上海中心城區(qū)土地利用-土地覆被變化的環(huán)境水文效應(yīng)研究.pdf

1、土地利用/土地覆被變化(LUCC)研究是目前全球變化研究的前沿和熱點課題?？焖俪鞘谢瘜?dǎo)致城市規(guī)模不斷地擴張，高強度人類活動劇烈改變城市土地利用/土地覆被類型，形成不同于自然地表的“城市第二自然格局”，對城市地表水文過程產(chǎn)生深刻影響。城市LUCC水文響應(yīng)是體現(xiàn)人類活動對城市水文循環(huán)影響的理想研究對象。論文選擇位于中國東部平原河網(wǎng)地區(qū)的上海中心城區(qū)為研究區(qū)域，從環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)及水文學(xué)的交叉視角，采用理論與實踐結(jié)合、定性和定量分析相結(jié)合的方法

2、，以城市化地區(qū)長時間尺度LUCC特征和演變過程研究為切入點，圍繞LUCC導(dǎo)致的水量和水質(zhì)效應(yīng)兩條主線，探討了上海中心城區(qū)LUCC的環(huán)境水文效應(yīng)，并嘗試構(gòu)建了基于“生態(tài)排水”理念的城市化地區(qū)土地利用/土地覆被類型的優(yōu)化策略。論文主要研究結(jié)論體現(xiàn)在以下四個方面。 (1)上海市中心城區(qū)50余年來，主導(dǎo)土地利用類型經(jīng)歷了一個從水域(包含農(nóng)田)、城市住宅用地和道路廣場用地逐步向城市住宅用地、工業(yè)用地和綠化用地轉(zhuǎn)化的多變過程，土地利用結(jié)構(gòu)逐

3、漸向均衡狀態(tài)發(fā)展，各土地利用類型的面積差別減小，土地利用結(jié)構(gòu)均質(zhì)性增強。對小尺度城市匯水域的案例分析表明，隨著城市化過程的發(fā)展，受人類活動影響，小尺度城市匯水域的LUCC過程存在較大分異，對城市水文過程產(chǎn)生深刻影響。中心城區(qū)50余年來水域面積大量減少導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能顯著下降，經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、城市建設(shè)加速與人口增長是主要驅(qū)動力。 (2)從區(qū)域河網(wǎng)水系演變、土壤含水率與持水能力、土壤穩(wěn)定入滲速率、降雨徑流過程等層面深入探討了LUC

4、C對上海中心城區(qū)水文過程的影響機制。研究顯示：①受人類活動顯著影響，50余年來中心城區(qū)LUCC導(dǎo)致大量河道階段性集中被填沒，使得中心城區(qū)河流水系分枝比銳減、水系結(jié)構(gòu)破壞、河網(wǎng)水系分維數(shù)異常，河道槽蓄容量較50余年前減少超過70％，河網(wǎng)水系調(diào)蓄能力削弱加大了區(qū)域防洪排澇壓力；②土地利用/土地覆被類型與高程對土壤含水率、土壤調(diào)蓄降雨徑流能力影響顯著，有覆被植物土壤含水率絕大部分超過無覆被植物的裸土，低勢草坪(下凹式綠地)土壤含水率和調(diào)蓄降雨

5、徑流的能力均優(yōu)于高勢綠地和普通高程綠地；③土地利用方式、覆被類型和土壤表層結(jié)皮是不同類型綠地土壤穩(wěn)定入滲速率存在顯著差異的主要影響因素。④LUCC對中心城區(qū)降雨徑流過程影響深刻，導(dǎo)致2000年至2003年徑流系數(shù)有增加趨勢。由于土地利用類型差異，在城市LUCC過程中，小尺度城市匯水域的土地利用類型變化存在顯著差異，導(dǎo)致匯水域內(nèi)降雨徑流過程的存在較大差異。以綠化覆蓋率分別為39.13％和27.36％的對照研究組為例，增加約10％的綠化覆蓋

