1.2　研究進展

1.2.1　城市化研究進展

城市化是一種復雜的、動態的且具有多元性的經濟和社會現象。目前，關于城市化的定義仍然是一個頗具爭議的概念。《中國大百科全書》的定義為：“城市化通常是指人口向城市地域集中和鄉村地域轉化為城市地域的過程”。國內外學術界對其概念尚無統一定論，社會學、經濟學、人口學、地理學等學科學者均根據自身研究的需要，從不同學科角度賦予不同含義，城市化也呈現出多學科性，主要則可歸結為“社會城市化”“產業城市化”“人口城市化”和“地域城市化”四個方面。

根據蘇衛東對我國省會城市在城鎮化、工業化和服務化發展進程中的相關數據分析，結果表明：城鎮化、工業化對服務化發展進程呈正相關影響。王桂新開展了城市化基本理論與中國城市化的問題及對策研究，認為中國城市化發展中的諸多問題，與社會對城市化本義和城市化規律認識及實踐的偏差等密切相關，并對如何根據城市化規律、推進中國城市化健康發展提出建議。寧越敏團隊開展了政府行為視角下的中國城市化動力機制研究，認為中國城市化健康發展從政策體制機制上進行改革，破除阻礙城市化發展的體制性障礙。陳明星開展城市化領域的研究進展和科學問題研究，對未來城市化發展方向提出了獨到見解。王少劍、方創琳、王洋開展了京津冀地區城市化與生態環境交互耦合關系定量測度研究，認為人口城市化和生態壓力分別對城市化子系統與生態環境子系統的貢獻份額明顯高于其他因素；萬慶、吳傳清、曾菊新等根據2003—2011年中國22個城市群城市化“投入”與“產出”數據開展中國城市群城市化效率及影響因素研究，認為忽略污染排放的城市化效率測度往往會高估城市化的真實效率水平；中國城市群城市化全要素生產率不斷增長主要是由于技術進步而非效率改善的推動。

1.2.2　城市化對水系水文水資源影響研究進展

20世紀60年代發達國家快速城市化給城市水系帶來了一系列復雜的水生態問題，城市下墊面改變對城市小氣候、降水、產匯流、雨洪過程及其分布、水土流失以及對水系水質等產生影響。針對這些水生態問題，聯合國教科文組織在1971年推出了著名的“MAB”計劃，提出加強開展城市水系生態研究；1971—1975年，美國在圣路易斯市做了大量的城市氣象觀測實驗和研究，發現城市化進程對降水量的分布有影響，城市區域夏季降雨次數、總雨量、大暴雨的平均雨強和雷雨發生次數都明顯增加；Atkinson、Parry和Harnack等對倫敦、雷丁、華盛頓等城市的研究表明城市熱環境是增加城市降水的重要因素；70年代中后期，美國等發達國家就對城市規模、經濟增長、人口變化等因素對生態和環境造成的影響進行研究和評價；到90年代，人類活動對城市水生態和環境的脅迫效應和自然生態系統的響應機制成為現代國際城市水文生態領域研究的主要內容，產生了許多新學科和方法論。加拿大環境部對城市化前后降水、徑流、入滲和蒸發進行研究，認為城市化前天然流域的蒸發量占降水量的40%，入滲地下水量占降水量的50%；城市化后流域降水量增多，但滲入地下部分減少，入滲量只占降水量的32%，填洼量減少，蒸發量占降水量減少為25%，而產生的地面徑流增大，同時地表徑流有43%通過地下水道迅速排走。美國水土保持局考慮采用土壤的下滲特性、土壤的前期含水量和土地利用方式這3種土壤因素與降水因素來確定徑流總量，提出降水徑流計算方法用來計算徑流系數（SCS法），該方法被廣泛應用。賀寶根等專家利用多個城市的實測暴雨徑流資料對SCS法進行修正，得出了更適用的城市徑流系數求解方法。Lepold的研究表明當城市有20%的面積由下水道排水和不透水蓋層時，溢岸洪水的發生頻率將增加一倍，匯流量將增加0.6倍。羅伯特和克林格曼采用流域模型論證了城市硬化面積分別為0%，50%，100%時對單位線的作用和城市洪水過程的影響。Z.Tang，B.A.Engel等預測了城市化模式對流域徑流的影響，模擬得出如果采用非蔓延擴散的城市增長方式，城市土地利用面積比例從4.0%增加到8.0%會導致徑流量增加5%；如果采用蔓延擴散增長方式，城市用地比例增加到11.5%，徑流量就會增加12%。20世紀90年代初，美國國家環境保護局（EPA）將城市地表徑流列為導致全美河流和湖泊污染的第三大污染源，城市產匯流產生的非點源污染達主導污染源的18%以上。

