上海市中心城區(qū)河網(wǎng)水系百年變化

上海市中心城區(qū)河網(wǎng)水系百年變化

上海是一個(gè)典型的情感平原河網(wǎng)地區(qū)。河網(wǎng)水系是該地區(qū)河網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)重要因素。人類活動(dòng)是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和功能障礙的主要推動(dòng)力。在人類活動(dòng)的影響下，許多河流和湖泊正在逐漸縮小。例如，20世紀(jì)初，300多條太湖運(yùn)河被砍伐，到1993年，只有125條河和湖泊。上海自1843年開埠后,受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程等多種因素影響,中心城區(qū)河道大量消亡,原有自然河網(wǎng)水系嚴(yán)重消退、結(jié)構(gòu)破壞、功能減弱,目前中心城區(qū)水面率僅為4.40%(含黃浦江等外河)。河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)及功能是河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容,引起各國政府與學(xué)術(shù)界重視。目前國內(nèi)外關(guān)于河流水系的研究主要集中于自然狀態(tài)的流域[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],受河流歷史記載資料限制,對(duì)人為因素影響下水系結(jié)構(gòu)變化研究有待加強(qiáng)。本文利用上海中心城區(qū)1860~2003年的河道變化數(shù)據(jù),分析長(zhǎng)時(shí)間尺度、高度城市化區(qū)域河流水系百年來的變化及其影響因素,以期為城市化進(jìn)程中的河流水系保護(hù)和管理提供依據(jù)。1學(xué)習(xí)方法1.1歷史河道分布本文選擇上海市中心城區(qū)為研究區(qū)域(圖1)。河道歷史變化數(shù)據(jù)源于上海水利志、上海地名志、上海黃浦區(qū)等文獻(xiàn)和歷史河道分布史圖[19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]。筆者將上述歷史文獻(xiàn)和史圖中記載的有關(guān)中心城區(qū)從1860年以來湮沒消失河流資料歸類梳理,所得數(shù)據(jù)資料作為河道歷史變化數(shù)據(jù)。河道現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于1999年上海市水資源普查報(bào)告和2000、2003年上海市航空遙感圖象解譯資料。1.2計(jì)算主參數(shù)的一般方法1水系細(xì)度l的計(jì)算Horton認(rèn)為同一流域內(nèi)河流數(shù)目(N)、長(zhǎng)度(L)隨河道級(jí)別呈幾何級(jí)數(shù)變化:Nω=RΩ?ωb(1)Lω=L1Rω?1l(2)Νω=RbΩ-ω(1)Lω=L1Rlω-1(2)式中,Rb、Rl分別為河道水系分枝比和長(zhǎng)度比,ω為河流級(jí)別序號(hào),Ω為河流最高級(jí)別;Nω為第ω級(jí)河道的數(shù)目;Ll、Lω分別為第l和ω級(jí)河流的平均長(zhǎng)度(km)。Rb和Rl的值可以根據(jù)ω-lgNω和ω-lgLω(ω為橫坐標(biāo))圖中直線斜率絕對(duì)值的反對(duì)數(shù)來求得,即:Rx=10|kx|(3)Rx=10|kx|(3)式中,Rx為水系結(jié)構(gòu)參數(shù)(x=b,l),kx相應(yīng)依次為ω-lgNω和ω-lgLω圖中回歸直線的斜率。