1.8　城市对河流的改变

城市对河流的改变十分显著。几乎所有的城市都对河流进行了大大小小不同程度的改变,整体表现出改变范围广、影响程度大的特点。这些改变,对于河道的天然特性和河道生态系统是一种干扰,同时河道的某些属性和功能也反过来被城市所强化。

1.8.1　城市改变水文过程

随着城市的发展,城市人口密度增加,人工建筑物和构筑物密度增加,城市范围不断拉大。土地利用情况不断被改变,土地被平整,植物被清除,改建成道路、住宅、工厂、学校、商场等设施。地面被大范围硬化,以方便出行。城市排水系统被修建,以便迅速排除积水,防止涝灾。天然地貌被人工地貌替代后,水文下垫面条件显著改变,入渗、汇流、蒸发甚至降雨的水文过程发生较大变化。城市的水循环有别于天然状态下的循环,而是自然-社会复合水循环(图1.8-1)。在城市水循环的背景下,城市河道的径流量与径流过程也随之受到影响(图1.8-2)。

随着城市人口数量的增加和人们生活水平的提高,城市生活用水、工业用水和环境用水的数量随之大大增加,河道外用水量在增长,河道内用水量在下降。一年之内非汛期的降水相对较少,生活用水量和工业用水量一年四季却比较均衡,并不会因为非汛期降水量少而减少。这些因素都会导致河道非汛期径流变小,甚至干涸(图1.8-3)。

混凝土和砖石一般比天然土壤的渗透性差,因此城市地面大比例硬化后,降雨的入渗量显著减少,径流系数会提高(表1.8-1、表1.8-2)。综合径流系数提高后,区域产生的地表径流量就比天然情况大。由于下渗减少,地下径流减少,加上地下水超采,往往导致大面积的地下漏斗。刘琳琳等[15]分析了城市化对城市雨水资源化的影响,给出了北京市中心城区与郊外平原区水量特征值的比较(表1.8-3),也印证了城市化对河道径流的影响。

城市排水管网修建完善后,雨水汇集流动的界面相比天然情况更加规整、光滑,会影响汇流的速度和时间。天然地面和沟渠的粗糙系数常在0.30以上,人工管渠则小很多(表1.8-4)。为了工程安全和管理方便,管渠的设计流速被限定在一定的范围。管道的最大设计流速根据材料的耐冲刷性能取不同的数值,一般金属管道为10.0m/s,非金属管道为5.0m/s,非金属管道在经过试验验证后可以提高。明渠的最大设计流速随不同的界面条件和水流深度而变化,不同类别明渠的最大设计流速见表1.8-5。为减少污物、杂质、泥沙等的淤积和运行期的清淤工作量,管渠设计应满足最小不淤流速要求,污水管道的最小设计流速在设计充满度下为0.6m/s,雨水管道和合流管道在满流时为0.75m/s,明渠为0.4m/s。因此,人工管渠的流速一般比天然汇集雨水大,雨水汇集的时间会变短,导致河道径流洪峰时间提前,径流过程变得尖瘦,如图1.8-4所示。

城市对降雨位置也有影响。城市规模扩大后,会改变城市的局部气候条件。地面上混凝土建构筑物增多后,相比郊区天然土壤、植被下垫面,热容量小,吸热快,蒸发量减少,加上工厂生产、汽车排放、居民生活产生的热量远大于郊区,这使得同一时间城区气温普遍高于周围的郊区气温,如同汪洋大海中的突出的岛屿,人们称这种现象为城市热岛效应(图1.8-5)。热岛强度有明显的日变化和季节变化。日变化表现为夜晚强、白天弱,最大值出现在晴朗无风的夜晚,上海观测到的最大热岛强度达6℃以上。季节分布还与城市特点和气候条件有关,北京是冬季最强,夏季最弱,春秋居中,上海和广州以10月最强。年均气温的城乡差值约1℃左右,如北京为0.7～1.0℃,上海为0.5～1.4℃。热岛效应会影响降雨,促进形成“雨岛效应”。城市热岛促进局地气流会上升,加上城区空气中凝结核多的条件,有利于对流性降水的发生。美国曾在密苏里州的圣路易斯城及其附近郊区设置了稠密的雨量观测网,持续观测5年,证实了城市及其下风方向确有“雨岛效应”。统计分析上海地区170多个雨量观测站点的资料,发现上海呈现出清晰的城市雨岛,城市对降水的影响在汛期(5—9月)比较明显,城区降水量明显高于郊区,在非汛期(10月至次年4月)则无此现象。“雨岛效应”影响了降雨的分布,如果地面排水不畅,会加剧城市内涝;同时改变了河流不同汇流位置对应的雨量,影响了径流组成。反过来,河道作为城市的绿廊,有利于减轻热岛效应,进而削弱雨岛效应,这也证明了做好城市河流绿廊规划设计工作的重要性。

