城市化對流域生態(tài)水文過程的影響研究綜述

郝 璐,孫 閣

1 南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210044

2 美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局南方研究站,東部森林環(huán)境威脅評估中心,北卡羅來納州 27709

城市化是衡量一個(gè)國家發(fā)展水平的重要標(biāo)志。根據(jù)聯(lián)合國人居署發(fā)布的《2011年世界人口狀況報(bào)告》,到2050年,世界城市人口將從36億增長到63億,人口超過1000萬的“超級大城市”數(shù)量在迅速增加。特別是在發(fā)展中國家和地區(qū),城市人口增長最為顯著。2011年12月,中國社會(huì)藍(lán)皮書發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,中國城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋壤状瓮黄?0%。

城市土地利用/覆被變化是全球變化的一部分,是自然生態(tài)系統(tǒng)和人類活動(dòng)相互作用最為密切的環(huán)節(jié)[1-2],主要體現(xiàn)在森林、濕地、農(nóng)田面積減少,城市用地增加?？焖俪鞘谢诙唐趦?nèi)永久改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,通過影響地表蒸散改變區(qū)域水熱平衡等水文氣象過程,并直接影響近地面大氣的物理屬性、地氣能量交換和生態(tài)系統(tǒng)水分收支[3],帶來或加重一系列生態(tài)水文與城市大氣環(huán)境效應(yīng)[4-5]。然而,城市化(土地利用/覆被變化、新污染物產(chǎn)生)、水文(降水、入滲,蒸散,徑流過程)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(產(chǎn)水服務(wù)、調(diào)節(jié)氣候、土壤保持、初級生產(chǎn)力、維持生物多樣性等)在不同時(shí)間和空間尺度之間的相互作用還存在知識空白[6-7]。理論上,城市生態(tài)學(xué)還屬于比較新的學(xué)科領(lǐng)域,從流域角度關(guān)注城市水文的研究還比較缺乏。在這種背景下,系統(tǒng)研究城市化對流域生態(tài)水文環(huán)境的影響,對于合理評價(jià)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[8]、提高流域管理水平以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 城市化對流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受自然和人為等多種因素的影響。包括土地利用/覆被變化的人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能影響的研究已引起廣泛的關(guān)注。林地、濕地(包括稻田等人工濕地)以及農(nóng)用地轉(zhuǎn)為城市用地,對不同尺度的生態(tài)水文過程產(chǎn)生直接或間接影響,進(jìn)而對流域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成壓力,對其結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,改變了流域的水量和水質(zhì),影響了流域生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)性[9](圖1)。

圖1 城市化對流域生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)性的影響(修改自文獻(xiàn)[9])

控制流域生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)(例如,清潔供水、棲息地)的關(guān)鍵生物地球化學(xué)循環(huán)包括水循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)和碳循環(huán)。城市化對生態(tài)系統(tǒng)最直接的影響是改變了輸送生態(tài)系統(tǒng)能量和物質(zhì)的水文循環(huán)[5]。城市土地利用/覆被變化影響到流域的許多方面,包括地表水動(dòng)態(tài)、地下水補(bǔ)給、河流地貌、氣候、生物地球化學(xué)以及河流生態(tài)等[10]。城市化通過改變物理、化學(xué)和生物過程影響水量、水質(zhì)(即沉積物、養(yǎng)分動(dòng)態(tài))和生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力和碳封存[9]。流域水循環(huán)的變化是當(dāng)今城市河流生態(tài)系統(tǒng)退化及其一系列連鎖反應(yīng)的根本原因。

2 城市化對地表能量平衡的影響

能量是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換、平衡的原動(dòng)力,是水循環(huán)最根本的驅(qū)動(dòng)力。陸地生態(tài)系統(tǒng)能量分配與水循環(huán)緊密耦合[11]。生態(tài)系統(tǒng)地表水量與能量平衡過程的改變會(huì)直接導(dǎo)致流域和區(qū)域水文、氣候狀況發(fā)生變化[12]。城市土地利用/覆被變化對環(huán)境最直接的影響就是改變流域下墊面的生態(tài)水文過程,打破流域能量與水量平衡。早在20世紀(jì)60年代,國外的森林氣象水文研究人員對此就有初步認(rèn)識,指出城市下墊面獨(dú)特的物理性質(zhì)造成了其不同于自然下墊面的能量平衡分布特征,并認(rèn)為這是城市化影響能量再分配、小氣候和生態(tài)水文的根本原因[13-14]。城市化過程常減少地表植被,這會(huì)導(dǎo)致地表反照率和粗糙度增加,潛熱顯著減少,顯熱增加,改變了地表水量與能量的平衡過程[15]。

城市能量平衡方程[16]：

Rn+QA=H+LE+G+Qs

(1)

Rn=Rns+Rnl

(2)

Rns=Rs(1-α)

(3)

式中,Rn為凈輻射；QA為人為熱通量；H為顯熱通量；LE為潛熱通量；G為土壤熱通量；Qs為熱儲(chǔ)量；α為地表反照率；Rs為到達(dá)地球表面的實(shí)際太陽輻射；Rns為凈短波輻射,Rnl為凈長波輻射。

城市下墊面吸收了凈輻射和人為熱,一部分貯存在下墊面內(nèi)部,其余的部分則通過湍流交換方式將顯熱通量H輸送給空氣(當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊陀跉鉁貢r(shí)亦可通過湍流交換從空氣獲得顯熱)。顯熱是生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間通過影響氣溫的熱力學(xué)交換的能量。另一部分則通過蒸散將潛熱通量LE輸送給空氣。蒸散包括土壤-植被系統(tǒng)的蒸發(fā)和蒸騰,是近地表氣候的有效調(diào)節(jié)者。