2水系分維d的計(jì)算Horton認(rèn)為流域內(nèi)不同等級(jí)水系的發(fā)育具有自相似特征,LaBarbera和Rosso給出水系分維D的計(jì)算式:D=lgRb/lgRl(4)D=lgRb/lgRl(4)3蓄容量長(zhǎng)度計(jì)算水面率為水面積與區(qū)域總面積的比值。槽蓄容量是指在一定水位條件下,該河道所能容納水體的體積總量,本文所計(jì)算的槽蓄容量是指常水位情況下河道的蓄水總?cè)莘e。河道可調(diào)蓄容量是指從最低水位上升到最高水位所增加的河道容積。消失河道的長(zhǎng)度源于根據(jù)文獻(xiàn)記載、歷史地圖、1999年上海市水資源普查報(bào)告以及2000、2003年上海市遙感圖象解譯資料,沒有長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的河道其長(zhǎng)度取有長(zhǎng)度數(shù)據(jù)河道的5%調(diào)整平均值。計(jì)算水面積和槽蓄容量時(shí),根據(jù)歷史記載和上海地區(qū)現(xiàn)有河網(wǎng)水系同等級(jí)河道資料,取消失歷史河道的平均河面寬度為20m,平均水深為2.0m。計(jì)算歷史河道可調(diào)蓄容量時(shí),參考上海市現(xiàn)有河道狀況,可調(diào)蓄容量指水位在2.2~3.6m之間的河道容積。2當(dāng)前和現(xiàn)狀：城市水系2.1擬變量:cm2上海中心城區(qū)面積289.44km2,區(qū)域內(nèi)村、鎮(zhèn)、區(qū)和市級(jí)4級(jí)河道共226條,總長(zhǎng)度258.17km,水面積12.72km2,水面率4.40%,河面率也只有5.20%,河面率較1984年的11.3%下降54%?？鄢S浦江、蘇州河等外河,中心城區(qū)的水面率只有1.36%,其中黃浦、盧灣、靜安三區(qū)(總面積28.08km2)水面率基本為零,徐匯、長(zhǎng)寧、普陀、閘北、虹口和楊浦6區(qū)(總面積261.36km2)水面率僅1.51%,明顯不能滿足城上海市市區(qū)內(nèi)水面率不得小于3%的上海城市防洪規(guī)劃要求。2.2河道消失時(shí)間基于河道消亡原因和用途的差異,上海中心城區(qū)河道消失歷史可分兩個(gè)時(shí)期:1860年至建國前,建國后至2003年。初步統(tǒng)計(jì),兩個(gè)歷史時(shí)期140余年時(shí)間內(nèi)上海中心城區(qū)有歷史記載的河道消失至少310條,長(zhǎng)度約520km,其中據(jù)方志等史料記載,1860~1980年代消失河道202條,長(zhǎng)約390km;據(jù)水資源普查和遙感解譯資料,1990~2003年消失河道約110條,長(zhǎng)約130km。其中第一時(shí)期內(nèi)河道消失約88條,總長(zhǎng)度超過222km;第二時(shí)期內(nèi)河道消失超220條,總長(zhǎng)度達(dá)300km(圖2、3)。本文研究較陳德超等的研究結(jié)果相比略有差異,這主要是研究區(qū)域和研究時(shí)間跨度不同造成的差別(表1)。陳德超等的研究顯示,1950~1999年上海市內(nèi)環(huán)線矩形區(qū)域(包括市區(qū)絕大部分和部分郊區(qū))河流長(zhǎng)度縮短了約270km,本文研究顯示同時(shí)期中心城區(qū)河道消亡為180條,長(zhǎng)約273km(圖2、3)。前者研究區(qū)域?yàn)樯虾Ｊ袃?nèi)環(huán)線矩形區(qū)域,包括中心城區(qū)和部分浦東地區(qū);本文20世紀(jì)90年代以前據(jù)地方志、地名志、水利志等史料記載的河道消亡區(qū)域主要集中在上海中心城區(qū),20世紀(jì)90年代后由于河道消亡變化在地方志、地名志、水利志等史料記載中沒有反映,因此主要依據(jù)河道遙感解譯資料分析。兩者的研究結(jié)果總體比較接近。