城市不透水表面的水环境效应研究进展

　　摘要：快速城市化导致的生态环境变化是当前城市生态环境研究的热点问题，而城市化的水环境效应则是其中的重要方向之一。本文通过梳理城市化过程对水环境效应的影响机制，总结和归纳城市不透水表面的水环境效应研究的核心内容与主要方法，指出当前城市化过程的水环境效应研究所面临的诸多难点，并对未来研究趋势进行展望。研究认为，城市化的显著特征之一是不透水表面的不断增加，以不透水表面指数(ISA)为表征的地表覆被参数日益受到城市土地利用/覆被变化研究的重视，成为城市化过程水环境效应研究的热点指标。不透水表面对水文效应的影响主要表现在两个方面，即短时间内增大降雨的径流量，长时间内增加洪水频率和径流总量。同时，不透水表面对水质的影响主要表现为增加水体的非点源污染负荷，目前的研究方法主要依靠城市水文水质监测及模型模拟，对水环境效应的影响机制方面尚缺乏对非点源污染负荷影响机制的深入研究，同时还需要进一步构建适用于城市地区的水文水质模型。可以预见，不透水表面指数将会是城市化过程水环境效应研究的重要参数，并将推动城市土地利用/覆被变化的水环境效应研究向参数简单化与精确化方向发展。

　　关键词：城市不透水表面；水文效应；水质效应；土地利用/覆被变化

　　1、引言

　　土地利用/覆被变化(Landuse/coverchange,LUCC)体现了人类活动对地表的能动作用，尤其在快速城市化地区，土地利用/覆被的快速变化甚至彻底改变了地表物质组成与结构，对城市的水环境质量产生显著影响。目前，城市土地利用/覆被变化的水环境效应主要包含两方面：①水文效应，即城市土地利用/覆被变化对径流量、径流历时及最大洪峰等水文指标的影响；②非点源污染负荷效应，指城市不同土地利用/覆被类型的污染物输出负荷效应。为实现水资源高效利用与水环境有效管理，从宏观上认识和解决快速城市化过程中所面临的水资源匮乏、水质恶化及水生生态系统退化等问题，城市土地利用/覆被变化水环境效应研究成为环境管理、景观生态学、土地科学等多学科共同关注的焦点。

　　城市化过程导致城市土地利用/覆被变化，其显著特征表现为不透水表面不断增加。不透水表面(ImperviousSurface，简称IS)是城市的一种人工地表，主要包括城市中的道路、停车场、广场及屋顶等建筑物，能够隔离地表水下渗，切断城市地表水与地下水的水文联系，并且不透水表面的扩张被认为是区域水环境质量恶化的重要因素。各种类型的不透水表面构成城市的基质景观，主导城市的景观格局与过程，体现了城市地表覆被的典型特征，因此常用于监测城市地表覆被的变化过程。

　　随着城市化过程中地表覆被变化的生态环境效应研究的日益深入，不透水表面指数(ImperviousSurfaceArea,简称ISA)，因其具有明确的物理意义，既可以有效表征城市地表覆被变化、度量城市化程度，又能与生态环境变化进行关联，逐渐成为城市地表覆被变化监测、城市扩展模拟以及城市生态环境研究的重要参数而广泛应用。

　　作为LUCC环境效应的重要研究内容，城市化过程的水环境效应对于从宏观上调控城市化过程，降低城市化过程的水环境污染具有重要的理论和实践意义。鉴于不透水表面指数对于城市地表覆被变化具备良好的指示功能，本文以不透水表面表征城市化过程，梳理城市化过程对水环境效应的影响机制，总结和归纳城市不透水表面的水环境效应研究的核心内容与主要方法，提出当前城市化过程的水环境效应研究所面临的诸多难点，并对未来的研究趋势进行展望。

　　2、不透水表面影响水环境的机制

　　2.1不透水表面对城市水文的影响机制

　　城市化过程通过改变地表覆被状况，对城市水文循环产生间接影响。Backer和Braun认为城市景观影响水文特征，主要表现为水文循环过程中对竖向的蒸散发与下渗以及横向的地表径流与壤中流等水文过程的影响。其中，不透水表面作为水文循环中最重要的地表参数，对城市水文循环过程产生影响主要表现在以下3个方面：

　　(1)短期水文效应。城市不透水表面变化的短期水文效应表现为对次降雨径流关系的影响。UNESCO的研究指出，城市化过程引起的水文效应中，最为突出的是下渗量减少及洪峰流量增大。袁艺等以深圳市布吉河流域为例，通过监测城市地区小流域，建立了城市不透水表面与城市水文变化之间的影响关系，应用水文模拟对快速城市化过程中土地利用变化对暴雨洪水过程的影响进行了分析，认为城市扩展导致的不透水表面增加是导致洪峰提前及降雨下渗量减少的主要原因。Kauffman等利用观测数据研究了美国Delaware地区的19个小流域的基流量与不透水表面的关系，认为不透水表面的增加降低了基流量。因此可以看出，由于不透水表面的阻隔作用，降水落到城市地面无法及时下渗，将迅速转化为地表径流，从而加大径流量，加快径流汇集，缩短径流历时，甚至迅速形成洪峰，形成洪水灾害。

