、径流系数加大、地表径流量和洪峰流量加大。虽然国内外众多研究已表明城市化对流域水文过程的影响，但不同地区城市化对水文过程影响程度不同（Chang，2007），各地区城市化水文效应仍存在一定差异。5）城市化对洪涝灾害的影响城市化进程的快速推进使得流域地表属性以及河湖水系特征均发生较大变化，并由此引发孕灾环境的变化。国外十分关注气候变化背景下城市化对洪涝的影响，特别是城市不透水面积增加、水系格局变化等土地利用变化所引起的灾害效应。如在欧洲多瑙河流域、美国洛杉矶市、韩国釜山等地的研究均表明，快速城市化发展导致地表径流量增加、洪峰强度增大、城市化负面水文效应增加，而水系格局的演化，如河道渠化、水面率与河网密度减小等，引起洪涝灾害加剧。目前我国一些地区如珠江流域、上海市区，已开展洪涝孕灾环境变化的相关研究，较好地探讨了城市化过程中下垫面变化对孕灾环境的影响。珠江流域的研究发现，高强度人类活动是珠江三角洲河网区水文与地貌特征变异的直接原因；上海市区的研究表明，城市化进程中河流水系变化对其调蓄能力的影响显著。6）城市河流生态环境研究城市化与生态环境之间客观上存在着较为复杂的耦合关系，城市化发展的直接后果是导致城市的土地利用/覆盖发生剧烈变化，从而致使城市景观格局在不同水平下发生剧烈变化。随着城市化进程对生态环境影响的显著增加，城市化与生态环境之间关系的研究引起国内外学者的广泛关注。城市化与生态环境之间的响应机理，是人地关系地域系统研究的热点问题，也是面向可持续发展的人文过程与自然过程的综合研究方向之一。国外对城市化与生态环境问题的研究开始较早，自19世纪末期，历经起源、展开和多元化阶段，主要涉及地理学、经济学、生态学、社会学等领域的研究。国内从20世纪70年代开始对城市化与生态环境的关系展开研究，进展较快，多集中于城市化引起的城市生态环境效应、城市社会经济自然复合系统、生态城市、健康城市及可持续发展等方面的研究；同时通过研究城市化进程中景观格局变化来探讨城市发展所伴随的景观组成和斑块的变化，及由此产生的生态环境效应。随着新技术、新理论、新方法的应用，目前国内外学者将土地利用与景观格局变化分析作为研究生态环境效应的突破点。而在城市水环境模拟研究方面，国外学者利用降雨径流模型模拟出城市化影响下非点源污染过程。在国内，杨凯、袁雯等（2004）针对上海市黄浦江流域平原水系大规模消失的状况，开展河流水系结构与生态环境关系的研究；陈云霞、许有鹏等（2006）围绕甬江流域开展流域下游河网水系消失现状分析及其对洪涝和水环境影响的研究。随着“工程水利”向“资源水利”的转变，人们对河流保护研究的重视日益增强，城市化地区水利部门正着手开展流域保护规划，把河流湿地保护与水生态修复的研究提上重要日程。虽然城市化对水文过程的影响已有许多研究，但目前国内关于城市化背景下，流域下垫面及河流水系变化对水文过程影响的研究仍处于起步阶段。尤其是我国城市化水平较高的长江三角洲平原地区，河网水系纵横，河流水系形态结构受人类活动影响较大，在高强度人类活动干扰下，该地区河湖演变及河网水系变化对水循环与水文过程的影响等方面的研究亟待开展。1.3 主要研究内容与方法1.3.1 研究内容本书针对长江三角洲地区（简称为长三角地区）下垫面以及河流水系的特点，探讨城市化发展等人类活动对下垫面与河流水系以及水循环与水文过程的影响，重点研究全球变化背景下以城市化高度发展为代表的流域下垫面条件改变对水文特征以及暴雨洪水的影响，分析长江三角洲地区城市化流域洪涝变化规律，以及河流水系变化对水环境的影响，主要包括以下三方面的内容。