2.3中央城市的歷史河流特征2.3.1上海早期河道消失的原因分析人類活動(dòng)是造成區(qū)域河湖萎縮、水面減少的主要驅(qū)動(dòng)力。上海在工業(yè)發(fā)展、人口聚集、城市擴(kuò)大的背景下,修建道路、興建居民區(qū)、市政工程建設(shè)和自然演變等是造成市區(qū)和城郊多河道被填沒的主要驅(qū)動(dòng)力[19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]。不同歷史時(shí)期,河道消亡主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力存在差異(表2)。1860年至建國前造成河道消亡的主要驅(qū)動(dòng)力有:①修建道路。上海是在河網(wǎng)區(qū)域之上興建起來的城市,河道阡陌縱橫。上海1843年開埠后,特別是在20世紀(jì)上半葉,上海工業(yè)、商業(yè)文化、金融、港口貿(mào)易迅速發(fā)展,至1920年上海成為全國最發(fā)達(dá)城市,一些不便于陸路交通、城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的河道在此期間被大量被填,約70%數(shù)量的河道是由于修建道路的原因而被填沒,這是建國前導(dǎo)致河道消失的最主要原因。②自然湮沒。上海地區(qū)屬典型感潮河網(wǎng)區(qū)域,長(zhǎng)江河口大量泥沙在漲潮過程中進(jìn)入河網(wǎng)水系,逐漸淤積導(dǎo)致河道淤塞。同時(shí)生活垃圾等雜物的隨意拋棄入河以及河道污染和斷頭浜的增加,致使水體自然功能逐步喪失,使人們采取填埋的方式來處理。這一原因使得近10%河道因此消失。③租界擴(kuò)張。晚清上海開埠后,楊浦、虹口、黃浦、徐匯等區(qū)淪為租界,這一時(shí)期上海地區(qū)的河網(wǎng)水系分布發(fā)生了顯著變化。特別是在1899年之后,眾多河流隨之湮沒消失。④建造住宅,這是造成這一時(shí)期河道消失的另一驅(qū)動(dòng)力(表2)。建國后至今的第二時(shí)期較前一時(shí)期河道消亡驅(qū)動(dòng)力明顯不同,河道消亡主要驅(qū)動(dòng)力是:①市政建設(shè)。建國前上海是以商業(yè)貿(mào)易為主的消費(fèi)型城市,建國后則轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨I(yè)生產(chǎn)為主體的生產(chǎn)型工業(yè)城市,在城市經(jīng)濟(jì)類型轉(zhuǎn)變過程及城市化進(jìn)程中,上海中心城區(qū)從建國初期的86km2增加到目前的289.44km2。從1990年開始,上海開始大規(guī)模市政工程建設(shè)。1990~2003年上海全市實(shí)有鋪裝道路長(zhǎng)度、實(shí)有鋪裝道路面積和城市橋梁分別增長(zhǎng)5.3、8.2和12.5倍1。大量河道尤其是中小河道被填沒,有超過60%的河道因此而消失。②建造居民區(qū)。20世紀(jì)50年代是上海人口發(fā)展最迅猛的10年,人口從1949年的502.9萬人增長(zhǎng)到1959年的1028.4萬人,人口迅猛增加,興建了大量居民住宅區(qū)。在土地平整中,大量河道被填沒作為建房用地,期間有近25%河道因此原因而消失。③工廠、學(xué)校建設(shè)以及諸如泥沙淤積、垃圾傾倒等其它原因?qū)е缕溆嘟?5%河道消失(表2)。2.3.2世紀(jì)前至19世紀(jì)20年代上海的河道消失在兩個(gè)歷史時(shí)期中,河道消亡均具有顯著的階段性集中消失的變化特征。據(jù)統(tǒng)計(jì)在140余年的時(shí)間內(nèi),存在三個(gè)河道集中消亡的階段性,歷時(shí)近80年,這期間消亡的河道超過了276條,長(zhǎng)度達(dá)465km,分別占1860年至今消亡總數(shù)的89.9%和88.9%。