國內，楊士弘團隊對北京市郊區和城市大雨的徑流系數進行研究，發現郊區徑流系數在0.2以下，而城區徑流系數一般為0.4～0.52；陳云浩、吳林祖等對多個城市降雨徑流進行研究，發現南方城市城市化前后地表徑流系數明顯改變，城市洪災概率大幅度升高。文立道等對北京市城市化研究，發現在通惠河樂家花園站以上流域內，徑流系數已超過0.50，洪峰流速由20世紀50年代的0.40m/s左右增至90年代的0.65m/s左右。高俊峰等研究發現城市化前后在相同降雨類型條件下，1996年流域下墊面的產水量比1986年多1.018億m3。吳林祖、洪亞華開展了杭州市市區暴雨徑流初探，得出城區不僅降水量增加，而且降水日數也逐漸增加的結論。劉俊經過分析1952—1998年城市降水資料，得出在同一緯度上城區較周邊縣區多年平均降水量偏多9.58%的結論。楊凱等利用上海市中心氣象站和周邊9個郊區氣象站1970—2000年蒸發資料進行研究，認為經過城市化，90年代以后上海市區蒸發量總體明顯下降與郊縣蒸發量變化趨勢相背離，城郊蒸發的差異及變化與區域下墊面狀況關系密切。張學真對西安市城市大氣污染成分的變化對城市降雨酸性值產生的影響進行研究，得出西安市春冬季節酸雨出現頻率大，夏秋季節酸雨出現頻率小。李立青、尹澄清結合武漢市漢陽城區2003—2006年不同尺度降雨徑流、市政污水的監測結果，開展了雨、污合流制城區降雨徑流污染的遷移轉化過程與來源研究，結果表明，雨、污合流制城區地表徑流匯入排水系統，經排水系統傳輸后污染程度顯著增加；生活污水中污染物對降雨徑流污染的貢獻是通過在合流管道中形成沉積發生的，雨、污合流管道在降雨徑流污染形成過程中發揮了轉化器和加重徑流污染的作用；減少合流管道中沉積物的形成是削減徑流污染負荷的途徑之一。丹利、楊富強、吳澗等用1960—2009年北京地區20個氣象臺站的觀測資料，分析了北京城區和郊區蒸發皿蒸發量變化趨勢和特點，得出近50年北京地區蒸發量有明顯減小趨勢，城區值-88.1mm/10a，郊區值-76.0mm/10a，受城市化影響，相對濕度、日照時數、最低氣溫、氣溫日較差和平均風速的變化對城區蒸發量的變化有顯著影響。歐陽威、王瑋、郝芳華等對北京城區不同下墊面降雨徑流產污進行了特征分析，認為相對于瀝青路面與硬質屋頂，草地屋頂對除磷外的其他徑流污染物濃度有明顯削減作用，污染物質與前期晴天數、降雨歷時呈現正相關關系，與降雨量、降雨強度呈現負相關關系，通過控制初期徑流污染、加強清掃及屋頂綠化可以從源頭減少城市降雨徑流污染。尤學一團隊開展了城市綠地對降雨徑流及其污染物削減研究，得出綠地徑流量的主要影響因子中，影響強弱順序依次為：降雨強度＞草地類型＞降雨歷時＞植被覆蓋度的結論，同時得出在土壤容量范圍內，城市綠地對徑流污染物CODcr的削減率與其濃度無關的結論。

近年，隨著城市化地區快速發展伴生的一系列問題，有關城市化與水文水資源的伴生問題研究深度和廣度均有顯著進展并取得系列成果。

1.2.3　城市化對水系形態結構、規模和功能影響研究進展

水系形態結構特征包括河流（溝渠）、湖泊（塘庫）和濕地等水系數目、河流長度、水系分支、河流分級、河網密度等形態結構要素；水系規模參數主要是水面率；水系功能則隨著人類文明不斷調整，涉及生活、生產供水、水產品、調蓄洪水、凈化環境、提供生境、水資源蓄積、娛樂休閑等，大致可分為社會經濟功能和生態環境功能兩大類。城市化對城市水系特征的影響主要體現在城市化進程中的開發建設活動對水系徑流泥沙沉積機制的改變，而后引起一系列結構形態調整，如取水、排水、連通和防洪等工程改變水網結構，圍水造陸、人工湖和溝渠等改變水域空間大小等。這些人為活動改變城市水系與水景觀的整體性與延續性，甚至是時空上的斷裂，造成城市水網形態變異和結構變化，功能改變。