6、率能對削減城市降雨徑流總量和延時降雨徑流洪峰產(chǎn)生較明顯效應(yīng)。⑤下凹式綠地和多功能水綠復(fù)合調(diào)蓄系統(tǒng)具有顯著的環(huán)境水文效應(yīng)。在適宜土壤穩(wěn)定入滲速率(5.0×10<'-7>～5.0×10<'-5>m/s)，修建適當(dāng)下凹深度(0.1～0.3 m)、面積比例(10～30％)的下凹式綠地可以基本削減3年一遇設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，連續(xù)1 h降雨產(chǎn)生的地表徑流。結(jié)合上海市多年降雨特點、區(qū)域土壤穩(wěn)定入滲速率以及城市綠化覆蓋率現(xiàn)狀的分析顯示，在上海中心城區(qū)和新城

7、市化區(qū)域新建或改建適當(dāng)比例的下凹式綠地具有理論上的可行性。對設(shè)定邊界條件的城市多功能水綠復(fù)合調(diào)蓄系統(tǒng)的雨水徑流蓄滲能力計算亦表明其具有良好的環(huán)境水文效應(yīng)。 (3)上海中心城區(qū)不同土地利用/土地覆被類型的降雨徑流非點源污染具有強烈的時空分異特性，TSS和COD<,Cr>是降雨徑流中的主要污染物質(zhì)。中心城區(qū)降雨徑流非點源污染存在明顯初期效應(yīng)，是造成雨后城區(qū)地表水體遭受沖擊性污染的主要原因。室內(nèi)外不同土地利用/土地覆被類型削減降雨徑流

8、污染物的實驗表明，城市綠地具有顯著的削減降雨地表徑流污染物的效應(yīng)：①室內(nèi)有覆被植物和無覆被植物兩種條件下，土壤含水層處理系統(tǒng)削減降雨地表徑流污染物的實驗結(jié)果表明，在論文限定的實驗邊界條件下，高度1 m左右的土壤柱對服務(wù)面積1.09～2.75倍于綠地面積匯水域內(nèi)，在設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為0.5年、1年、3年和5年，連續(xù)降雨1 h條件下形成的低、中和高污染物濃度的城市降雨徑流具有良好的削減效應(yīng)，COD<,Cr>、NH<,3>-N和TP總體平均削減

9、率分別達(dá)到35.27％、60.12％和65.37％。土地覆被、污染物濃度、土層厚度以及水力停留時間是影響土壤含水層處理系統(tǒng)運行效率的主要因子。②室外覆被植物土地對降雨地表徑流污染物的削減實驗表明，COD<,Cr>、NH<,3>-N和TP平均削減率分別達(dá)到52.21％、48.98％和47.35％，較室內(nèi)有覆被植物土壤含水層處理系統(tǒng)COD<,Cr>削減率提高約20％，NH<,3>-N和TP分別下降約10％和16％。由于降雨徑流進入綠地后水力

10、停留時間較短，導(dǎo)致COD<,Cr>、NH<,3>-N和TP的去除機理主要是滲濾介質(zhì)的機械過濾與吸附等物理作用，上述物理作用與微生物較弱的降解作用共同造成室外COD<,Cr>、NH<,3>-N和TP的削減規(guī)律符合一級反應(yīng)動力學(xué)模式，污染物進水濃度對其削減率的影響不顯著。降雨強度對污染物削減效率有一定影響，具體表現(xiàn)為小雨和中雨的污染物削減率要高于大雨時。 (4)基于德國、美國和日本等城市降雨徑流利用和管理經(jīng)驗，從降雨徑流"零增長"和徑流污染

11、物"減量化"兩個角度提出了城市降雨徑流"生態(tài)排水"理念，強調(diào)采取工程性與非工程管理性措施相結(jié)合的方法，盡可能增加城市降雨徑流就地入滲量、削減徑流污染物，以"生態(tài)排水"的方式達(dá)到維持城市水文過程良性循環(huán)的目的?；诔鞘?生態(tài)排水"理念，以優(yōu)化城市土地利用/土地覆被類型和格局為基礎(chǔ)，從削減水量和控制水質(zhì)兩個層面構(gòu)建了城市"生態(tài)排水"的最佳管理措施，通過生態(tài)化、非工程強排水型措施促進城市降雨徑流生態(tài)型排水。嘗試構(gòu)建了以法律法規(guī)政策的保障機制、