1.8.2　城市改变河流流路

为了增加建设用地面积,或者使地块规整化以方便土地开发,不少河道的流路被改变。根据中新网的报道,商丘县城蔡河被别墅改道,如图1.8-6所示,图中虚线部分为老河道,从别墅群中间穿过。改变的方式有河流改道、裁弯取直、填埋河道。填埋河道常见于小河,其排水功能被雨水管网替代。一些城市规划中,可以见到天然河流被大手笔消灭的情况。也有为了减小城市防洪压力而进行的河流裁弯取直(图1.8-7)。河道流路被改变后,河道的形态、曲度、比降、流速、光热条件都会发生变化,河流生态系统要被迫适应这种剧烈变化,这可能造成生态系统的衰退,甚至生态灾难。

1.8.3　城市恶化河流生态

城市发展过程中,原来属于天然河道生态系统的空间被大量侵占,最常见的方式是缩窄河道和把河道改成暗涵。现在城市建设为了塑造优美的滨水环境,将河流滩地和堤防管理用地打造成了公园,园林植物取代乡土植物,河流生态系统失去了自然结构和自然功能,成为高度依靠人工养育的园林。原来由河道生态系统享用的行洪空间也被开发利用:滩地被改造为居民游憩场地,充斥着大量休闲娱乐设施。

伴随城市人口密集和规模化工业生产的是大量排放的废水、废气、废渣。城市废污水携带大量的有害物质,虽然大部分被收集到污水处理厂集中处理,但处理后的中水水质多为一级B或者一级A,远低于地表水Ⅴ类水质标准,对于天然河流而言仍然为污水。雨水冲刷城市地面,携带大量的污染物排入河道。废气中的二氧化碳污染大气,导致降落酸雨,污染河道水质。固体废弃物堆弃在河边,雨水冲淋,一些有毒有害物质被带入河道。这些都会导致河道水质恶化。

以前的城市河道治理,注重快速、长久实现防洪排涝效果,大量采用混凝土、浆砌石等不透水材料修建岸坡,阻隔了河水与地下水的交换。堤防高筑,大大改变了两岸缓冲带原有的栖息地环境。规则化的断面与硬质岸坡,使水生植物难以生长,鱼类等水生物失去了觅食、避难、繁殖的多样化生境。

河流空间被侵占、水量减少、水质恶化和栖息地消逝,最终突破了河流生态系统的承载能力。河流生态系统的结构被破坏,自我调节和自修复能力彻底丧失,生物多样性急剧减少。河道干涸、黑臭、水华等滨水环境问题频繁出现(图1.8-8),提示着河流生态系统在急剧衰退。

1.8.4　城市强化河流作用

1.城市强化了河流的调蓄作用

城市地面硬化和低洼坑塘被填平后,降雨的入渗量和地面滞蓄量减少,汇入河道的水量增加,导致城市的防洪排涝压力加大。同时,大量雨水被排走,又加剧了城市水资源供给紧张的矛盾。因此,河槽滞蓄雨洪水的价值就被凸显出来。可以向下、向两边扩挖河槽或者在河道外开挖湖库并连通河道,形成“串塘式”或“长藤结瓜式”布置来滞蓄雨洪水,增加当地水资源利用量(图1.8-9)。

2.城市强化了河流廊道作用

城市比较彻底地改造了自然,也隔离了城市居民与大自然的接触。河流则是城市保留的最有可能接近自然的区域,其“替代”自然环境的作用被强化,这不仅源于城市居民向往自然环境的心理需求,也在于河流作为城市生态廊道和通风廊道的巨大价值。河流生态廊道有助于缓解城市的热岛效应,降低噪声,净化空气,有效阻止污染物的汇入,净化水质,能够为城市居民提供优良的游憩环境,优化城市视觉景观,还可以兼作历史文化廊道,成为宣传、教育场所;有利于增加滨水过渡生境的类型,提供供野生动物移动、生物信息传递的通道,保护多样化的乡土环境和生物。河流及河畔的带状绿地可以作为城市的通风廊道,将城市郊区的自然气流引入城市内部,为炎热的夏季城市通风创造良好的条件,缓减市区热岛效应,而在冬季则可降低风速,发挥防风作用。如南京分别利用山体林地、河谷水道、湿地、绿地等自然条件,通过建设限高等手段,规划预留了6条生态通风走廊。

3.城市强化滨水环境价值

20世纪80年代以来,许多西方城市实施了城市复兴计划,对原来的码头仓储用地进行再开发,推动创意文化、旅游休闲等新兴产业在城市中心的发展。全球对城市滨水区的价值进行了重新的认识,加大了对滨水区域的开发利用。良好的滨水区域空气清新,绿色盈目,隐秘静谧,与马路、商场内的喧嚣、污浊、熙攘形成强烈的反差;人们更是对水具有的特殊的情感和审美情怀。所以河流滨水区域成为了人们追逐的理想的居住、生活、工作环境,其经济、社会价值都得到了某种程度的强化。