上海市水質(zhì)狀況分析

上海市水質(zhì)狀況分析

這條河流是城市自然環(huán)境的重要組成部分之一。數(shù)量和質(zhì)量的變化是自然環(huán)境與人類活動長期互動的結(jié)果。上海地處長江三角洲的前緣,扼長江出?？?是我國重要的經(jīng)濟、貿(mào)易、金融中心之一,其自然環(huán)境的變化和社會經(jīng)濟的發(fā)展對我國具有極其重要的影響。一個世紀(jì)以前,上海地區(qū)河網(wǎng)密布,但在城市發(fā)展過程中,尤其是近半個世紀(jì)來,隨著城市建成區(qū)域不斷向外擴展,許多河流被填沒、淤堵,河流數(shù)量大為減少,導(dǎo)致河道自然排水功能下降,加大了城市暴雨積水的可能,同時影響了河流的水質(zhì)狀況。本文基于遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù),剖析了上海市近50年來城市化過程中河流水網(wǎng)演化特征及其與土地利用變化的關(guān)系;探討了河網(wǎng)水系演化對城市暴雨積水、城市排水的影響,研究它們之間的耦合關(guān)系;為今后城市發(fā)展過程中水環(huán)境的管理提供科學(xué)依據(jù)。一、數(shù)據(jù)來源與研究方法1.追溯資料的收集與研究為了能夠準(zhǔn)確、客觀地反映研究區(qū)近50年來的河網(wǎng)演化情況,本研究采用航空像片作為主要信息源。收集了1964年、1979年、1984年、1989年、1994年、1999年共6個時相的航片2000多張,經(jīng)過挑選,實際用到的有498張。為了追溯歷史河網(wǎng)信息,增補了開埠前后和20世紀(jì)50年代的河流分布圖。另外,還收集了以下資料:(1)近50年來河流水網(wǎng)演化記載文獻。共收集了包括黃浦、靜安、盧灣、楊浦、虹口、閘北、普陀、長寧、徐匯、南市、浦東、閔行、寶山等13個區(qū)縣的地名志上的河流水網(wǎng)歷史資料[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。(2)近50年來研究區(qū)內(nèi)土地利用類型變化資料。參考了“上海市第二輪航空遙感調(diào)查與研究科研總報告”中“上海城市擴展和城市化過程及規(guī)律的遙感動態(tài)研究”的部分成果。(3)近50年來研究區(qū)內(nèi)暴雨和暴雨積水資料。這部分資料可分為兩個階段:①1982年前,主要是文獻記載的暴雨降水資料和積水資料;②1982年后,主要由上海市城市排水有限公司提供的以城市雨污水泵站為觀察點測量獲得的暴雨和積水資料。2.河流的流長度、深度屬性分析及處理本研究主要應(yīng)用遙感(RS)及地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)。具體操做過程如下:(1)1950年代以來上海地區(qū)河網(wǎng)水系分布圖的建立。利用MAPINFO對選取的498張航片進行數(shù)字化處理。在幾何校正、配準(zhǔn)和參考研究區(qū)歷史文獻資料的基礎(chǔ)上,建立了1950年代、1964年、1979年、1984年、1989年、1994年和1999年的上海地區(qū)水系分布圖,在ARCVIEW平臺上動態(tài)演示不同時相的河流分布情況。河流長度屬性主要在GIS中直接量算獲得,河流寬度屬性的獲得主要采取結(jié)合文獻資料、從航片上測量、實地測量和估算的方法,河流的深度屬性主要根據(jù)文獻資料、實地測量和估算的方法建立。另外,對蘇州河、東老河(現(xiàn)麗娃河)、環(huán)浜,以及普陀、寶山、閘北區(qū)部分河流進行了野外驗證,校正航片判讀的結(jié)果。從實地踏勘情況看,判讀精度較高。(2)土地利用類型時空變化分析及處理。將土地利用類型劃為:城市用地,包括居住用地、公共設(shè)施用地、工業(yè)用地、倉儲用地、市政用地、特殊用地、綠地、待建和其他用地;交通道路用地,包括對外交通用地、道路廣場用地;水域和農(nóng)業(yè)用地三種類型。對上海半個世紀(jì)以來土地利用類型變化進行分析,并結(jié)合河網(wǎng)水系的演化和市區(qū)積水分布的演化,對三者進行相關(guān)分析,以期找出城市化與積水、排水之間的相互關(guān)系。(3)暴雨和暴雨積水分布的處理。對1959-1978年(全市)、1995-1999年(市區(qū))歷次暴雨雨量、降水梯度,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬計算,通過三次樣條內(nèi)插,獲得暴雨降水量等值線圖和降水梯度等值線圖。在Arcview軟件中把暴雨積水分布圖、河流水系分布圖等圖件進行疊加,從而可以直觀地進行對比,進而找出城市排水系統(tǒng)分布的不足之處。