國外對河流水系特征研究以Horton提出的Horton定律和Strahle提出的Strahler河流分級方法為標志，可追溯到20世紀40—50年代。Schumm和Morisawa分別在1956年、1964年以Strahler水系分級系統為基礎，研究流域面積、河道縱比降隨河道級別的幾何級數變化關系，把Horton定律推進一步，成為國外在水系標度定律研究取得新進展的標志。1967年，美國數學家B.Mandelbrot的分形理論提出為水系分形特征和分維數提供理論支持。1989年，La Barbera等探討了水系分維的計算方法，認為水系分維值應在1～2之間，平均值為1.6～1.7。1996年，Claps等通過研究認為水系分維平均值在1.7左右。2000年Wilchelm等采用GIS手段對波蘭Plock城市境內Vistula河谷洪泛原及洪水位以上的陸域地質結構進行研究。2003年，Arnaud-Fassetta研究了法國Rhone河流一個世紀間城市化人為活動導致河道被侵占和河流平面、橫斷面及縱剖面形態的顯著變化，以及這些變化增加洪水風險及危害程度；同年，Rhonda等通過地圖解譯和GIS圖層疊加的方法，研究美國田納西州Wolf河洪泛區面積近50年演變過程，發現城市化使得洪泛區面積逐年減小，導致洪水潛在風險增加。

20世紀80年代后，中國快速城市化已經引起太湖、珠江三角洲和長江三角洲地區城市河網水系發生劇烈變化，如末端河流消失，池塘湮沒，河渠硬化，河網形態變化、調蓄能力下降等，這些變化不僅增加了城市雨洪災害，而且易引發城市水系水環境問題。我國水文和生態方面專家學者對此極為關注，并積極投入這些問題的研究和解決之中，如：2002年，陳曉宏研究指出珠江三角洲河網區圍墾、橋梁、碼頭建設以及水閘的不合理調度等城市化人類活動造成研究區水文與地貌特征變異，使得水量集中，蓄滯洪能力減小，河道流量增加，城市洪澇威脅加劇；2002年，陳德超研究指出上海市河流消亡與城市化進程顯著相關；楊凱和袁雯課題組研究得出上海市城市化改變水系形態結構，降低河流自身發育能力并削弱河網的調蓄和行洪排澇能力的結論；2006年，周洪建對北京永定河流域進行研究，發現城市化使得京津段水系結構明顯簡單化，水系調蓄能力降低，水災危險性上升，同時指出平原段潛在中度危險區的空間分布格局與河網消失區的空間分布相似；2007年，陳云霞等對寧波等平原城市化地區進行研究，認為快速城市化造成河網密度和水面率明顯降低，水質下降，洪水和干旱威脅加重；2008年，黃奕龍等通過研究得出城市化使得河道的分支比和蓄洪能力有所弱化，河流具有簡單化的趨勢，其多元化特征削弱的結論。

城市化對城市水系規模和功能影響的主要參數是水面率、河網密度和河網復雜度，三者相輔相成共同表征城市水系規模和功能。韓昌來等研究發現環太湖流域的河道由20世紀初的300余條減少至1993年的125條。2004年，楊凱通過上海水資源普查的長期數據研究，得出高度城市化地區河網結構趨于簡單，非主干河道不斷減少，河網有單一化和主干化的趨勢。1990年上海徐匯區區內河道有108條，1993年減少為84條，1998年減少為59條，8年時間內，徐匯區共損失河流40余條，城市化發展使水面被侵蝕或填埋，導致水面率不斷減少。2008年，周洪建等在深圳河網變化分析研究中得出近30年深圳市河網總長度減少355.4km，總條數減少378條，河網密度減少29%，他還發現城市化水平低于30%時，城鎮用地擴展與河網支流的萎縮存在顯著相關。隨著城市化進程和人們生活水平提高，城市水面率也發生變化。吳迪認為水面率應該是多年平均值，城市適宜水面率是指在某一時期，通過綜合分析城市自然條件、水土資源可供量、社會發展趨勢和經濟發展水平等基礎上，滿足人類、生態環境和城市可持續發展要求的水面面積比率。20世紀80年代初，郭元裕等用增量動態規劃法求解總體最優目標下的圩（湖）區防洪最優水面率，用線性規劃模型求解南方平原湖區最優水面率。2000年，易波琳等建立洞庭湖湖泊面積、容積與水位關系及蓄洪調節評價模型。針對浙江城市開發中大量侵占河道問題；2001年，胡堯文等提出在城市防洪排澇治理時，應對城區維持或增加的水面率進行充分論證，合理選用城區調蓄水面的調蓄能力。2003年，詹紅麗等采用逐次逼近法（MAP法）將非線性問題線性化，求解得出了圩區的最優水面率、滯蓄水深、最優外排裝機容量等問題。2004年，趙明明等用系統工程方法對余姚市西部地區水面率進行了優化研究。同年，高俊峰和周建康等也對城市設計排澇流量與水面率進行深入研究。近年來，國內學者在水面率合理求解方面研究成果豐碩，水面率控制被提高到城市生態水系管理高度。楊凱等提出應將水面率控制的要求全面納入到各層次的城市發展規劃，在城市化進程中逐步構建體現水面率控制要求的河道長效管理機制。王超等從城市水生態系統建設與管理角度，對城市水生態系統的適宜水面面積、最佳水面組合形式及城市水生態系統景觀、文化、經濟建設等方面進行了系統的研究，為水利部發布《城市水系規劃導則》奠定基礎。針對水面率研究的重要性，2005年，王淑英等首次提出應用多目標多層次模糊評價模型確定合理水面率的思路。王士武等在2006年根據區域行洪排澇標準，考慮內部水域的蓄滯洪澇能力和水利工程的排洪澇能力，對行洪排澇的合理水面率進行了研究。同年張禮兵和張學技等對圩區城鎮最優水面率模型計算機求解算法進行研究，為城市化進展迅速的圩區城鎮水系規劃提供依據。2007年，吳迪以沈陽市為研究對象，闡述了水面率及城市適宜水面率的內涵，分析了影響城市水面率的主要因素，從水面的社會效益、經濟效益和生態效益三個方面，把可供水量、土地資源可供量、水體水質、城市排澇要求等作為約束，建立城市適宜水面率多目標優化模型，針對沈陽市城市適宜水面率進行了研究。2010年，黃文慧運用GIS技術，對南寧城市水面適宜度進行評價，并以評價結果為基礎對城市水生態建設功能區進行規劃，指導南寧城市水面的建設和水資源的開發利用。