1）城市化发展对下垫面与河流水系的影响应用长江三角洲地区各水系单元不同时期遥感影像、地形图以及土地利用图等图件资料，分析不同时期城市化发展对流域下垫面土地利用与地表覆盖的影响，重点分析区域内不透水面变化情况、河湖水面与水系格局变化过程，探讨其时空变化特征及规律，从而定量分析城市化发展对流域不透水面及河流水系等下垫面变化的影响。2）流域下垫面与河流水系变化对水循环及暴雨洪水的影响选取研究区内典型流域，利用长系列降雨径流资料分析对比，结合典型流域实验观测分析，研究不同城市化水平下水循环过程中降雨径流及河流水位的变化，分析城市化发展下河流水系变化对流域年雨量、汛期雨量以及平原区河流水位的影响；探讨城市不透水面、河流水系的变化对城市暴雨洪水的影响，继而寻求城市化对暴雨洪水影响的规律。由此，基于研究区内历史暴雨洪水资料，结合实验区径流实地观测数据，建立流域降雨径流模拟模型，开展不同城市化水平下洪水过程的模拟分析，模拟预测研究区城市化发展对降雨径流与暴雨洪水的影响。3）城市化发展对水生态环境的影响根据城市化发展及下垫面变化对生态环境的影响特点，开展城市化发展对生态环境影响的研究。通过城市化与景观格局以及城市化进程与生态环境健康之间的关系，综合评价分析城市化对流域生态环境的影响。主要针对研究区快速城市化导致河网水系大规模消失、河道淤积等水系格局显著变化的背景情况，探讨研究区河流水系变化对生态环境的影响，探寻河道调蓄能力下降、河流水环境恶化与生物多样性减少以及湿地生态变化的内在原因，从而为水环境保护提供支持。1.3.2 研究方法借助遥感、遥测和地理信息系统（GIS）等技术的支持，采用多学科交叉的研究方法，将宏观和微观相结合、确定性分析与特征统计相结合、水文模拟与地理综合相结合，探讨长江三角洲地区城市化对下垫面与河流水系以及水循环与水文过程的影响，重点分析城市化对孕灾环境与洪涝灾害风险的影响。在时间尺度上，通过不同时期遥感图像、河网水系图以及长系列历史水文资料，对比分析人类活动对流域下垫面、河湖水系及河网格局的影响，分析下垫面变化对水循环过程以及径流长期变化的影响，研究不透水面积增加、河网水系变化引起的水文过程与洪涝特性变化等水文问题；在流域空间尺度上，通过遥感图像的解译分析、典型流域水情监测分析，以及实验流域野外对比观测，分析不同区域城市化发展对下垫面、河湖水系、暴雨洪水过程以及水生态环境的影响。在此基础上，利用遥感与GIS技术，建立城市化地区降雨径流模拟模型，定量分析城市化发展对水文过程的影响；并通过综合评价模型，定量分析城市化对洪涝灾害的影响，协调城市化发展与洪涝灾害的关系，为城市化地区可持续发展提供支持。1.4 主要成果简述1.4.1 研究分析途径（1）通过野外调研，收集研究区各主要水系自20世纪60年代以来不同时期的地形图、土地利用图等有关流域下垫面特征的图件以及自20世纪90年代以来三个典型时期的TM遥感影像，同时收集长三角地区各区域雨量、水位及部分径流资料，建立研究区遥感与GIS空间图形数据库与水文数据库，为研究区城市化发展对洪涝孕灾环境研究提供数据支撑。（2）通过20世纪90年代以来不同时期遥感影像解译和信息提取，编绘出研究区各典型水系单元不同时期土地利用/地表覆盖类型图，分析不同时期、不同城市化发展水平下城市土地利用变化过程，……

《长江三角洲地区城市化对流域水系与水文过程的影响》可为我国城市化发展对流域水文、水资源与水环境影响的研究提供参考，也可供地理、水利、生态、环境科学、资源与可持续发展等相关领域的科学研究人员、工程技术人员、管理决策人员及大专院校、科研院所师生使用和参考。

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很好的一本书，冲着作者许有鹏的名气买的，确实有教益。