對1997-1999年的積水資料,利用Arcview軟件,將文字記錄轉(zhuǎn)換為空間分布,從而獲得暴雨積水分布圖。對于1997年之前的積水記錄,主要是結(jié)合降水進行定性研究。3.城市水系的研究區(qū)范圍本研究的工作范圍主要選擇在包括上海市內(nèi)環(huán)線的矩形區(qū)域。包括上海市區(qū)的絕大部分,同時也包括部分郊區(qū)。從這個研究區(qū)范圍我們可以清楚地看到本區(qū)河網(wǎng)水系隨上海市區(qū)范圍的擴展變化,有利于將郊區(qū)和市區(qū)進行對比研究;同時,把研究區(qū)集中于市區(qū)范圍內(nèi)有利于研究成果的實際應(yīng)用。二、上海河網(wǎng)水系的發(fā)展特征1.上海城市河網(wǎng)水系的消失區(qū)研究表明,上海市中心城區(qū)的河網(wǎng)水系在一個世紀(jì)以前還像周邊地區(qū)一樣相當(dāng)發(fā)育,十分密集。但是,隨著工業(yè)發(fā)展,靜安、黃浦、盧灣以及南市等中心城區(qū)的水系在20世紀(jì)50年代以前就基本消亡。20世紀(jì)50-80年代間,上海城市河網(wǎng)水系的消失區(qū)主要集中在徐匯、長寧、普陀、閘北、虹口、楊浦和寶山等區(qū);20世紀(jì)80年代中后期,這些區(qū)的河流水系基本沒有什么變化。1989年以后,普陀、閘北和長寧區(qū)的水系出現(xiàn)了較大程度的減少。據(jù)統(tǒng)計,近50年來,全市河流長度縮短了約270公里,河網(wǎng)密度也大為減少。例如:寶山區(qū)20世紀(jì)50年代河網(wǎng)密度為4.74公里/平方公里,至1994年為4.21公里/平方公里,到1999年銳減為0.93公里/平方公里,5年間減少了約78%?？偟目磥?20世紀(jì)50年代至60年代末和90年代中期至90年代末期變化最為顯著?？臻g上,又以研究區(qū)的西北部和東南部變化劇烈。2.河流動態(tài)變化為了對河網(wǎng)演化和土地利用信息進行更加直觀和量化研究,我們開發(fā)了一套基于Arcview軟件的信息系統(tǒng)。運用該系統(tǒng),不僅可以進行常規(guī)的圖層縮放、疊加和各種查詢,而且還可以實現(xiàn)不同時相河流的動態(tài)顯示與統(tǒng)計,如可以量算任選區(qū)域的河流長度或面積等。結(jié)果顯示:第一,1964-1984年間,所有區(qū)的河流長度和面積均呈持續(xù)下降趨勢,以虹口和徐匯變化最為劇烈;第二,1984-1989年間,各區(qū)河流長度和面積基本沒有呈現(xiàn)大的變化;第三,1989-1999年間,閘北、普陀和長寧變化明顯,其他區(qū)仍然保持較為穩(wěn)定的態(tài)勢;第四,20世紀(jì)80年代上半期和90年代后半期是河流減少較為集中的兩個階段。以上變化特點是與上海城市建設(shè)的歷史和發(fā)展速度相一致的。另外由于靜安、黃浦、南市和盧灣4區(qū)的河流在1964年以前就已經(jīng)消失,故不再統(tǒng)計。三、土地使用與河網(wǎng)水系發(fā)育之間的關(guān)系1.改革開放以來,區(qū)內(nèi)市、城市用地分布不均衡,呈社會化趨勢上海市第二輪航空遙感調(diào)查結(jié)果表明,50年來上海城市空間迅速擴展(表1)。上海市建成區(qū)面積從1947年的91.6平方公里(含浦東陸家嘴塊)逐步擴大到1996年的364平方公里,擴大了約3倍;如與改革開放以來的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比(169.6平方公里;1979年),建成區(qū)面積約增加了1.15倍。市區(qū)城市化率也從1947年的40%相應(yīng)增加到1979年的65.9%,并繼續(xù)增加到1996年的96.2%。從用地類型上看,水域和農(nóng)業(yè)用地逐漸減少,而城市用地則剛好相反,呈逐年遞增趨勢。水域和農(nóng)業(yè)用地1947年為188.87平方公里,1979年為110.9平方公里,至1996年減少到29.82平方公里;總共減少了約84%。城市用地1947年為62.8平方公里,1979年為128.53平方公里,1996年增至208.6平方公里;總共增加了約2.3倍。2.楚地河流的分布調(diào)查表明,改革開放以來,上海市水網(wǎng)體系的消失主要集中在蘇州河以北。在Arview軟件中將河網(wǎng)水系圖與相應(yīng)的土地利用圖相疊加,清楚地看出河流隨城區(qū)擴展而逐漸減少的趨勢;尤其是城市邊緣區(qū)的河流大量和迅速地消失,更是城市化的直接后果(圖1)。譬如,1990年代后隨著城區(qū)向西北和北部迅速擴展,導(dǎo)致本市西北部蘇州河以北的河流大量消失,如今只剩下澎越浦等大的支流。