從城市能量平衡來看,以人造結(jié)構(gòu)替代自然景觀會(huì)從多方面擾亂地表能量平衡。其中,蒸發(fā)冷卻作用減弱就是導(dǎo)致城市變暖的一個(gè)重要因子。人為熱的釋放作為額外的能量疊加在地表能量平衡中,從而增加地表和近地表大氣溫度。地表植被減少使得蒸散量降低進(jìn)而減少潛熱通量,增加顯熱,加重?zé)釐u效應(yīng)；土地利用/覆被變化引起的反照率降低也會(huì)增加太陽短波輻射的能量輸入。與自然植被和土壤相比,建筑物在白天可以儲(chǔ)存更多輻射能,這些存儲(chǔ)的熱量在夜間釋放,引起夜間增溫。地表與邊界層大氣之間的對流所引起的能量再分配可增強(qiáng)亦可削弱城市熱島效應(yīng),其效果取決于城市對流效率是被抑制還是增強(qiáng)[16]。

地表能量變化以森林轉(zhuǎn)為城市用地的影響最為明顯。森林砍伐或?qū)⒘值剞D(zhuǎn)換為城市用地增加了地表反照率,雖減少了凈輻射,但是由于用于蒸散消耗的能量大幅減少,降低了潛熱[11],從而增加了顯熱并加熱大氣[17]。O′Driscoll 等[10]回顧了美國南部城市對天氣的影響,表明城市化最終通過減少綠色植被的冷卻效應(yīng)并導(dǎo)致城市熱島現(xiàn)象[18]。城市化對局地天氣的影響取決于天氣氣候條件、城市熱物理環(huán)境、幾何特征、人為濕源和熱源[17]。秦孟晟[19]在中國南方濕潤區(qū)秦淮河流域的研究表明,在土地利用變化最為顯著的城鄉(xiāng)界面區(qū)(Urban-Rural Interface,URI),潛熱通量明顯下降,而顯熱通量和土壤熱通量呈上升趨勢,且前者的上升速率遠(yuǎn)大于后者,波文比也呈顯著上升趨勢,表明該區(qū)域能量分配逐漸傾向于顯熱。

3 城市化對流域水量平衡的影響

城市化驅(qū)動(dòng)的地表過程通過增加不透水面以及改變地表覆被狀況,對不同尺度的徑流、入滲、蒸散、地下水補(bǔ)給、河網(wǎng)匯流等水文過程產(chǎn)生直接或間接影響[9]。流域水量平衡是理解生態(tài)水文過程的基礎(chǔ)。了解流域水量平衡對于進(jìn)一步了解城市化對供水、水質(zhì)和生態(tài)過程的影響至關(guān)重要。城市化對流域水量平衡的影響主要表現(xiàn)在：以森林、濕地和農(nóng)田轉(zhuǎn)為不透水面為主要形式的土地利用/覆被變化改變了地表狀況、流域總蒸散及河流徑流的水量和水質(zhì)；人類過度抽取地下水造成地下水位下降、地下水資源枯竭；修建水庫改變河川徑流；城市化過程造成的點(diǎn)源和非點(diǎn)源水污染,降低了水資源的可利用量和水質(zhì)[20]。

3.1 城市化對流域水循環(huán)的影響

作為全球水循環(huán)的一部分,城市流域水循環(huán)具有其獨(dú)特性(圖2)。然而,目前的城市水循環(huán)相關(guān)研究多在較小的自然流域進(jìn)行。對受人類活動(dòng)影響較多的大流域進(jìn)行長期監(jiān)測,進(jìn)而開展城市最佳管理實(shí)踐(Urban Best Management Practices,UBMPs),將更有利于景觀規(guī)劃者進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),減少城市發(fā)展帶來的不利影響。城市水量平衡[21]：

P+I=Q+ET+F+ΔA+ΔS

(4)

式中,P為降水量；I為通過管道供給城市的水量；Q為地表和地下徑流量；ET為蒸散；F為人類活動(dòng)(如燃燒)導(dǎo)致的水分蒸發(fā)量；ΔA為一定區(qū)域內(nèi)外的凈水汽平流；ΔS為一定時(shí)期內(nèi)儲(chǔ)水量的增減。

在城市化影響的水循環(huán)過程中,大氣中的水蒸氣冷卻后以雨或雪的形式降落[22],一部分被建筑、道路和土壤“截留”,直接蒸發(fā)返回到大氣中；另一部分通過不透水面裂縫或城市綠地和土壤下滲,這些滲透水可以被植被根系吸收,經(jīng)由植物的汲取再蒸騰到大氣中。蒸散(evapotranspiration)是植物蒸騰(transpiration),水(陸)面蒸發(fā)(evaporation),包括植被截留(canopy interception)的水量的總和。滲透到土壤中的水分可以通過接近水平的潛流移動(dòng)到河流或其他水體中,剩余的滲透水進(jìn)一步向下流入地下水。然而,大量水分降落在滲透性很低的城市不透水面時(shí),特別是遭遇暴雨時(shí),降水迅速以“地表徑流”進(jìn)入管道、溝渠組成的排水系統(tǒng),然后注入水體。地面和水體的蒸發(fā)作用將水分以水蒸氣的形式傳輸回大氣中。此外,城市通常用管道將不斷流動(dòng)的清潔飲用淡水輸送到城市地區(qū)供居民生活用水,廢水經(jīng)過凈化系統(tǒng)或使用污水管道系統(tǒng)進(jìn)行處理,再輸送到附近的水體(圖2)。值得指出的是,城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶(Urban-Rural Interface, URI)土地利用變化劇烈,常是流域生態(tài)水文變化的‘熱點(diǎn)’區(qū)域。