從1860年代到建國前將近一個(gè)世紀(jì)內(nèi),有記載的中心城區(qū)河道就消失了88條,總長(zhǎng)度超過了222km。這一歷史時(shí)期內(nèi),消亡的河道主要集中于20世紀(jì)初到建國前不到50年的階段內(nèi)。從20世紀(jì)初到建國前不到50年的時(shí)間里,河道消失達(dá)到了76條,長(zhǎng)度超過為196km,分別占到第一階段消失河道數(shù)目和長(zhǎng)度的86.4%和88.3%(圖2、3)。而從1860年至19世紀(jì)末40年內(nèi)消失的河道只有12條,長(zhǎng)度約26km。這主要是由于上海開埠后,特別是在20世紀(jì)上半葉,上海工業(yè)、商業(yè)文化、金融、港口貿(mào)易迅速發(fā)展,從1920年代開始上海成為全國最發(fā)達(dá)城市,期間大量河道在城市擴(kuò)張、工商業(yè)發(fā)展過程中被填沒。第二歷史時(shí)期短短50余年間,有記載的中心城區(qū)河道消失超過220條,總長(zhǎng)度超過300km。第二個(gè)歷史時(shí)期內(nèi),消失的河道主要集中在20世紀(jì)的50年代和80年代改革開放后至今的兩個(gè)階段,這兩個(gè)階段消失的河道數(shù)目分別達(dá)到76和124條,長(zhǎng)度為109km和108km,消失河道數(shù)目和長(zhǎng)度分別占第二歷史時(shí)期消失總量的91.3%和89.4%(圖2、3)。造成這一時(shí)期河道集中消亡的主要原因是20世紀(jì)50年代上海人口增長(zhǎng)快速,建設(shè)了許多居民住宅區(qū)以及改革開放后大規(guī)模的城市化進(jìn)程,導(dǎo)致了河道階段性集中消亡。近期河道消亡呈現(xiàn)加劇的趨勢(shì),尤其從2000年以來,隨著上海區(qū)域開放力度加大、城市化進(jìn)程加快和經(jīng)濟(jì)發(fā)展加速,河道消失出現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖2、3)。出現(xiàn)這種新趨勢(shì)的原因主要是上海在“一年一變樣,三年大變樣”的高速城市建設(shè)階段,由于在各類新建工業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)土地平整以及住宅小區(qū)開發(fā)過程中,中小河道填埋數(shù)量高于新開挖或補(bǔ)償?shù)乃娣e,導(dǎo)致河道數(shù)目、長(zhǎng)度和水面積減少。3中央河流在城市的消失對(duì)水系的影響3.1河流中斷對(duì)水系的形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響3.1.1不同等級(jí)水系的自相似性特征自然界中有很多現(xiàn)象都是分枝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),R·E·Horton(1945)和A·N·Strahler提出的水系結(jié)構(gòu)組成定律,認(rèn)為流域內(nèi)不同等級(jí)水系的發(fā)育具自相似特征,一個(gè)在等級(jí)和空間秩序上和諧發(fā)展的水系,其結(jié)構(gòu)特征和數(shù)量關(guān)系就可用Horton定律進(jìn)行描述。在非高度城市化地區(qū),河網(wǎng)水系總體上具有Horton表現(xiàn)。一般情況下,水系分枝比Rb在3~5之間,平均長(zhǎng)度比Rl在1.5~3之間,水系分枝比越大水系發(fā)育越成熟。1999年上海非高度城市化區(qū)域水利分片河網(wǎng)平均Rb和Rl分別為5.41和2.94,分枝比偏大是上海處于水系高度發(fā)育的平原河網(wǎng)地區(qū)所致。按上海市水利片劃分格局,中心城區(qū)分別位于淀北水利分片和蘊(yùn)南水利分片。