市區(qū)河流長度隨年代推移而減小,而城市化率則逐年遞增,二者顯示了很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2),相關(guān)系數(shù)高達-0.95,說明河流長度受城市化的影響強烈。四、國內(nèi)外既有關(guān)系十分復(fù)雜城市排水是一項系統(tǒng)工程,牽涉到城建過程中的眾多方面,關(guān)系十分復(fù)雜。研究表明,暴雨積水不僅與暴雨分布、地面高程等有關(guān),更主要與本區(qū)域河流消亡、以及管網(wǎng)的排水能力密切相關(guān)。1.泵站至泵站稀疏區(qū)在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對本區(qū)近年暴雨積水的空間分布進行模擬,并與全市的排水泵站分布進行對照后,我們發(fā)現(xiàn),各區(qū)交界處往往是泵站分布稀疏之地,因而也是暴雨積水較為集中之區(qū)。如1999年夏季的暴雨降水,大量積水出現(xiàn)在盧灣區(qū)與南市區(qū)、靜安區(qū)與徐匯區(qū)之間的泵站稀疏區(qū)(圖3)。由此可見,管網(wǎng)-泵站系統(tǒng)不能完全代替自然河道排水功能。在現(xiàn)代城市發(fā)展過程中,應(yīng)盡量保留河流水系;同時在水網(wǎng)體系大量消亡區(qū),大力完善管網(wǎng)-泵站系統(tǒng),以彌補因水系消亡帶來的排水困難。2.徑流系數(shù)的確定如前所述,本區(qū)在近50年間土地利用類型發(fā)生了巨大的變化。農(nóng)業(yè)用地大幅度減少,取而代之的是工業(yè)和交通用地;從而導(dǎo)致大量水網(wǎng)體系的消失和不透水面積增加,改變了流域下墊面的性質(zhì),徑流系數(shù)增大;并直接影響到暴雨積水。據(jù)《室外排水工程規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn),徑流系數(shù)采用由地面種類確定,各種屋面、混凝土和瀝青路面徑流系數(shù)(ψ)取0.9;大塊石鋪砌路面、瀝青表面處理的碎石路面取0.6,級配碎石路面取0.45;干砌磚石和碎石路面取0.3,公園和綠地取0.15。本研究將其概化為城市用地取0.8,交通道路用地取0.45,水域和農(nóng)業(yè)用地取0.1。由概化的標(biāo)準(zhǔn)計算的徑流系數(shù)如(表2)。由(表2)可以看到,由土地利用類型轉(zhuǎn)化而來的徑流系數(shù)從1947年至1996年逐年增大(從0.29到0.67)。無庸諱言,增大的徑流系數(shù)造成市區(qū)積水幾率增加。稍有降水,便可能形成大面積的積水。另外,隨著市域不斷擴大,農(nóng)業(yè)用地被大量征用為城市用地,河流或被傾倒垃圾逐漸淤塞,或因城市擴展逐漸被填沒消失,也是導(dǎo)致本區(qū)近20年來的水質(zhì)惡化的重要原因。五、駁岸水系的消失及演化趨勢河流是一個國際性大都市不可或缺的自然環(huán)境要素之一,涉及到城市排水、城市景觀,以及水環(huán)境整治等。研究表明:●上海市區(qū)在一個世紀(jì)以前的河網(wǎng)水系像周邊地區(qū)一樣密集。近半個世紀(jì)以來,隨著上海城區(qū)不斷擴展,許多河道被填沒淤堵而逐漸消失,河流水網(wǎng)大面積萎縮。調(diào)查表明,市中心區(qū)的河網(wǎng)水系早在20世紀(jì)50年代前就基本消失;50-70年代是當(dāng)時的周邊地區(qū)河流快速消亡時期;80年代是穩(wěn)定期,90年代又呈現(xiàn)快速消亡趨勢。據(jù)統(tǒng)計,近50年來全市河道長度縮短了約270公里,河網(wǎng)密度也大為減少,嚴(yán)重影響了河流的天然排水能力,從而加大了城市排水系統(tǒng)的壓力?！裢恋乩米兓侵苯訉?dǎo)致河網(wǎng)水系消失的重要原因。我們研究表明,目前上海市建成區(qū)面積比1947年增加了約3倍,城市化率也增加到96%以上。工業(yè)、交通和居住用地大量增加,農(nóng)業(yè)用地因而明顯減少。將河網(wǎng)水系演化信息與土地利用變化信息對比,可以清楚地看出河流隨城區(qū)擴展而逐漸減少的趨勢?！耠S著河流大量消亡及用地類型的改變,導(dǎo)致城市暴雨積水的概率增加,尤其在上海市泵站-管道功能的薄弱環(huán)節(jié),如各區(qū)的交界處。1999年夏季在盧灣區(qū)與南市區(qū)、靜安區(qū)與徐匯區(qū)之間出現(xiàn)的暴雨積水就是很好的例證。六、水網(wǎng)體系的消失,導(dǎo)致排水系統(tǒng)分布參數(shù)更新●河網(wǎng)水系是一個國際性大都市必不可少的水環(huán)境要素,牽涉到城市排水、城市景觀,以及水環(huán)境治理等。因此,決不能以城市發(fā)展為理由,隨意填