圖2 受人類活動(dòng)影響的流域水循環(huán)示意圖

3.2 城市化對蒸散過程的影響

作為地表水量平衡的最大支出項(xiàng)和“匯”, 蒸散是唯一一個(gè)將水、能量和碳循環(huán)聯(lián)系起來的關(guān)鍵水文氣象變量[23]。由城市化引起的土地利用/覆被變化通過影響地表蒸散直接影響區(qū)域或流域尺度能量平衡[1]和水量平衡[24-25]。氣候特征(影響土壤水分利用率和冠層截留的降水模式、氣溫、輻射、濕度、風(fēng)速)、土地利用方式與覆被組成(如植被覆蓋面積和農(nóng)田種植方式)、植被類型與生產(chǎn)力以及人類活動(dòng)(如灌溉用水周期)決定流域蒸散總量[26],從而影響流域水文特征(如產(chǎn)水量、暴雨洪水量和基流等)[27]。此外,城市污染物濃度也常常比農(nóng)村地區(qū)高出許多倍,臭氧等會(huì)對森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)生理過程產(chǎn)生負(fù)面影響[28],從而影響蒸散。

城市化通過移除森林等綠色植被,減少植物蒸騰和冠層截留,導(dǎo)致總蒸散和下滲顯著減少,地表徑流大幅增加[29]。在美國南部,每年至少有20%的降水量被森林冠層截留,并作為蒸散的一部分返回大氣層[30]。在馬薩諸塞州中部,硬木和針葉林可分別截留11%和20%的年降水量(1140 mm)。樹木需要消耗大量的水維持生產(chǎn)力及其生長[23]。森林年蒸散量占降水量比例的多年平均值一般在50%至85%之間變化[31-32],這取決于當(dāng)?shù)貧夂蚝蜕纸Y(jié)構(gòu)(如葉面積指數(shù)Leaf Area Index,LAI)。在美國阿巴拉契亞南部的Coweeta水文實(shí)驗(yàn)室和世界其他地方進(jìn)行的長期生態(tài)水文研究表明,森林砍伐或轉(zhuǎn)換為農(nóng)田可顯著減少蒸散,降低土壤滲透能力,并在流域尺度上增加總流量[20]。

在全球變暖、極端天氣氣候事件增多的大背景下,亞熱帶濕潤地區(qū)由于蒸散量相對較高,土地覆被變化對蒸散的影響更為明顯。例如,在中國南方濕潤區(qū)植被覆蓋較好的流域,年蒸散可高達(dá)降水的70%,干旱年份甚至更高(> 90%),蒸散是決定這一區(qū)域流域水循環(huán)過程的關(guān)鍵因素[20]。秦淮河流域的研究表明,過去近10年來,流域內(nèi)水稻田面積減少27%,且大部分轉(zhuǎn)為城市用地,導(dǎo)致流域蒸散大幅減少,年總徑流量增加將近60%,洪峰流量、河川基流、枯水徑流和地下水位均有顯著增加趨勢,加劇了該流域的洪澇風(fēng)險(xiǎn)[33]。

3.3 城市化對產(chǎn)水量、洪峰和基流的影響

用于評價(jià)城市化對流量和相關(guān)水生生物群影響的水文變量或指標(biāo)有很多,例如,月或更長時(shí)間尺度內(nèi)的總流量(或產(chǎn)水量)對評估供水的累積效應(yīng)最為有用。洪峰流量(Peak flow)和某些罕見流量的發(fā)生頻率或流域的平坦程度對評估土地利用變化對洪水和泥沙輸送的影響最有幫助?？菟髁?Low flow)是流域水文特征閾值變化的另一個(gè)重要指標(biāo),對水質(zhì)、納污能力、供水和維持水生生物有著重要作用,主要受地質(zhì)條件和氣候條件控制,植被也是一個(gè)重要影響因素。

(1)產(chǎn)水量

國內(nèi)外學(xué)者通常使用小的“配對流域”方法研究森林轉(zhuǎn)為其他用地對河川流量的影響并量化水文響應(yīng)。世界范圍內(nèi)的“配對流域”實(shí)驗(yàn)表明,森林砍伐提高了產(chǎn)水量,而植樹造林則降低了產(chǎn)水量。但Zhou等[34]的研究表明,植被覆蓋變化與產(chǎn)水量關(guān)系受氣候與流域下墊面特征制約,且具有明顯的尺度效應(yīng)。Sun等[35]和O′Driscoll等[10]分別研究了美國南部森林管理和城市化對流域水文和水質(zhì)的影響,結(jié)果表明,由于土地利用/覆被變化而引起的流量變化幅度取決于干擾的嚴(yán)重程度(例如,森林砍伐率、土壤壓實(shí)度、不透水面的面積、道路密度)、當(dāng)?shù)貧夂?輻射、降雨)、土壤和地質(zhì)條件以及其他流域特征因子[36]。木材收獲后,河流峰值流量、暴雨流量和總流量的增加歸因于蒸散量和土壤擾動(dòng)的減少[37]。一般而言,森林砍伐會(huì)對降水量較多流域(如太平洋西北部)的蒸散和河川流量造成更大的影響[38-39]；土壤較厚的流域可能比土壤較淺的流域具有更大的影響[40]。

然而,對于城市化如何影響水文循環(huán),大多數(shù)流域尺度的植被控制試驗(yàn)都存在局限性,這是由于土壤和植被干擾試驗(yàn)通常采用較溫和的方式,而且持續(xù)時(shí)間較短。盡管如此,自20世紀(jì)60年代以來,森林水文學(xué)家就已經(jīng)認(rèn)識到城市化對水文過程的潛在影響以及森林具有提供清潔水源的能力。Sun 和 Caldwell[41]的研究表明,流域不透水面的比例與產(chǎn)水量呈指數(shù)關(guān)系。Oudin等[42]選取美國不同氣候帶140多個(gè)城市化較明顯的流域,發(fā)現(xiàn)隨著不透水面比例的增加,多數(shù)流域的洪峰和總徑流量均有增加。

