气候变化与长三角城市水安全

作者:许有鹏    文章来源:人民长江报    点击数:    更新时间:2009-11-13

  南京大学教授、博士生导师许有鹏

  近年来随着我国城市化进程的加快,城市水源短缺、洪涝灾害加剧以及水环境恶化等城市水安全问题日益引起人们的关注,城市水安全问题已经成为当前较为关注的一个热点领域。

  长江三角洲地区20世纪80年代以来洪涝灾害加剧、水环境恶化现象频繁出现,这与该区气候背景、下垫面条件、自然地理状况以及人类活动的改变密切相关。气候变化、城市化发展以及土地利用、覆被变化使得研究区水循环过程发生较大改变,而城市化所引起的河流水系变化则对洪水过程产生显著影响,同时河流水系衰减与河道淤积也使得河流自净能力下降。因而,探讨该地区气候变化背景下的城市化发展与水安全问题具有重要的意义。

  未来长三角洪涝和干旱发生的几率会更高

  长江三角洲地区北起通扬运河,南抵杭州湾,西至镇江,东到海边,范围包括江苏、浙江两省的15个地级市及上海市,是我国工业化和城市化最发达的地区,人口稠密、经济发达。

  长三角地处平原河网地区,河道比降小,水流渲泄不畅,同时还受天文、气象等因素的共同影响,易涝、易洪的特征比较明显。该地区在气候上属于亚热带季风气候,常遭受梅雨、台风暴雨、风暴潮以及长江中下游地区洪水的袭击,容易出现外洪、内涝或外洪内涝同时并发的水灾。

  长江三角洲地区是对气候变化响应比较敏感而强烈的地区。20世纪80年代以来,长江中下游升温0.2~0.8摄氏度,其中增温最高的地区位于长江三角洲。以该地区5个代表城市为例,近50年来,长江三角洲地区气温有上升趋势,尤其在20世纪90年代显著升高。90年代各城市的平均气温普遍比前40年高出约0.96摄氏度。上海升温速度最快,为0.73摄氏度每10年,其它4个城市的气温增加率平均为0.23摄氏度每10年。通过对上海、杭州和南京3个气象站的分析,该区年均气温有显著升高趋势,且在90年代初期发生明显突变。

  区域气温升高对水文水资源变化造成了深刻的影响,首先表现在对降水的影响上,气温升高使水循环加快,从而有助于降水量增多。其次是对洪涝灾害的影响。联合国政府间气候变化专门委员会指出,全球变暖导致极端降水事件的增加比降水量的增加更为显著,因此未来长江三角洲发生大洪涝的可能性增大。再次,气温升高还会影响区域水资源的变化,水资源的变化受到降水和温度变化的共同影响。据对长江三角洲的研究发现,温度升高1摄氏度引起当地水资源的减少量,相当于降水量减少3.3%引起的水资源减少量。

  目前该区降水总量的变化趋势不明显,而通过季节降水量的分析来看,夏季降水明显增加,其余季节降水量表现出一定的下降趋势,说明降水集中于夏季的程度有增大的趋势,这将会进一步加剧该区水资源时间分布不平衡的矛盾,对区域洪旱灾害的防治也存在不利影响,极端降水却都呈现显著增长趋势,未来长江三角洲洪涝和干旱发生的几率会更高,极端气候造成的危害将更为严重。

  城市化对长三角水环境的影响不可小视

  城市化对降水的影响。本文以城市化发展最为迅速的苏州市为例,探讨该地区城市化对降水特征的影响。苏州全市地势平坦,大部分为平原区,气象条件和地形影响基本一致。首先,采用方差谱密度等方法对两个站点1953年~2000年的日降雨时间序列特征进行分析,结果表明两个站点年降雨时间序列均不存在明显突变、变化趋势和周期成分。其次,通过对年雨量、汛期雨量以及最大日雨量的对比分析,发现城市化对年雨量、汛期雨量和最大日雨量的都有不同程度的增加作用,其中对最大日雨量的影响最为显著,其次为汛期雨量和年雨量;同时,研究结果表明城市化使汛期雨量和最大日雨量的频率参数增大,且不同时期苏州站的汛期雨量、最大日雨量的变差系数(Cv)均大于望亭站,说明受城市化的影响,城区的Cv值明显增大,而且苏州站汛期雨量所占的比重有微弱的上升趋势;最后,通过对不同类型的降雨资料进行统计分析发现,城市化使得不同类型降雨发生次数都有增加,且以暴雨发生次数的增加最为显著。

  城市化对暴雨洪水影响。随着城市化的发展,城市的生产活动和特殊地面结构共同作用于大气,使大气边界层的特性发生变化,从而形成了城市热岛效应、雨岛效应。与此同时,城市化地区众多天然河流水系消失,削弱了河道的蓄洪能力,加快了地表径流速度,缩短了汇流时间,导致暴雨后干流河道水量快速增加和地表积水现象,使得该区域夏季城市洪涝灾害的发生频率与强度呈现逐渐增加趋势。

  通过对南京地区降水量的统计分析发现,二十世纪二三十年代,南京市汛期降水量约为433.4毫米,年降水量平均约850.7毫米,发生大雨、暴雨的频率为每年5.2次;而到了二十世纪九十年代,汛期降水量增加为850.7毫米,年降水量增加为1111.3毫米,发生大雨、暴雨的频率也相应增加为每年7.8次。显而易见,南京地区汛期降水量、年降水量及发生大雨、暴雨的频率均有增加的趋势,1970年后尤为明显。而城市降水量的增大,使区域出现峰高量大的暴雨洪水机会增加,加剧了南京市的防洪压力。同时随着城市不透水面积的不断增加,加上城市管网排水能力脆弱,使得现有排水能力难敌特大暴雨,相应洪涝灾害发生的可能性也进一步增大。

