城市化的生態(tài)水文指標體系模擬及生態(tài)水文效應(yīng)研究

劉桂杰

(遼寧水利職業(yè)學院，遼寧 沈陽 110122)

城市化的生態(tài)水文指標體系模擬及生態(tài)水文效應(yīng)研究

劉桂杰

(遼寧水利職業(yè)學院，遼寧 沈陽 110122)

對城市化的生態(tài)水文效應(yīng)進行研究，以及相關(guān)生態(tài)水文指標體系進行科學模擬，在指導(dǎo)區(qū)域河流保護及生態(tài)修復(fù)實踐方面意義重大。以遼寧省鐵嶺市為主要研究對象，考慮研究區(qū)河流徑流情勢在維持河道生態(tài)系統(tǒng)完整性方面具有重要作用，故在對現(xiàn)有相關(guān)生態(tài)水文指標體系相關(guān)特征進行模擬、分析基礎(chǔ)上，科學構(gòu)建了以徑流歷史曲線、洪峰流量頻率超出曲線為代表的區(qū)域生態(tài)水文指標體系。分析過程中，基于SWMM模型對該研究區(qū)不同城市化程度下的降雨徑流和生態(tài)水文指標體系進行模擬，最終對鐵嶺市生態(tài)水文效應(yīng)進行了客觀分析研究。

城市化；生態(tài)水文指標體系；模擬；生態(tài)水文效應(yīng)

經(jīng)濟快速發(fā)展促進了我國城市化的迅速推進，城市化帶來的最顯著影響就是區(qū)域不透水面積不斷增大，由此導(dǎo)致區(qū)域地表地下水的下滲補給發(fā)生了巨大變化，同時導(dǎo)致地表徑流量增大。由于匯入城市河道下游的地表徑流量及徑流大小、徑流頻率等相關(guān)參數(shù)發(fā)生了較大變化，因此導(dǎo)致城市河道生態(tài)系統(tǒng)嚴重惡化。本研究主要目的在于通過對城市化的生態(tài)水文指標體系變化過程進行科學模擬，以此采取合理的對策，有效抑制城市化過程中帶來的不良生態(tài)水文效應(yīng)。

1 研究背景

近年來，城市化的迅速發(fā)展所引發(fā)的相關(guān)城市效應(yīng)引起人們廣泛關(guān)注，如城市化過程中導(dǎo)致城市的河流河網(wǎng)形態(tài)發(fā)生巨大變化，不僅河道變窄，且河道、湖泊中的河網(wǎng)逐漸消減，最終使河流生態(tài)嚴重惡化。在此背景下，因水文機制變化引起的生物棲息地退化及河流水質(zhì)惡化、河道單一化、河道遭受嚴重侵蝕等生態(tài)問題，在世界范圍內(nèi)已引發(fā)激烈討論[1]。對于國內(nèi)而言，對城市化過程中帶來的城市生態(tài)水文效應(yīng)進行研究，已成為當前諸多學者廣泛關(guān)注的焦點。所謂生態(tài)水文效應(yīng)主要是指區(qū)域或流域水文變化過程對城市生態(tài)系統(tǒng)造成的相關(guān)影響。本文研究的出發(fā)點就在于通過構(gòu)建城市化背景下城市生態(tài)水文指標體系，并通過對其進行模擬、分析，以此采取有效的措施對城市生態(tài)水文效應(yīng)進行抑制。但在現(xiàn)階段我國城市化的生態(tài)水文指標體系模擬中，所采用的相關(guān)指標大多都是基于研究區(qū)河道生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。因此，此種模擬分析方法對于水文生態(tài)監(jiān)測資料相對缺乏的區(qū)域而言，存在很大的局限性。對此，本文主要以我國遼寧省鐵嶺市為例，基于區(qū)域徑流情勢對該研究區(qū)河流生態(tài)的影響構(gòu)建一系列科學的生態(tài)水文指標體系，以此利用該指標體系對本研究區(qū)城市化過程中帶來的生態(tài)水文效應(yīng)進行合理分析[2]。

2 研究區(qū)概況

本研究的主要對象為遼寧省鐵嶺市。其位于東經(jīng)123°27'～125°06'、北緯41°59'～43°29' 之間的遼寧省北部、松遼平原中段；南與沈陽、撫順毗鄰，北與吉林四平相連、東與撫順、遼源接壤，西與沈陽、通遼為鄰。全市總面積約12 985 km2。鐵嶺市地勢東高中低、北高南低。因其地處亞歐大陸東部，故在溫帶半濕潤大陸性季風氣候的影響下，該市全年四季分明，雨熱同季，日照和寒冷時間長。鐵嶺市多年平均降水量為663.3 mm，但空間、時間分布不均，由東南向西北遞減。從鐵嶺市的徑流量來看，該研究區(qū)多年平均徑流深153.7 mm，多年平均水資源總量為25.59億 m3。之所以選擇該研究區(qū)作為主要研究對象，一是因為鐵嶺市近年來城市化速度較快，在過去幾年中，逐漸經(jīng)歷了顯著的由非城市化向城市化轉(zhuǎn)變的過程[3]。因此，在城市化快速推進過程中，城市下游河道生態(tài)環(huán)境已受到嚴重污染；二是該研究區(qū)為SWMM水文效應(yīng)分析報告中一個相對獨立的匯水子區(qū)域。所以，可進一步節(jié)省模型參數(shù)構(gòu)建及校核時間。