城市氣候條件以及城市化之前土地利用與覆被類型的不同,會(huì)導(dǎo)致城市化后的水文變化具有明顯的區(qū)域特征[43]。對于降水量大、地表覆被類型多為森林、濕地或農(nóng)用地的濕潤地區(qū),城市化對流域產(chǎn)水絕對量的影響比在干旱地區(qū)更為明顯。對于同一氣候帶,原下墊面是森林或濕地時(shí),城市化對流域水量平衡的影響比原下墊面為旱地的要更明顯些[33]。這是由于干旱流域的地表覆被類型多為灌木、草地或荒地,由于年降水量相對較小,根據(jù)年水量平衡,城市化以后產(chǎn)水量的絕對變化不大。然而,其相對變化不可忽視,尤其在缺少防洪設(shè)施的流域,由于城市化導(dǎo)致的產(chǎn)水量增加可能會(huì)極大地增加流域的洪澇風(fēng)險(xiǎn)[43]。

徑流系數(shù)通常與不透水面覆蓋比例有關(guān)[20],森林可產(chǎn)生5%—10%的地表徑流,而草坪和其他種植區(qū)通常產(chǎn)生10%—20%的徑流。因此,與城市近郊相比,城市遠(yuǎn)郊不透水面的增加會(huì)產(chǎn)生更多的地表徑流[22,29]。不透水面比例為20%時(shí),大約產(chǎn)生20%的徑流,不透水面比例為35%—40%的大約產(chǎn)生30%的徑流,不透水面比例達(dá)到85%—90%時(shí),徑流可達(dá)55%[29, 44]。地表徑流的增加意味著土壤侵蝕增強(qiáng),增加河流泥沙量,加重水污染程度。

(2)暴雨徑流、洪峰徑流、枯水徑流

大規(guī)模城市化帶來的不透水面增加會(huì)顯著降低地表土壤入滲速率,從而增大地表徑流比例,影響流域匯流速率；再加上植被減少造成蒸散下降[45],導(dǎo)致流域暴雨徑流、洪峰流量和流域總產(chǎn)水量增大[46],增加洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。除此之外,河網(wǎng)變遷等地表結(jié)構(gòu)改變也是城市化影響洪澇的主要因素之一[47]。Lull和Sopper[48]的研究表明,快速城市化流域的年徑流、暴雨流量和年最大洪峰流量隨城市化進(jìn)程顯著增加。其中,暴雨流量對降雨量的響應(yīng)在城市區(qū)域最為敏感。局部城市化流域的豐水徑流(High flow)和枯水徑流(Low flow)均高于森林流域。平均來看,在夏季,城市流域和森林流域降水量的12%和8%形成河川徑流,這種水文差異主要是由于森林在生長季節(jié)擁有更高的蒸散量和土壤下滲速率,這使得森林流域夏季存蓄的雨水更多,而徑流和基流更少[48]。

Boggs和Sun[45]在北卡羅萊納州的研究結(jié)果表明,城市化流域?qū)涤晔录捻憫?yīng)較高。城市化流域和森林流域的年徑流系數(shù)Q/P(徑流量/降水量)分別為0.42和0.24,城市化流域的蒸散所占比例(58%)明顯低于森林流域(76%)。城市化流域的暴雨徑流(Stormflow)比森林流域多75%,洪峰徑流(Peak flow)和枯水徑流(Low flow)也高于森林流域。森林流域的(P-Q)/P也比城市化流域高,而且兩個(gè)流域之間的差異主要發(fā)生在植被生長季,在休眠季節(jié)變小。巴爾的摩生態(tài)系統(tǒng)研究所(Baltimore Ecosystem Study,BES)發(fā)現(xiàn),無論是否進(jìn)行雨水管理,城市化流域的徑流量在空間和時(shí)間上都具有高度不均一性,與相鄰的森林流域(尤其是在暖季)相比,這種特征更為明顯,其月流量和豐水徑流(High flow)比森林流域有3倍之多[49]。

(3)基流

由于自然物理過程(如蒸散減少)與人類活動(dòng)之間的復(fù)雜相互作用,城市化對流域基流(Baseflow)的影響有很大不確定性,觀測到的基流對城市化的水文響應(yīng)是可變的[42]。如果城市地面硬化或用水降低了地下水位,基流會(huì)減少,否則當(dāng)土壤入滲影響不大,植被蒸騰大幅下降時(shí),流域地下水位會(huì)上升,從而導(dǎo)致基流增加。例如,一些研究表明,由于地表徑流增加和大量抽取地下水,城市化流域具有較低的基流量,從而減少了地下水補(bǔ)給[50]。然而,在許多情形下,廢水處理廠的污水排放也會(huì)導(dǎo)致大流域的基流量增加[44]。不透水面的比例從10%增加至90%,會(huì)使蒸散小幅減少(從40%降至38%),卻會(huì)使下滲至土壤的水分由50%急速降為15%。同時(shí),供給植物生長和一些水流的淺層滲透水將由25%降為10%,到達(dá)地下水的深層滲透水可能下降更多(從25%降為5%)[51]。

同樣,盡管一些研究表明,城市化可能導(dǎo)致洪峰流量提高2—10倍[45],但森林砍伐對峰值流量和洪水的影響更為多變。大多數(shù)文獻(xiàn)表明,僅森林砍伐不會(huì)增加大暴雨之后的大洪水事件[52]。這是因?yàn)閷τ诖蠛樗录蛟谡羯⑤^低的休眠季節(jié),森林流域的土壤水分通常會(huì)飽和,因此與城市化流域的土壤水分狀況差異不大。不透水面有助于地表水流迅速匯入河流,但由于其他因素,如地形和流域內(nèi)城市化區(qū)域的位置和大小,可能導(dǎo)致真正的城市化效應(yīng)被掩蓋[48]。例如,Price等[53]最近在美國東南部潮濕地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),盡管森林的蒸散較高,但無干擾森林流域的基流高于森林覆蓋率較低的其他土地利用類型的流域。這些區(qū)域尺度的研究雖然有限,但挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的“配對流域”研究結(jié)果。