由于近百年來中心城區(qū)大量河道陸續(xù)被填沒水面率下降,導(dǎo)致中心城區(qū)所在水利分片水系分枝比銳減,1999年淀北和蘊(yùn)南水利分片Rb只有2.51和1.05,均小于一般情況值的3~5。中心城區(qū)所在水利片水系分枝比明顯偏低,表明在高度城市化城區(qū)水利片,不同等級(jí)河網(wǎng)水系發(fā)育的自相似性特征受大量河道填沒影響已被破壞,即高度城市化地區(qū)非主干中小河道減少,河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單。楊凱等對(duì)上海不同水利片河網(wǎng)水系形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能參數(shù)分析表明,河網(wǎng)地區(qū)水系結(jié)構(gòu)與功能密切關(guān)聯(lián),水面率和分枝比等指標(biāo)具有表征城市化對(duì)水系結(jié)構(gòu)影響的意義。3.1.2河網(wǎng)水系水系分維D可評(píng)價(jià)水系復(fù)雜性,D值越大說明水系越復(fù)雜,反之水系越簡(jiǎn)單。LaBarbera和Rosso認(rèn)為D值應(yīng)在1~2之間,平均1.6~1.7。Claps和Oliveto認(rèn)為D平均值在1.7左右。1999年上海非高度城市化區(qū)域5個(gè)水利分片河網(wǎng)水系D值平均1.59,河網(wǎng)水系總體有Horton表現(xiàn)。但高度城市化的中心城區(qū)所在淀北和蘊(yùn)南水利分片由于大量中小河道消失,導(dǎo)致水系分枝比銳減、不同等級(jí)水系發(fā)育自相似性被破壞。河道消失對(duì)水系分枝能力的削弱使中心城區(qū)所在水利片河網(wǎng)水系分維異常,破壞了原有水系Horton表現(xiàn)。3.1.3水系連通情況河流之間連通性的降低也是水系結(jié)構(gòu)破壞的一個(gè)直觀表現(xiàn)。筆者對(duì)2004~2005年上海中心城區(qū)151條進(jìn)行黑臭整治的中小河道進(jìn)行了水系連通情況調(diào)查,結(jié)果顯示河道連通性受損嚴(yán)重,有57.5%的河道存在不同程度的“斷頭浜”現(xiàn)象。中心城區(qū)水系連通性的破壞,不僅阻礙了河道水體流動(dòng),增加了城市雨洪在河道中的停留時(shí)間,加劇了該區(qū)域防洪排澇的難度,而且水系結(jié)構(gòu)破壞還減慢了水體的自然循環(huán),降低了水體自凈能力。3.2河流中斷對(duì)城市河網(wǎng)的調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存能力的影響3.2.1調(diào)蓄能力強(qiáng)河道槽蓄容量的大小直接反映出該地區(qū)容蓄水資源量、澇水及水資源調(diào)度的能力,對(duì)于區(qū)域防洪排澇、水資源調(diào)度和水環(huán)境容量的確定等均有非常重要的意義。從洪澇水調(diào)蓄作用的角度考慮,河道可調(diào)蓄容量具有更加重要的意義。城市小水系在蓄積雨洪、分流下滲、提供行洪空間、在削減洪峰、降低洪水危害中有著重要作用,小水系更適宜保護(hù)而不能簡(jiǎn)單地填埋平整。對(duì)平原河網(wǎng)水系地區(qū)而言,水系調(diào)蓄作用十分可觀,王臘春等的研究表明:太湖地區(qū)河網(wǎng)水系對(duì)洪水的調(diào)蓄能力約為太湖的50%,在高水位時(shí)河網(wǎng)調(diào)蓄能力更加突出。楊凱等的研究表明:從高等級(jí)河道到低等級(jí)河道可調(diào)蓄容量與槽蓄容量的比值呈現(xiàn)逐級(jí)遞增的變化特征,低等級(jí)河道具有更強(qiáng)的潛在調(diào)蓄能力;且水面率與槽蓄容量、單位面積可調(diào)蓄容量有著良好的正相關(guān)性。