城市化對唐山市水環(huán)境的影響研究

張月明

(河北省唐山市陡河河道管理處，河北 唐山 063000)

1 城市化對水循環(huán)系統(tǒng)的影響

1.1 河流形態(tài)、功能變化

唐山市內(nèi)陡河河道受陡河水庫、引灤入唐工程、企業(yè)生活排水等影響，過水流量明顯增加。唐山市區(qū)向陡河年平均排水量(工業(yè)、生活等)7241萬m3，陡河水庫通過陡河年平均向下游進行農(nóng)業(yè)輸水量6000萬m3，區(qū)域內(nèi)陡河年平均降水徑流量(75%保證率)1448萬m3，陡河年平均總過水量14689萬m3，遠大于陡河水庫控制流域多年平均徑流量8200萬m3，陡河由季節(jié)性河流變?yōu)槌B(tài)河流。

唐山市區(qū)向青龍河年平均排水量(工業(yè)、生活等)3106萬m3，隨著城市北部人工河、湖的建設(shè)及運行，客水量進一步增加，青龍河年平均過水量遠大于年平均降水徑流量，青龍河由季節(jié)性河流變?yōu)槌B(tài)河流。

1.2 區(qū)域地貌、排水方式改變

城市化從根本上改變了土地利用方式，改變了自然地形、地貌條件,造成城市道路、建筑物等不透水面積增大,城市中心區(qū)硬化面積占城市總面積的57.5%(2009年統(tǒng)計)。城市擴張和城市下墊面的改變，對降水產(chǎn)流形式、排水方式影響較大，傳統(tǒng)的自然產(chǎn)流、自然排放向“快速”產(chǎn)流、人工管網(wǎng)系統(tǒng)排放轉(zhuǎn)變。

1.3 城市水文變化

唐山市區(qū)下墊面改變、不透水面積的增加，以及城市對土地、河溝、坑塘、濕地等侵占的共同作用，導致地面對降水徑流的蓄滯空間、能力減小，降水蒸發(fā)、滲透量減少，徑流流速快，徑流系數(shù)變大，徑流量增加。城市化以后，變差系數(shù)、偏差系數(shù)發(fā)生變化，但二者相關(guān)密切度變化極小，耦合度較好。

8年監(jiān)測、試驗顯示，唐山市中心區(qū)年徑流系數(shù)由0.12增加到0.22，增加了83.3%，次降水徑流系數(shù)達到0.476。75%的降水保證率生產(chǎn)徑流量增加了157.6%，并呈現(xiàn)保證率愈高徑流量增加百分比例愈大的正態(tài)變化。

1.4 淺層地下水補給量減少、地下水位下降

淺層地下水位的變化與降水量、開采量、不透水面積、越流補給量有關(guān)。

利用Pearson乘積矩陣計算結(jié)果顯示，淺層地下水位與淺層地下水開采量的相關(guān)系數(shù)為0.77(最大值)，證明淺層地下水位與開采量關(guān)系最為密切。城市工程建設(shè)與管理中，鑿井取水、供水，或者在施工中進行的大量井點排水，是造成區(qū)域地下水位下降或形成漏斗的主要原因。淺層地下水位與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.13(最小值)，證明降水量對淺層地下水位的影響較小，原因是不透水面積增大導致降水入滲減少。

降水入滲補給系數(shù)試驗與計算結(jié)果顯示，城市化后降水入滲補給系數(shù)呈減少趨勢，減少區(qū)間為0.02～0.03，減少比例為11%～16.7%。

研究顯示，城市與農(nóng)村連接的緩沖帶(郊區(qū)區(qū)域)受淺層地下水水位下降影響，河流輸水、大氣降水被土壤襲奪嚴重，灌溉水利用系數(shù)下降，地表徑流產(chǎn)生時間長、流量小。

1.5 區(qū)域小氣候影響

城市化增加了建筑物及人群活動，增加了大氣中污染物、粉塵排放量,改變了區(qū)域溫度、濕度，誘發(fā)了城市小氣候改變。

唐山市50年氣象、水文資料分析顯示：城市年平均溫度高于郊區(qū)年平均溫度,且市內(nèi)外年平均溫度均呈增加趨勢；市內(nèi)年平均風力低于郊區(qū)年平均風力；市內(nèi)年平均濕度低于郊區(qū)年平均濕度；年降水量呈下降趨勢，但日平均降水量呈明顯增加趨勢，時空分布不均勻性增強，降水強度加大。