4 城市化對水質(zhì)和水生生物的影響

水環(huán)境非點(diǎn)源(Non-Point Source, NPS)污染引起嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題,已成為世界上許多國家水體的主要污染源。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,全球30%—50%的地表已受到非點(diǎn)源污染的影響。非點(diǎn)源污染受水文、氣象等自然因子和土地利用變化等人為因子的綜合影響,一般可分為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染和城市非點(diǎn)源污染。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是最為重要且分布最廣泛的非點(diǎn)源污染,城市化則被認(rèn)為是僅次于農(nóng)業(yè)造成地表水污染的主要原因。在美國,城市地表徑流被環(huán)保局列為導(dǎo)致全美河流和湖泊污染的第三大污染源[54]。在中國,隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,城市非點(diǎn)源污染也逐漸成為影響河流湖泊水質(zhì)的主要因素之一。

城市化對水體非點(diǎn)源污染的影響,主要體現(xiàn)在使非點(diǎn)源污染的“源”、“過程”和“匯”發(fā)生了變化[55]。首先,城市產(chǎn)生大量污染物(例如,除草劑大量使用,汽車尾氣等)、重金屬、氮沉降。其次,流域內(nèi)不透水面比例增大,不僅加快了地表徑流的形成,也增大了洪水峰值,同時(shí)降低了受納水體的水質(zhì),流域吸收、保留、滯留、吸收污染物的能力降低[9]。暴雨是城市非點(diǎn)源污染發(fā)生的另一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力。流域非點(diǎn)源污染通常是伴隨著降雨徑流過程特別是暴雨過程產(chǎn)生的,暴雨洪水沖刷地表,產(chǎn)生徑流,對污染物起到運(yùn)輸作用[56]。暴雨次數(shù)多、頻率高,洪水面積越廣、水量越大,污染物產(chǎn)生總數(shù)量和污染范圍就越大[57]。在全球氣候變化背景下,許多區(qū)域的降水格局發(fā)生變化,強(qiáng)降水事件呈現(xiàn)增多趨勢,不僅極易引發(fā)洪澇災(zāi)害,而且極端水文過程增加也加重了非點(diǎn)源污染物遷移的風(fēng)險(xiǎn)[57-59]。城市暴雨徑流中含有諸如營養(yǎng)物、殺蟲劑、病菌、石油、油脂、沉淀物以及重金屬等污染物,亦成為水質(zhì)破環(huán)的主要原因[54]。

Paul和Meyer[44]認(rèn)為城市化對水質(zhì)的影響主要來自兩方面：污染物的大量產(chǎn)生和流域保水能力的嚴(yán)重下降。保水能力的喪失與城市不透水面的增加密切相關(guān),這會(huì)顯著改變水文環(huán)境,從而減少水污染物與具有過濾凈化作用的流域陸地部分之間的空間和時(shí)間接觸。Paul 和 Meyer[44]、De la Cretaz 和 Barten[60]以及 Nagy 等[61]總結(jié)了森林流域轉(zhuǎn)為城市用地后對水質(zhì)沉積物和生物地球化學(xué)循環(huán)的影響,認(rèn)為城市發(fā)展加劇了水量和水質(zhì)問題,而這主要是由于不透水面增加所導(dǎo)致的。此外,城市環(huán)境中產(chǎn)生了許多污染物,這些污染物比農(nóng)、林業(yè)污染物更為復(fù)雜多樣[60,62]。除了沉積物和營養(yǎng)物質(zhì)外,城市水域通常還含有抗生素、鎮(zhèn)痛劑、麻醉劑等藥物、草坪和休閑區(qū)的殺蟲劑和工業(yè)活動(dòng)造成的金屬污染[44]。而且這些新的污染物如抗生素,傳統(tǒng)水處理系統(tǒng)無法凈化。同時(shí),污水管網(wǎng)或合流制污水溢流(Combined Stormwater-Sewer Overflows,CSOs)也會(huì)帶來與污水泄漏相關(guān)的致病微生物群[63]。

一般來說,河流對城市化最常見的物理化學(xué)響應(yīng)是增加NO3濃度,總磷(TP)、鉀和SO4也經(jīng)常會(huì)增加。但也會(huì)有例外,例如格魯吉亞森林和城市溪流的TP沒有顯著差異[64]。河流NH4和化學(xué)需氧量(COD)濃度對城市化的響應(yīng)比較多變,可能增加也可能減少。Weston等[65]利用城市化區(qū)域(佐治亞州的阿爾塔馬哈河流域)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)集,發(fā)現(xiàn)當(dāng)城市化和人口持續(xù)增長超過30年時(shí),隨著農(nóng)業(yè)流域轉(zhuǎn)為城市流域,總氮(TN)、氮氧化物(NOx)和TP的含量增加,而有機(jī)碳(OC)和NH4的濃度下降[65]。

研究表明,將流域的部分森林轉(zhuǎn)為城市通常會(huì)顯著增加地表水沉積物以及養(yǎng)分的濃度和負(fù)荷[44,60-61]。不透水面占流域面積的比例為10—20%時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致這種變化,然而,值得注意的是,當(dāng)不透水面比例低至5%時(shí)對水質(zhì)也有顯著影響[66]。除了增加濃度和負(fù)荷外,河流物理化學(xué)的變異性也隨著流域不透水面的增加而增加[67]。理化環(huán)境穩(wěn)定性的降低可能對某些類型的水生生物也有負(fù)面影響。在美國東南部,城市土地利用對水化學(xué)的影響非常顯著,甚至超過了自然地理環(huán)境的影響[61]。然而,對于沉積物,各區(qū)域之間差異很大,因?yàn)榈匦屋^陡的區(qū)域往往會(huì)產(chǎn)生更多的沉積物。