3 城市化的生態(tài)水文指標體系構(gòu)建及模擬

本研究主要選取鐵嶺市2006—2016年10年間的降水資料進行模擬分析。由于該時段鐵嶺市城市化發(fā)展水平較高，且該時段城市降水資料序列較為完整，降水量與該研究區(qū)多年平均值基本接近。因此，選取的參數(shù)指標可作為鐵嶺市多年的平均降水參數(shù)。在SWMM模型中，研究區(qū)不同區(qū)域土地利用形式對河道徑流的影響主要通過曼寧系數(shù)和透水性區(qū)域的可積水深度表示。所以，本文假設(shè)當鐵嶺市生態(tài)水文狀態(tài)為自然狀態(tài)時，河道不透水性系數(shù)為5%，此時河道可積水深度及曼寧系數(shù)分別為0.76 cm和0.60；當鐵嶺市城市化發(fā)展速度加快時，城市河道不透水系數(shù)為30%，此時鐵嶺市生態(tài)河道的可積水深度及曼寧系數(shù)分別為 0. 51 cm和0. 10。

3.1 間接指標體系

間接水文指標主要是指與鐵嶺市城市化發(fā)展過程中相關(guān)生態(tài)指標無直接關(guān)聯(lián)的相關(guān)指標。在此過程中，只有通過生態(tài)水文特征對研究區(qū)徑流形態(tài)進行反映。當河道徑流量及徑流頻率等相關(guān)指標與鐵嶺市天然狀態(tài)下的河道徑流形態(tài)一致時，即可認定研究區(qū)河道生態(tài)環(huán)境得到修復(fù)及維持和恢復(fù)?；谶@一基本概念，本研究分別通過河道徑流歷史曲線及洪峰流量頻率超出曲線，對該研究區(qū)實際河道徑流量在流量及頻率和時間等方面的具體形態(tài)特征進行反應(yīng)，以此為該研究區(qū)城市生態(tài)水文效應(yīng)模擬、分析奠定基出[4]。

3.1.1 城市河道徑流歷時曲線

在城市化的生態(tài)水文指標體系模擬過程中，城市河道徑流的持續(xù)時間及徑流大小是基本模擬指標。這兩大不同指標與城市不同生態(tài)水文過程相對應(yīng)。目前，在對城市化的生態(tài)水文指標體系進行模擬、分析時，常用生態(tài)水文指標分為不同年月較大及較小河道徑流，從而忽視了其它時間段河道洪水及中等河道徑流。通常情況下，河道徑流歷時曲線主要反映了城市不同降水時段徑流量大小及在研究期限內(nèi)，大于或等于該時段河道徑流量的歷時時間與研究區(qū)內(nèi)所有徑流總時間的比值。由于城市河道徑流曲線主要考慮河道較小及較大徑流及洪水等不同徑流的持續(xù)時間，從而忽視了某幾個或單獨的城市生態(tài)水文指標[5]。但是，由于河道歷時不同的徑流在河道生態(tài)水文指標體系模擬中會體現(xiàn)不同的生態(tài)功能。因此，本文選取河道徑流歷時曲線對鐵嶺市城市化的生態(tài)水文指標體系進行模擬。

3.1.2 城市河道洪峰流量頻率超出曲線

除了上述水文生態(tài)指標外，城市河道洪峰流量及其發(fā)生頻率也是至關(guān)重要的生態(tài)水文指標體系模擬指標。由于河道洪峰流量頻率超出曲線與城市河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、完整性密切相關(guān)。因此，本文主要基于偏序列洪峰流量頻率超出曲線作為鐵嶺市城市化水文指標體系模擬指標。通過該指標對鐵嶺市河道洪峰頻率和流量進行反映[6]。從本質(zhì)上而言，洪峰流量頻率超出曲線能夠?qū)﹁F嶺市所有降水事件中某一洪峰流量與其所發(fā)生頻率間的具體關(guān)系進行反映。所以，基于這一指標對鐵嶺市城市化的生態(tài)水文指標體系進行合理模擬，其主要優(yōu)點在于能夠綜合考量不同事件下較大及較小的洪峰流量。