城市化影響城市小氣候，城市小氣候又影響降雨分布及區(qū)域氣候變化。熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇逐漸顯現(xiàn)。

2 城市化對水質(zhì)的影響

2.1 降水水質(zhì)

用試驗器皿直接采集市區(qū)空中降水(未與地面接觸)化驗,水質(zhì)接近蒸餾水。主要變化指標為pH值(6

2.2 地表徑流水質(zhì)

受城市污染物的影響，降水至地表的水質(zhì)呈動態(tài)變化，主要污染為NH3-N、COD、pH值(8

降水地表徑流水質(zhì)監(jiān)測顯示：受區(qū)域降水的分布影響，路面、房屋、綠地等介面的污染物種類、濃度不同，徑流路徑不同，污染物指標一般在降水10mm左右明顯降低：NH3-N濃度由3.00mg/L降低到2.67mg/L，下降了11.0%；COD濃度由227mg/L降低到114mg/L，下降了49.8%。部分區(qū)域降水5mm左右污染物濃度明顯降低，降水強度越大，水質(zhì)改變越明顯。一般區(qū)域降水30mm后、行車密集的缸窯路、南新道等區(qū)域降水40 mm后，地表徑流匯入陡河、青龍河水體水質(zhì)優(yōu)于地表水Ⅴ類水質(zhì)標準。

水質(zhì)監(jiān)測證明了城市雨洪資源利用宜采取分散式利用為主的方式。根據(jù)市區(qū)降水特性、降水水質(zhì)特點，對于不同的下墊面條件的區(qū)域，采取不同的雨洪資源化模式，為社會發(fā)展服務(wù)。

2.3 城市工業(yè)、生活排水水質(zhì)

根據(jù)陡河1985——2016年共32年水質(zhì)監(jiān)測資料，繪制了主要污染物NH3-N、COD年際變化曲線，對焦化廠斷面、唐山站斷面、勝利橋斷面污染物變化定性、定量和綜合分析，得出如下結(jié)論：

a. NH3-N極值濃度50.6mg/L(1998年4月)，發(fā)生于焦化廠斷面。1985——2008年NH3-N濃度總體呈明顯上升趨勢，波峰區(qū)域1995——2008年，2009——2016年NH3-N濃度呈下降趨勢。受河流流量豐枯變化影響，年度內(nèi)NH3-N濃度變化明顯，一般峰谷交替。

b. 1985——2008年COD濃度總體呈緩慢上升趨勢，波峰區(qū)域1995——2001年，2002——2008年相對穩(wěn)定，2009——2016年COD濃度呈下降趨勢，年度內(nèi)COD濃度變化明顯，一般峰谷交替。

3 城市化對河流生態(tài)環(huán)境的影響

受城市化建設(shè)的影響，城市河流已經(jīng)從自然河流轉(zhuǎn)向景觀河流、人工河流，河道治理從城市美學角度上取得進步，其形態(tài)、功能都發(fā)生明顯改變。對城市熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇、水生動物群落(水蛇、青蛙、鲌魚、龜、河蟹等)、水生植物群落等產(chǎn)生重大影響，見表1。

表1 城市河道陡河、青龍河治理前后情況比較

4 改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的措施

4.1 選擇水生植物

實驗水質(zhì)：陡河、青龍河，CODcr濃度40～100mg/L，BOD5濃度5～50mg/L，N濃度1～40mg/L，P濃度0.5～5mg/L，pH值6～9，3～7d去除效果見表2。

植物選擇：根據(jù)植物的生長特性、耐污能力、污染物去除速度和景觀、經(jīng)濟價值等方面選擇適宜的水生植物，同時必須考慮生物安全性、不同植物搭配等，以盡可能選用本土物種為主，防止發(fā)生植物入侵。在陡河、青龍河內(nèi)宜選擇種植蘆葦、蒲草(菖蒲)、藕蓮等。