相比于沉積物和營養(yǎng)物,河流中的其他污染物也受到很多關(guān)注。Nagy等[61]發(fā)現(xiàn)在城市地區(qū)下游的河流或沉積物中,銅(Cu)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鋅(Zn)和鎳(Ni)等含量增多。與源自南卡羅來納州海岸森林的溪流相比,城市中的有機(jī)污染物(如多氯聯(lián)苯,PCBs)含量更高[68]。此外,個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品,如除臭劑和藥品殘留物,在城市河流中含量也較多[69]。然而,傳統(tǒng)的水處理設(shè)施去除這些污染物的能力可能有限[70]。

森林向城市用地轉(zhuǎn)化也被證明對河流生物完整性具有重要影響。通常,魚類、兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物的豐度和多樣性會(huì)隨著那些對干擾較敏感的物種的減少而減少,取而代之的是那些數(shù)量較少的對棲息地改變更具耐受性的物種。同樣,魚的健康水平也會(huì)受影響,引起魚鰭腐蝕、損傷和腫瘤[71]。流速的增加、河床基質(zhì)的變化以及物理化學(xué)和/或生物污染物的增加等都可能對河流生物群產(chǎn)生影響[44,72]。已有研究發(fā)現(xiàn),為了適應(yīng)城市河流中增加的流速,蠑螈的繁殖模式發(fā)生了變化[73]。

森林向城市轉(zhuǎn)變后發(fā)生的水文和水質(zhì)變化通常會(huì)對人類健康有負(fù)面影響。例如,在許多城市河流中發(fā)現(xiàn)的高濃度糞大腸菌群、大腸桿菌和其他致病生物[44,61]可能與接觸受污染水域的人群出現(xiàn)胃腸道疾病有關(guān)[63]。全球每年約有150萬人死于與供水和衛(wèi)生問題有關(guān)的腹瀉[74]。在美國,由于不透水面增加導(dǎo)致了不穩(wěn)定的水文環(huán)境,CSOs也經(jīng)常導(dǎo)致暴雨期間未經(jīng)處理的污水直接注入河流。由于日益嚴(yán)重的污染以及溢流水匯集,一些傳播疾病的昆蟲如庫蚊(Culexsp.mosquitos)的棲息地增多,將極有可能增加鳥類和人類感染西尼羅河病毒(West Nile Virus, WNV)的風(fēng)險(xiǎn)[75]。

5 生態(tài)水文變化對城市大氣環(huán)境的影響

大規(guī)模林地、濕地以及農(nóng)田轉(zhuǎn)為城市用地導(dǎo)致下墊面熱力性質(zhì)、反照率、粗糙度和含水量等物理屬性發(fā)生改變,并直接影響近地面大氣的物理屬性、地氣能量交換和生態(tài)系統(tǒng)水分收支,帶來或加重一系列氣候環(huán)境效應(yīng)[43],如熱島、干島、濕島、雨島和渾濁島等“城市五島”效應(yīng)以及城市內(nèi)澇[76-77]。在城市化氣候效應(yīng)的研究領(lǐng)域中,最廣為關(guān)注的是“城市熱島”效應(yīng)(Urban Heat Island, UHI),即城市氣溫或地表溫度比周邊鄉(xiāng)村地區(qū)要高的現(xiàn)象[14,76,78]。類似地,城市空氣水分與濕度比周邊鄉(xiāng)村地區(qū)偏低的現(xiàn)象稱為“城市干島” 效應(yīng)(Urban Dry Island, UDI)[76,79]。

陸地生態(tài)系統(tǒng)對太陽能分配(包括潛熱和顯熱)具有重要影響[80]。生態(tài)系統(tǒng)地表水量與能量平衡過程的改變會(huì)直接導(dǎo)致流域水文、氣候狀況發(fā)生變化[12]。有植被覆蓋的土地常被稱為“空調(diào)機(jī)”,因其消耗大量能量用于蒸散,從而降低顯熱并冷卻周圍大氣[1, 33]。Kalnay 和 Cai[81]發(fā)現(xiàn),美國在1950—1999年期間,同時(shí)考慮城市化與農(nóng)業(yè)用地變化所導(dǎo)致的地表升溫至少是只考慮城市化影響的兩倍。在降水多且生長季長、或有大范圍灌溉的地區(qū),蒸散對當(dāng)?shù)厮暮蜌夂虻挠绊懹葹槊黠@[82-83]。在蒸散過程中,由于需要消耗更多的能量作為潛熱,森林、濕地往往比其他下墊面具有更強(qiáng)的地表冷卻作用[84],從而有助于緩解“城市熱島”效應(yīng)[85]。這也許可以解釋為什么“熱島”效應(yīng)在濕潤地區(qū)、或在以濕地為主的城市化區(qū)域特別明顯[1, 82]。Fang等[86]發(fā)現(xiàn),稻田轉(zhuǎn)為城市用地對秦淮河流域蒸散的負(fù)貢獻(xiàn)率從53%(2000年)增加到61%(2013年),而氣候的正貢獻(xiàn)率從47% 降低至39%。大規(guī)模稻田轉(zhuǎn)成城市用地導(dǎo)致的蒸散減少會(huì)改變整個(gè)流域水熱平衡,并加重一系列氣候環(huán)境效應(yīng)[79]。