上海中心城區(qū)百年來河流水系受人類活動(dòng)的影響不斷消亡尤其是中小河道的消失(消失的歷史河道平均長(zhǎng)度不足2km),導(dǎo)致水面率大大降低、不透水地表的面積擴(kuò)大,嚴(yán)重削弱了城市河流水系的調(diào)蓄能力。目前中心城區(qū)全部槽蓄容量為7278.81×104m3(包括黃浦江和蘇州河等外河),不包括外河在內(nèi)的槽蓄容量?jī)H剩460.98×104m3。初步估算,1860~2003年,上海中心城區(qū)水面積減少約10.46km2,造成城市水面率下降近3.61%;槽蓄容量減少了近2092×104m3,不包括外河在內(nèi)槽蓄容量較百年前減少81.9%;單位面積可調(diào)蓄容量減少近5.06×104m3/km2。致使防洪排澇能力本來就不高的中心城區(qū)常常受淹,內(nèi)澇水位越來越高。出現(xiàn)小雨量、高水位現(xiàn)象,內(nèi)澇范圍和損失越來越大,防洪投入加大,防洪風(fēng)險(xiǎn)增加。尤其是在臺(tái)風(fēng)季節(jié),經(jīng)常因暴雨使防汛墻出現(xiàn)險(xiǎn)情,城區(qū)地面頻頻積水。2005年臺(tái)風(fēng)“麥莎”期間,中心城區(qū)普降大暴雨、特大暴雨,各區(qū)累積降雨量在214.0~315.0mm之間。由于天文大潮、風(fēng)暴潮和暴雨三碰頭,致使黃浦江潮位超警戒線,蘇州河擋潮閘門關(guān)閉,市區(qū)河道河水無法下瀉,內(nèi)河水位普遍猛漲,市區(qū)內(nèi)河道部分超警戒、超歷史記錄高潮位。由于內(nèi)外河水位較高,危及到內(nèi)河防汛墻安全,沿內(nèi)河的排水泵站一度被迫停機(jī),雨水來不及排入河道,造成市區(qū)200多條段道路出現(xiàn)積水現(xiàn)象1。3.2.2排水系統(tǒng)和累積組合中心城區(qū)中小河流大量消亡,破壞了水系之間的溝通,加重了內(nèi)澇發(fā)生的幾率,使得市區(qū)不斷新改建雨水泵站以應(yīng)對(duì)日益增加的排水壓力。上海開埠前,城區(qū)雨水可就近排入河道。開埠后,租界開始規(guī)劃和建設(shè)雨水管道,這些管道以黃浦江、蘇州河等作為泄水河道,這一狀況一直持續(xù)到20世紀(jì)中葉。1949年全市有雨水泵站11座,排水能力僅為16m3/s,由于排水不暢,在暴雨期間很多地區(qū)積水嚴(yán)重。建國后,市政排水泵站建設(shè)投入巨大:1958~1962年,新建和改建排水泵站61座,初步形成50多個(gè)排水系統(tǒng);1962~1978年,對(duì)市區(qū)積水嚴(yán)重和排水設(shè)施不健全地區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)改建,先后建成19個(gè)系統(tǒng)和泵站;1978~1995年,又新改建74個(gè)系統(tǒng)和泵站;至2001年底,全市已建成雨水排水系統(tǒng)177個(gè)2。市政雨水泵站累積增加數(shù)目和消失河道數(shù)目、長(zhǎng)度之間有良好的響應(yīng)關(guān)系(圖4a)。圖4b顯示,1950~1990年代,累積泵站增加數(shù)目與同期區(qū)域內(nèi)累積河道消失數(shù)目、長(zhǎng)度和槽蓄容量之間呈顯著乘冪關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.876、0.863和0.863,顯著水平分別為0.0192、0.0226和0.0026,均在0.05水平上顯著。雖然市區(qū)2002年雨水泵站匯水面積達(dá)到369.53km2,排水能力增加到1856.54m3/s,但由于以往歷史欠賬過多,暴雨季節(jié)市區(qū)積水現(xiàn)象仍十分普遍。4建造居住區(qū)河道消失本文利用上海自1860年