面向流域的城市化水文效应与城市可持续发展研究

Having recognized of the defects of present perspetive , the project would propse a new research idea on hydrological effects of urbanization in a basin scale. Integrated the different study methods of systems analysis, geographic process, scaling transforming and model simulation, etc, the study aims to reveal the internal forming factors and the mechanism of the hydrological effects of urbanization, build the basin-oriented evaluation model for the hydrological effect of urbanization considering the healthy hydrological cycle, design water resources and water eco-environment management model under nature-artificial dualistic driving, propose the policy framework and innovation strategy of urban sustainable development under the water resources and water eco-environment constraints..The YiShuSi basin lies in the east of China, natural rivers are extremely serious human disturbance, and the watershed social-economy has entered a accelerated development stage of industrialization and urbanization, the rate of water resources exploitation over 70%, the relationship between human and water resources and water eco-environment are more and more serious. Viewing the characters of the basin, and the background of the rapid development trend of small and medium-sized cities in the East China and in-depth development of new socialist countryside construction, the study take the YiShuSi basin as study region. The study results not only could concise the theoretical framework of studying the hydrological effects of urbanization based on water cycle restoration, but also has important theoretical significance and application value for servicing local social-economic development and ecological city construction.

基于城市化水文效应的外部性，提出从流域尺度研究城市化水文效应的思路。综合运用系统分析、地理过程研究、尺度转换和模型模拟等方法，旨在揭示城市化水文效应形成的内在因素与机理，探索城市化与流域自然水循环的耦合机制及演化规律，构建面向流域健康水循环的城市化水文效应评价模型，设计自然-人工二元驱动下的流域水资源环境管理模型，提出水资源环境约束下城市可持续发展的政策框架和创新策略。由于自然和历史原因，沂沭泗流域自然水系受到的人为干扰极其严重，而目前流域社会经济进入工业化与城市化加速发展阶段，人水关系趋于紧张。鉴于中国东部中小城市的快速发展趋势和社会主义新农村建设的深入发展，在该试验区开展基于流域健康水循环的城市化水文效应评价以及基于水资源环境约束的城市可持续发展研究，不仅可以凝练基于流域水循环修复来解决城市化水文效应的理论框架，而且对于当地社会经济发展和建设生态城市具有重要理论意义和应用价值。

摘要：本研究基于城市单点尺度对城市化水文效应研究的不足，探索了面向流域的城市化水文效应研究过程及应对策略，关注于城市化对流域自然水循环疾病功能的干扰和破坏状况。取得了如下成果：首先，基于对城市化特征与流域水系功能的认识，从城市化进程中的城市人口、规模经济扩张，空间规模扩张，给排水系统扩张以及城市群发展4个角度，分别构建与流域自然水循环耦合的压力-状态-反馈机理及其概念模型。其次，从城市节点尺度，基于L-THTA水文模型，模拟了徐州市城市化进程中的水文效应，主要结论为，1983-2013年，徐州市（区域面积3059km2）城市建设用地从310km2增加到755 km2，降水频率为丰、平、枯水期的地表径流深分别增加46、42和38mm；下垫面TN、TP、SS三种污染物质的输出量分别增加46.4%、40.4%和38.3%。2003年，徐州城市建设用地比例超过20%，成为径流和污染物突变的阈值。基于室内试验和水文模型模拟，证明绿地对地表径流和BOD、COD、TN、TP、NP、SS等面源污染有较明显的削减效应。第三，从流域尺度，基于SWAT水文模型模拟了南四湖流域（27124km2）的城市化水文效应，主要结论为，1987-2014年，流域建设用地比例从14.1%增加到19.1%，其中城镇建设用地比例从1.3%增加到5.5%，流域8个水文站点的河川径流量均为减少趋势，而水文模拟的地表径流增加2.7mm，此外，蒸散发增加2.7mm，而基流、地下水补给量和土壤含水量各减少1.7、2.0、2.0mm。流域内各子流域由于下垫面特征不同，各水文参数的变化值也不同。但总体可以得出，水循环要素中地表径流和蒸散发对建设用地变化的响应比敏感，当城市建设用地增加到20%（导致水文响应的突变比例）之前，径流深对建设用地的增加幅度的响应更为敏感；当突破这一比例后，响应趋于减弱。这一结论可作为约束流域内建设用地比例以及限制城市扩张规模的指标之一。第四，基于流域健康水循环的涵义，提出了城市化进程中流域健康水循环状态的评价指标体系，对南四湖各子流域的健康状态进行评价；并提出了基于水文区位和流域健康水循环的城市化水文效应应对策略。从流域健康水循环的角度，城市和流域规划的重点在于控制集中连片的城市建成区的扩张，规模小而被生态型（耕地、林地、草地等）用地所包围的城市建成区是较好的选择。