對流層低層水汽凝結(jié)過程是大氣潛熱傳遞的關(guān)鍵,除此之外,水汽還是一種重要的溫室氣體[87],是全球氣候變化的重要影響因素。快速城市化除了導(dǎo)致城市區(qū)局地氣溫升高外,還會(huì)改變地面和大氣之間的水汽交換,使城市區(qū)空氣變得更加干燥。當(dāng)大范圍森林、濕地、灌溉農(nóng)田轉(zhuǎn)為城市用地后,其作為“空調(diào)機(jī)”的功能大大降低,城市氣候會(huì)變得更干更熱,加重或形成城市“干島”與“熱島”效應(yīng)[79]。Lokoshchenko[88]發(fā)現(xiàn)莫斯科在過去的146年里,水汽壓沒有明顯變化,然而相對濕度卻從81%降至72%,因此認(rèn)為城市“熱島”是莫斯科城市“干島”加強(qiáng)的主要原因。Hao等在長三角的研究發(fā)現(xiàn),城市核心區(qū)過去15年的飽和水汽壓差顯著升高,且無法用氣溫變化很好地解釋,即城市“熱島”可能并非城市“干島”效應(yīng)加強(qiáng)的主要原因,飽和水汽壓差升高可能主要與大范圍稻田轉(zhuǎn)為城市用地使得LAI降低、蒸散減少、進(jìn)而引起水汽減少有關(guān),并因此加重大氣水分需求,加強(qiáng)城市“干島”與“熱島”效應(yīng)(圖3)[79]。增強(qiáng)的城市“熱島”與“干島”效應(yīng)也是導(dǎo)致長三角地區(qū)中午前后小雨減少,傍晚時(shí)段對流性降水增加的主要原因[89]。

Hao等[33]的研究表明,暴雨洪水形成機(jī)制具有多樣性,城市化進(jìn)程中常規(guī)降水也可能導(dǎo)致極端水文效應(yīng),這在蓄滿產(chǎn)流占主導(dǎo)的濕潤地區(qū)更為普遍。洪峰流量除了與地表入滲速率有關(guān)外,還受過程降水量和前期土壤含水量影響[77],而后者與蒸散直接相關(guān)。大范圍林地、濕地(包括稻田等人工濕地)轉(zhuǎn)為城市用地后,地表儲(chǔ)水能力下降,蒸散減少,降低了林地和濕地的“生物排水”(Biological Drainage)功能,同時(shí)土壤含水量與地下水儲(chǔ)量增大,淺層地下水上升,加上不透水面增加,在流域尺度上極易加劇洪澇風(fēng)險(xiǎn)或出現(xiàn)“小雨大澇”現(xiàn)象(圖3)。

圖3 長三角城市土地覆被變化影響能量再分配、小氣候和生態(tài)水文的概念模型,箭頭代表變化方向(修改自文獻(xiàn)[79])

6 提高城市流域生態(tài)水文服務(wù)功能的展望

城市化過程將原本適宜區(qū)域生態(tài)環(huán)境的自然、半自然景觀改造為不透水面景觀,其結(jié)果是不僅影響了城市地表的熱環(huán)境與熱通量特征,也造成城市地表和地下水文過程隔離,乃至阻隔生物體之間的流動(dòng),導(dǎo)致城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的退化[90],加大了城市生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。如何及時(shí)解決城市化帶來的生態(tài)環(huán)境問題以及提高城市流域生態(tài)水文服務(wù)功能,需要城市生態(tài)科學(xué)包括生態(tài)水文學(xué)的指導(dǎo)。

6.1 減緩不透水面增加導(dǎo)致的不利水環(huán)境效應(yīng)

城市不透水面的增加是影響城市水文過程的重要因素,不僅能夠隔離地表水下滲,產(chǎn)生更多的徑流,減少蒸散量,還切斷了城市地表水與地下水之間的水文聯(lián)系[91]。一般的不透水面包括屋頂、行車道、人行道、街道、高速公路等。草地或林地的不透水性常小于10%,屋頂表面較高,可以達(dá)到80%,高質(zhì)量的道路則可以達(dá)到100%[51]。Ferguson和Suckling[92]認(rèn)為減少城市雨水徑流的一個(gè)方法是在路面表面增加更多孔隙以增加其滲透性,即多孔路面,其由柏油/瀝青或混凝土材質(zhì)組成,孔隙使得部分徑流滲入并向下進(jìn)入路面之下的沙質(zhì)土壤中。小雨時(shí),大多數(shù)雨水可以滲透通過多孔路面,但缺點(diǎn)是在暴雨時(shí)滲透比例會(huì)小很多。而且,多孔路面容易堵塞,因此在幾年內(nèi)其有效性會(huì)下降。目前,多孔路面在人行道和私人車道、停車場這種交通壓力小的區(qū)域最為有效。

相比之下,透水路面更具優(yōu)勢,它是含有礫石、土壤和草的混凝土磚或大孔隙的塑料結(jié)構(gòu),因此,雨水容易向下滲透并向上蒸散。另外可以向土壤灌輸具有分解作用的微生物用以清潔雨水污染物。透水路面能增加雨水的滲透,增加水對土壤(也可能是對地下水)的補(bǔ)給,減少輸入雨水管道網(wǎng)絡(luò)的水量,同時(shí)減少雨水中的污染物。美國西雅圖停車場的研究發(fā)現(xiàn),透水路面幾乎不產(chǎn)生徑流[93]。與瀝青路面相比,透水路面徑流中的銅和鋅含量均較低,并且沒有停車場特有的污染物(機(jī)油)。除此之外,與瀝青路面的停車場相比,透水路面的停車場較少發(fā)生由于大氣加熱導(dǎo)致的烴類污染[94]。