3.2 直接指標體系

直接生態(tài)水文指標主要通過對相關(guān)生態(tài)指標及水文指標間的關(guān)系進行分析，以此確定與研究區(qū)城市生態(tài)最為相關(guān)的生態(tài)水文指標。在城市化的生態(tài)水文指標體系構(gòu)建及模擬中，本文主要選取蜉蝣目、類群豐度、毛翅目數(shù)目和襀翅目及EPT豐度作為主要生態(tài)學指標[7]。另外，選取T 0. 5(區(qū)域徑流超出天然狀態(tài)下重現(xiàn)期為0.5年的降水所產(chǎn)生的洪峰流量時間與區(qū)域有徑流總時間間的比值)。這一生態(tài)指標能夠?qū)﹁F嶺市生物多樣性進行預(yù)測。因此，本文基于數(shù)理分析軟件SAS 對上述各生態(tài)指標體系進行線性回歸模擬分析，最終發(fā)現(xiàn)，取蜉蝣目、類群豐度、毛翅目數(shù)目和襀翅目及EPT豐度、T 0. 5間的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.72、0.73、0.73、0.76、0.80、0.78；不同生態(tài)水文指標間的線性關(guān)聯(lián)度水平為3.5%。由此可見，基于T 0. 5作為城市生態(tài)水文指標對蜉蝣目、類群豐度、毛翅目數(shù)目、襀翅目及EPT豐度等相關(guān)生態(tài)水文指標進行模擬分析，即可合理預(yù)測遼寧省鐵嶺市河道生態(tài)水文變化效應(yīng)。

4 城市化的生態(tài)水文效應(yīng)分析

遼寧省鐵嶺市城市化的生態(tài)水文效應(yīng)變化曲線圖，見圖1所示。

圖1 鐵嶺市河道徑流歷時曲線

由圖1可以看出，隨著鐵嶺市區(qū)域不透水性系數(shù)不斷增大，研究區(qū)河道徑流歷時曲線發(fā)生了巨大變化。本研究為了對鐵嶺市不同城市化過程中整個區(qū)域的徑流量大小及徑流持續(xù)時間、徑流頻率進行模擬分析，研究中選取不透水性系數(shù)為40%作為該研究區(qū)城市化標準，然后按照河道徑流時間將該研究區(qū)徑流歷史曲線劃分為“<0. 1%、0. 1%～1%、1% ～10%、10%～100%”不同比例的四段，以此對研究區(qū)不同瞬時徑流量大小進行科學反映。由于城市化快速發(fā)展對研究區(qū)河道塑型及河道水質(zhì)恢復(fù)產(chǎn)生了負面影響。所以，立足于城市河道徑流調(diào)控角度，鐵嶺市應(yīng)采用調(diào)控徑流的方式，使城市化過程中的河道生態(tài)環(huán)境得到修復(fù)。

圖2 鐵嶺市河道洪峰流量頻率超出曲線

由圖2可以看出，隨著鐵嶺市不透水性系數(shù)不斷增大，降水序列所產(chǎn)生的洪峰流量也在增大。因此，為了更加直觀對鐵嶺市城市化過程中的生態(tài)水文效應(yīng)進行反映，本研究同樣選取不透水性系數(shù)為40%作為該研究區(qū)洪峰流量頻率曲線標準，按照河道洪峰流量頻率曲線，將該研究區(qū)徑流歷史曲線劃分為“<1%、1%～10%及10%～100%”三段，以此就鐵嶺市城市化對洪峰流量產(chǎn)生的相關(guān)影響進行反映。通過對河道生態(tài)水文效應(yīng)變化機理進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)鐵嶺市在城市化過程中導(dǎo)致河道洪峰量大小產(chǎn)生了較大變化，同時對生物生命循環(huán)基本環(huán)境造成了嚴重破壞，從而導(dǎo)致外部生物對河道中的原始生物進行入侵，最終使河道中的原始生物物種滅絕，且使河道中的營養(yǎng)物質(zhì)減少，植物生長環(huán)境變差[8]。因此，在城市化過程中，鐵嶺市應(yīng)通過對河道中的洪峰流量進行調(diào)節(jié)，進一步影響和調(diào)節(jié)研究區(qū)城市河道中洪峰流量的頻率與大小，從而有效抑制研究區(qū)城市河道的生態(tài)水文效應(yīng)[9]。

5 結(jié)語

綜上所述。一個城市的城市化水平越高，其洪峰流量發(fā)生頻率、時段流量幅度及歷時就越大。究其原因，主要在于城市化過程中，改變了城市河道徑流大小歷時及洪峰頻率，由此導(dǎo)致城市水域生態(tài)系統(tǒng)多樣性及完整性發(fā)生巨大變化，最終對城市河道生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了負面影響，其影響最終只能通過城市生態(tài)水文效應(yīng)來反映。所以，城市化對區(qū)域相關(guān)生態(tài)水文指標體系的影響是顯著的，在此過程中會引發(fā)更為強烈的生態(tài)水文效應(yīng)，如城市地表植被覆蓋率降低，河道對地表污染物的攔截和消解功能減弱，最終會導(dǎo)致城市中的污染物及沉淀物顯著增多，由此引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境污染問題。

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2017-03-22

劉桂杰(1970-)，女，遼寧沈陽人，工程師，主要從事水利工程施工、工程質(zhì)量檢測及分析等方面的研究。

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