  此外,我们在该地区西苕溪流域内分别选取了4~15平方公里的城市化集水小区,以及邻近以森林区、农业耕地区等不同类型覆盖单元集水小流域,开展同期降雨径流的对比观测,并通过暴雨洪水模型模拟分析比较,探讨城镇化对水文过程的影响。通过城镇化小流域近年降雨径流对比实验观测,进一步验证城镇化地区洪峰加大,洪水过程历时缩短等城市化区的水文特征变化规律。

  城市化对河网水系和水环境的影响。城市化的发展直接或间接地改变着城市水环境,河道的裁弯取直、硬化与渠化等,改变了天然河流的自然形态;城市不透水表面的扩展,侵占了河流系统的活动空间,生态环境遭破坏;城市化、工业化的结果,产生大量废弃物,污染河流水环境,破坏城市水生态系统平衡,使水域生态功能降低。

  如南京市作为一个沿江城市,曾经拥有众多的支流水系,秦淮河、金川河、护城河以及清溪河、进香河、珍珠河等,河网纵横交织,水系发达。但城市化的快速发展,对城市天然河流水系产生了严重影响,许多支流小河道由于城市用地的扩展而被侵占缩窄或以涵管的形式埋入地下,河流长度、面积缩小,河流的数量也在持续减少。到20世纪90年代末,只剩下秦淮河、金川河和杨吴城濠等水体,据不完全统计,十年内南京城区就消失城市较大河流20条,全长超过15公里。传统的河流渠化、硬化以及裁弯取直等治理工程导致河道完全人工化,形式规则单一,河流的自然形态消失,河网结构简单化,其功能特性也因此发生相应的变化。

  随着城市化步伐的加快,河流两岸土地的开发利用,城市河流遭到严重损害,大量废污水直接排放入河,远远超过了河水的自净容量,造成河道水质和河床底质的污染,研究区大部分河流目前基本已没有底栖动物存活,许多对人类有益物种也迅速消失。近年来整个长江三角洲地区枯水期平原河段基本都为Ⅳ~Ⅴ类水,特别是城区段河道水质状况大部分在劣Ⅴ类以上。尽管近年来该地区水质状况有所好转,但仍然存在水环境保护措施滞后等问题。由此可见,在城市化发展过程中走先污染后治理的道路,有悖于自然规律,且恢复原有生态环境的代价也是昂贵和巨大的。

  城市化发展应以保障城市水安全为前提

  城市化发展对该地区所带来的社会、经济效益固然可观,然而城市化给水资源、水环境及水生态带来的危害却不容忽视。因此,该地区城市化发展进程中必须坚持可持续发展的原则,开发与保护并重,加强水污染防治及水资源、水环境、水生生态系统的保护,尤其要注重城市饮用水源地保护工作,从而实现经济、社会和环境的协调发展。

  城市水安全将主要考虑的是由于城市水资源短缺、水质污染以及洪涝干旱灾害造成的城市水安全问题,并重点关注城市的供水安全、城市的水质安全和城市的防灾安全。水安全其实也是由于水多、水少、水脏而带来的社会性水安全问题。要实现城市化地区水安全,必须进行水资源优化配置,确保水资源的持续利用。

  水资源优化配置则是要在一个特定流域或区域内,工程与非工程措施并举,对有限的不同形式的水资源进行科学合理的分配,其最终目的就是实现水资源的可持续利用,保证社会经济、资源、生态环境的协调发展。要实现该地区水资源优化配置,首先,应对该地区宏观经济状况与城市化的发展、生态环境保护以及水资源利用综合加以考虑,将需水、供水和水质保护并重,并深入分析三者相互依存、相互制约的关系。其次,要采用大系统多目标的决策方法,综合反映不同配置方案对该地区各方面的影响,将城市地区发展规划与水资源开发保护相结合。此外,要在合理配置决策分析中保持水的需求与供给间的平衡,污水的排放与水污染治理间的平衡,以及水投资的来源与分配间的平衡,并动态协调各部门之间的关系。只有这样,才能保障该地区的水安全。

  长江三角洲地区因为气候变化加剧了水循环过程、增加了洪涝灾害风险。而快速城市化对区域水文水资源造成了显著的影响。城市化使得不同类型降雨的雨量、次数都有增加,且以暴雨发生次数的增加最为显著;城市化使得径流深度和径流系数都有显著增加,使得河网密度和水面率下降,滞蓄涝水能力明显下降,且河网水质持续恶化。这些结论将为该地区水资源的优化配置、水安全保障以及区域的可持续发展提供支持。

  长江三角洲地区水量丰富,水资源条件得天独厚,但由于城市化高速发展,人口的大量聚集,人均占有水量并不多,加之用水结构尚未稳定,城市水安全问题不容忽视。因此,在长江三角洲区域发展过程中,必须考虑城镇化对径流的长期影响,预防城市洪水灾害。同时,应遵循河网演化的自然规律,尽量保留现有的河道水系,保持适当的水面率,从而增强河网调蓄能力,减小洪水的威胁。此外,应当避免废污水直接排入河流,以改善河网的水质和水生态环境。只有这样,才能保护城市区域水生态与水环境,保障城市水安全并实现水资源的可持续利用。

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