實驗顯示：樹木根系對水質(zhì)有很強的凈化作用，宜選擇根系發(fā)達的柳樹、楊樹為種植樹種，對N、P、CODcr、BOD5去除作用較強。樹木根系區(qū)域水體和底質(zhì)污染物濃度呈不均勻變化。

4.2 工程調(diào)度運用衰減COD物質(zhì)

根據(jù)河道主要超標物為COD的特點，經(jīng)過多年的實驗、研究，采用兼性氧化塘法去除COD，效果顯著。

底質(zhì)實驗：采集河道淤泥、南湖湖泥作樣本。取樣地點：陡河、青龍河、南湖。全部樣本均在自然環(huán)境下實驗，結(jié)果顯示：3d COD平均去除率27.5%，7d COD平均去除率53.2%。

調(diào)度方法：汛期通過水閘、橡膠壩低水位運行，變兼性氧化塘(尤其是厭氧塘)為好氧塘，加速水和底質(zhì)中COD濃度(尤其是小分子有機物)的降解和反應(yīng)；或閘壩排空，COD物質(zhì)直接在空氣(O2)、光、風作用下發(fā)生化學反應(yīng)(CO2)。降解時間控制在3～7d為宜，反應(yīng)深度一般在100mm以內(nèi)，0～50mm底質(zhì)層反應(yīng)最好，與底質(zhì)的孔隙率成正比關(guān)系。每月調(diào)度兩次，即完成一次反應(yīng)后充水10～15d，再進行下一次反應(yīng)。每一循環(huán)過程后，COD濃度呈大幅衰減之勢，COD濃度越高，去除效果越好。同時水閘、橡膠壩的運用與蚊蟲繁殖周期相結(jié)合，打亂蚊蟲等害蟲的繁殖周期，可以有效地減少蟲害。

4.3 區(qū)域水生動物群落補救方法

針對混凝土或漿砌石直墻河道段水蛇、龜、青蛙、河蟹等兩棲動物已經(jīng)絕跡，受溶解氧低的影響，鲌魚(要求水質(zhì)DO≥2mg/L)也幾乎絕跡，部分水鳥的棲息地也在河流整治中遭到破壞等現(xiàn)狀，需采取補救措施，恢復生物種群多樣性。

河道底部拋石或干砌石、卵石床、合成纖維網(wǎng)等為微生物提供附著載體，青龍河區(qū)域多年絕跡的搖蚊，治理后再生。搖蚊幼蟲是淡水水域中底棲動物的主要類群之一，以水底有機碎屑為食。河道內(nèi)每隔一段距離設(shè)置土質(zhì)小島，植蘆葦?shù)人?，為兩棲動物、水鳥提供繁衍、棲息場所。根據(jù)陡河、青龍河魚類對溶解氧低耐受性強的特點，科學放養(yǎng)貝類、鳙魚、鯽魚、草魚等，吸食重金屬、微生物等，凈化水質(zhì)、底質(zhì)。拒絕放養(yǎng)巴西龜、鯰魚等兇猛物種，抵制有害物種入侵。

4.4 合理配置水資源，凈化水質(zhì)，美化環(huán)境

南湖引用陡河、青龍河雨水資源時，計算雨水量納污能力，陡河流量達到25m3/s、青龍河達到13m3/s時，水質(zhì)滿足湖水水質(zhì)要求，可通過外環(huán)線橡膠壩引水入南湖，青龍河水直入南湖。

從陡河水庫調(diào)用生態(tài)水補充南湖用水時，宜在10月至次年4月實施，主要污染物為NH3-N，調(diào)水流量為18～25m3/s，滿足湖水水質(zhì)要求。

利用陡河水庫向下游灌區(qū)農(nóng)業(yè)輸水置換河、湖水，既凈化了河湖，置換用水又能滿足灌區(qū)用水水質(zhì)(主要是NH3-N指標)。

5 結(jié) 語

城市化帶來人類文明的同時，也對城市小氣候、水文、水環(huán)境產(chǎn)生新的變化與影響。通過研究相關(guān)因子、元素之間的關(guān)系，加強區(qū)域水質(zhì)監(jiān)測，采取工程、生物等措施，滿足區(qū)域水環(huán)境的水質(zhì)水量需求，最大限度地實現(xiàn)雨、洪等資源化、生態(tài)化。