　　(2)长期水文效应。在长时间(年际)尺度上，城市化的水文效应表现为城市流域的基流量减少，总径流量增加。不透水表面地区增大了径流量及温度，增加了径流中的沉积物及污染物数量以及自然景观的破碎度，因此城市化的水文效应常常关注地表覆被变化导致的洪水峰值变化、总径流量、基流流量、径流系数、雨洪过程线、洪峰大流量频率以及地表下渗水量等水文指标。Weng运用RS及GIS集成研究珠江三角洲地区城市扩展对地表径流的影响，认为城市不透水表面增长加大了珠江流域的总径流量。郑璟等以深圳市布吉河为例，模拟了不同土地利用条件下的流域水文过程，研究了长时期城市土地利用变化对流域水文的影响，认为建设用地的增加导致了流域蒸散发量、土壤水含量和地下径流深度都有不同程度的减少，而地表径流则有大幅增加。在长期水文变化研究中，主要建立的基于不透表面为参数的降雨径流关系，通过模拟不透水表面的变化情景，进而预测在年际尺度上，不透表面变化对水文的影响程度。

　　(3)影响水文循环的反馈效应。快速城市化过程中，城市不透水表面大幅增加，改变了城市地表径流的时空模式及城市地区水文循环过程，进而改变城市小流域的水量平衡状况，形成促进局部降雨增加的正反馈效应，以及城市地区局部蒸散发减少的负反馈效应。由于大面积不透水表面的存在，改变了城市局部小气候，形成的蒸发蒸腾不同于自然过程，干扰了水文循环过程。而在城市地区不透水表面的增加，也容易形成局部高温现象，影响城市局地气候，形成热岛效应和雨岛效应，增加城市地区降水，促进蒸散发循环，加剧城市径流。

　　2.2不透水表面对城市水质的影响机制

　　国外城市化过程的水环境效应研究始于20世纪70年代，从土地利用对河流水质的影响，逐步过渡到土地利用对城市地表径流污染特征、场次暴雨污染负荷以及长期土地利用变化对非点源污染负荷及水生生态系统响应等方面。我国城市化过程的水环境效应研究起步较晚，随着对北京、上海、武汉、杭州及深圳等大城市的非点源污染进行监测和模拟，开始调查城区非点源污染的性质，并借鉴移植国外污染负荷的模型研究。但由于监测数据难以获取，同时缺少对长期水质效应的关注，研究成果仅限于短期的降雨径流污染机制，而甚少涉及城市化过程的长期水环境变化响应。

　　在城市地区，不透水表面变化导致的水质变化主要表现为非点源污染负荷，通过径流携带大量的沉积物、营养污染物、重金属污染物，加重了城市河流的非点源污染问题。非点源污染的形成不仅与物质来源有关，还与流域的土壤特征、土地覆被的类型及其空间分布特征有关，形成地表径流时还受到土壤侵蚀过程、降雨过程、地表及地下水文过程的影响；而在城市地区非点源污染的形成主要与两个因素有关，即降雨径流关系和以不透水表面为代表的地表覆被参数。城市化过程的水质效应根据径流影响，同样分为短期效应和长期效应。其中，短期效应是指城市地表快速变化下的城市次降雨径流污染形成机制，主要为氮、磷以及重金属等依附在地表的污染物随着降雨迅速进入河道，影响河流水质。魏建兵等研究了深圳市石岩水库流域的城市化对次降雨形成径流水质的影响，通过每次降雨时的水质监测数据分析，认为城市建设用地扩张给自然流域径流水质带来严重的影响；长期效应是指区域城市化过程对城市饮用水源地水质、城市非点源污染负荷的贡献及城市过境水质退化的影响机制。不同的不透水表面盖度对水质变化的作用不同，随着盖度的增长和不透水面积的增加，水质受到的非点源污染负荷愈发严重。

　　3、城市不透水表面水环境效应的研究方法

　　城市化过程导致的水文水质影响是近几十年来水文学、生态学、地理学、土壤学及环境科学等学科的研究热点。在研究方法上，早期主要关注监测、取样和模拟实验，但系统地运用模型模拟城市化对水文水质的影响尚未形成理想的城市水文水质模型。国外在长期系统监测和模拟的基础上，出现了许多的水质模型，但这些模型往往是构建大流域或者流域内景观以非城市景观为主的流域，很少专门针对城市地区的水文水质模型，很多现在运用于城市地区的水文水质模型都是通过改进参数等方法从已有的土地利用类型为基础的模型上改进而来，缺乏城市地区的适用性检验。因此，城市化过程的水环境效应研究多基于长时间序列的城市不透水表面变化与水质长期监测数据进行动态分析，或以不透水表面作为地表覆被参数，通过变化情景模拟方法，探讨不透水表面对水质的影响。而我国关于水文水质的模型当前还处于借鉴国外模型的经验阶段，专门针对城市地区的水文水质监测和分析刚刚受到重视，尚未有专门针对城市地区的水文水质模型。中国的城市化过程与国外相比较具有明显的差异特征，因而研究针对中国城市化过程的水文水质模型具有重要意义。