上海市中心城区土地利用变化对径流的影响及其水环境效应研究

【摘要】： 人类活动对土地的开发强度、利用方式及随之引发的土地覆盖的变化是影响整个生态环境的重要因素之一。随着城市人口的快速增长和城市规模的迅速扩张，大量非城市用地转变为城市用地，会对城市的水资源、水环境产生一系列负面影响。城市的生态环境与经济发展和城市扩张之间的矛盾逐渐显现。 论文依托2004年度上海市科委重大科技攻关项目“中心城区和新城市化地区面源污染控制关键技术与示范研究(04DZ12024)”的子课题——“城市绿地系统对雨水径流调蓄及污染削减效应研究”，该项目于2006年12月通过验收评估。在历史资料收集、基础资料统计分析、现场实验分析的基础上，采用定性和定量分析结合的方法，重点论证了城市地区土地利用变化对城市地表产流能力的影响，以及因径流增加而引发的相关环境影响。 本文在对上海市中心城区近十年(1994年～2003年)土地利用变化分析的基础上，利用土地利用资料和排水降雨数据，选择流域水文模型——SCS模型对苏州河两岸28个排水片组成的研究区域进行降雨-径流产流模拟。根据45场降雨产流的模拟结果修正SCS模型并将其应用于上海市中心城区，分析城市化过程中土地利用的变化对径流及降雨入渗的影响。通过对土地利用变化的水环境效应分析，突出上海市土地资源合理利用的重要性。 本文的主要研究内容和结论有以下几个方面： (1)根据研究目的选用美国SCS模型对研究区域进行降雨-径流模拟。初步确定适用于上海城市地区的CN值表。直接应用SCS模型对45场降雨进行产流模拟计算，28.57％的合格率说明SCS模型用于上海城市地区径流计算需要适当的修正。本文根据特定流域降雨初损与年降雨量的比例关系，重新率定初损I_a与流域最大渗透量S的关系式I_a=λS中的系数λ。对应三种前期土壤湿度条件，λ分别取值0.03、0.08和0.20。修正的SCS模型对同样的45场降雨模拟结果的合格率提高到71.43％。 (2)简要分析1994年、2000年和2003年上海市中心城区土地利用的年际变化。根据1994年和2003年的土地利用情况，设计丰水年、平水年和枯水年三种典型水文年的年降雨量，使用修正的SCS模型进行产流估算。与1994年相比，2003年三种设计条件(丰、平、枯)下的年径流系数分别增加0.0474、0.0522和0.0399。同期的地表径流中COD_(Cr)、BOD_5、氨氮、总氮、总磷等污染物的含量平均增加65％、72％、19％、46％和22％。这两组数据均体现了土地利用变化对城市地表产流能力和径流污染的影响。同等降雨条件下，不同土地利用强度区域的产流能力比较结果说明，降雨-径流的关系受到城市土地利用方式和强度的影响，特别是城市绿地对减少产流量和延迟产流时间有比较明显的作用。 (3)通过多次室内降雨模拟实验，定量分析三种降雨条件(降雨强度和雨水水质不同)下裸地和绿地两种典型城市下垫面的持水能力和削减入渗污染物能力的差异。结果表明有植被覆盖的绿地持水能力强于裸地；绿地对COD_(Cr)、N、P等化学污染物的削减作用强于裸地，且其对COD_(Cr)的削减能力最为突出。 (4)论文在以上研究的基础上，结合上海市中心城区的实际情况，提出了上海市土地可持续利用途径和控制降雨产流及径流污染的措施。