6.2 發(fā)揮以自然生態(tài)系統(tǒng)功能為核心的“低影響開發(fā)”城市流域水資源管理

基于流域或子流域尺度的土地覆被管理是保護(hù)城市化水量和水質(zhì)最為有效的選擇之一。根據(jù)流域服務(wù)功能的目的,在相應(yīng)的水文單元內(nèi)進(jìn)行綜合流域管理,同時(shí)限制開發(fā)那些對水量和水質(zhì)影響較大的重點(diǎn)區(qū)域。如果這些流域可以保留或恢復(fù)植被(如森林或草地),那么覆被良好的流域不僅可以保障水資源穩(wěn)定供給,改善水文環(huán)境(如減少非點(diǎn)源污染,減少城市內(nèi)澇)[61],還可以改善城市小氣候環(huán)境(如緩解“城市熱島”與“城市干島”效應(yīng))[18,79]。同時(shí),在減少噪音、降低空氣污染、減弱紫外線照射、降低能源消耗、保障人體身心健康、提供野生動(dòng)物棲息地等方面也有大有益處?？傊?與不透水面相比,自然生態(tài)系統(tǒng)提供了更穩(wěn)定的生態(tài)水文環(huán)境和更豐富的可利用水資源,而且具有健康、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境等多重效益。這也符合世界自然保護(hù)聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)提出的基于自然的解決方案(Nature-based Solutions, NBS)的新理念[95],是應(yīng)對一系列環(huán)境和社會(huì)挑戰(zhàn),特別是如何在不斷變化的環(huán)境中促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),以增強(qiáng)可持續(xù)城市化、刺激經(jīng)濟(jì)增長、改善環(huán)境,并增強(qiáng)人類福祉的有效途徑。

“低影響開發(fā)”(Low-Impact Development,LID)是20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來的暴雨管理和非點(diǎn)源污染處理技術(shù)[95],是當(dāng)前“海綿城市”建設(shè)的基礎(chǔ)理論。旨在通過分散的、小規(guī)模的源頭控制來達(dá)到對暴雨所產(chǎn)生的徑流和污染的控制,使開發(fā)地區(qū)盡可能地接近自然的水文循環(huán)。其核心在于原位收集、自然凈化、就近利用或回補(bǔ)地下水。比起不透水的基礎(chǔ)設(shè)施,這種方式更為有效,對環(huán)境的不利影響也更小。其中,分散式植被控制系統(tǒng)利用植被減少雨水徑流[96],將雨水徑流導(dǎo)入溝渠或由草本植物或木本植物組成的“沼澤地”會(huì)帶來更多的下滲、地下水補(bǔ)給和蒸散,從而減少地表徑流和洪澇、使洪峰滯后、減少侵蝕和沉淀、緩解地表下陷以及凈化雨水等一系列益處。在植被成熟時(shí),其優(yōu)勢更為明顯,遇到暴雨時(shí)效果也非常穩(wěn)定,同時(shí)成本較低。

6.3 以流域?yàn)閱卧獙?shí)施城市最佳管理實(shí)踐,提高城市流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

目前,從系統(tǒng)綜合的角度解決環(huán)境或生態(tài)問題已逐漸成為學(xué)術(shù)和資源管理界的共識[91]。流域是自然系統(tǒng)中一個(gè)具有明顯物理邊界線且綜合性強(qiáng)的獨(dú)特地理單元。從這個(gè)意義上講,所有的生態(tài)環(huán)境問題都落入某一流域,都與流域水、土、氣資源破壞或不合理管理有關(guān)。因此,把流域作為一個(gè)完整的系統(tǒng),從流域生態(tài)水文的角度管理城市,以流域?yàn)閱卧獙?shí)施城市最佳管理實(shí)踐,運(yùn)用生態(tài)水文學(xué)理論對流域中的主要過程進(jìn)行科學(xué)管理,通過合理設(shè)置流域生態(tài)用地,有效提高城市生態(tài)服務(wù)功能、保障城市生態(tài)安全,是一條更有效的系統(tǒng)綜合解決城市環(huán)境問題的途徑。

由于氣候變化與人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾,多要素、多過程、多格局、多尺度[8]的城市生態(tài)水文效應(yīng)與氣候環(huán)境效應(yīng)具有復(fù)雜性與不確定性。隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市擴(kuò)張,人類對建設(shè)用地需求增多的同時(shí),對于人居環(huán)境的要求亦有增長。提高綠色覆被,保護(hù)濕地和生物多樣性,發(fā)揮自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(水熱平衡,養(yǎng)分循環(huán))為核心的城市流域管理在穩(wěn)定城市小氣候、改善水質(zhì)和減緩洪澇等極端水文變化的作用更顯重要。充分利用和實(shí)施流域自然服務(wù)功能不僅是未來維持水質(zhì)和水量的重要途徑,也是實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展“雙贏”的有效手段,這對發(fā)展中國家尤為重要[74]。

近年來,國內(nèi)針對城市洪澇及水環(huán)境問題,提出了“海綿城市”建設(shè)模式。這是以“低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建”為理論,實(shí)現(xiàn)雨水在城市中自由遷移,以及實(shí)現(xiàn)水文過程動(dòng)態(tài)管理與調(diào)控為目的的城市建設(shè)模式。“海綿城市”建設(shè)指導(dǎo)思想避免了因水文學(xué)、城市水文學(xué)領(lǐng)域的各類實(shí)踐可能引發(fā)的過度工程化以及與生態(tài)系統(tǒng)脫節(jié)等問題[97]。尤其在全球變暖、極端天氣氣候事件增多背景下,城市土地覆被的生態(tài)水文服務(wù)功能更為明顯?，F(xiàn)代城市規(guī)劃需要遵循流域生態(tài)水文學(xué)基本原理和基本規(guī)律,從城市流域生態(tài)系統(tǒng)角度認(rèn)識近年來新出現(xiàn)的不同尺度城市環(huán)境效應(yīng),加強(qiáng)流域景觀規(guī)劃,提高綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,以減緩城市化對環(huán)境帶來的負(fù)面影響。這不僅有助于增強(qiáng)流域生態(tài)穩(wěn)定性,而且對于適應(yīng)全球環(huán)境變化,實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。