水系優化方面，為解決城市和地區水資源緊張狀況，國內外都開展了調水工程嘗試，大多分布在經濟發達國家和地區或者降水不均勻地區，如美國加利福尼亞州北水南調工程、加拿大魁北克調水工程、伏爾加—莫斯科調水工程、巴基斯坦西水東調工程和澳大利亞雪山工程等。國內，從20世紀80年代起我國陸續修建了數十項給城市供水的大型跨流域調水工程，如引灤入津、引黃濟青、南水北調、東深供水工程等。通過跨流域水系優化調度，有效提高缺水地區城市水資源承載力。

1.2.4　河流健康與水生態修復研究進展

20世紀60—70年代，國際上專家學者對非點源污染就已經開始關注并開展研究；20世紀80年代末，由于大量人類非理性活動和生存需求造成水環境和水生態問題，水生生物滅亡速度日趨嚴重，為了合理開發利用水資源保護水生態，河流健康的概念開始出現在各種文獻資料及相關新聞報道之中，引起各國政府和學者的廣泛關注；80～90年代，相關研究發展迅猛，包括非點源污染的特征、負荷、地域范圍機理以及相關的影響因子等內容，同時，還涉及野外調查與監測、土地利用方式分析、數學模型、遙感與地理信息系統等研究技術手段；21世紀以后，研究趨向于城市非點源污染管理政策和控制方法的研究。可見，雖然河流健康有關概念、理論與方法的研究還處于發展初期，但是該領域已成為河流管理的新方向。

澳大利亞在1993年最早啟動國家河流健康計劃（NRHP），通過相關研究提出溪流狀況指數法（ISC），構建了基于河流水文學、形態特征、河岸帶狀況、水質及水生生物五方面的指標體系，該法將河流狀態的主要表征因子融合在一起，為河流科學管理提供指導，其不足是缺乏對單個指標相應變化的反映，參考河段的選擇較為主觀。同期，美國、新西蘭、日本、英國、南非、加拿大等國也陸續開展了有關河流健康評價與恢復方面的研究。南非于1994年發起了“河流健康計劃”（RHP），選用七大類河流生境狀況作為河流健康的評價指標，提供了建立在等級基礎上可以廣泛應用于河流生物監測的框架。英國學者提出的河流生境調查法（RHS），通過調查背景信息和土地利用等六大類指標來評價河流生境的自然特征和質量，并判斷河流生境現狀與純自然狀態之間的差距，其不足在于部分用于評價的數據以定性為主，使得數理統計較為困難。其他學者如：Simpson等認為河流健康是指河流生態系統支持與維持主要生態過程，健康河流具有一定種類組成、多樣性和功能組織的生物群落無限接近受擾前狀態，建議把河流受擾前的原始狀態當做健康狀態；Karr以河流價值作為參考，認為只要其當前與未來的使用價值不退化且不影響其他與之相聯系系統的功能，可認為此生態系統是健康的，與生態系統的完整性是否破壞無關；Fairweather認為河流健康生態系統不受損害的狀態應包含公眾對河流的環境期望，在定義河流健康時社會、經濟和政治因素必不可少，持相似觀點還有Norris等認為河流健康應考慮人類福利要求。Meyer綜合了前面兩派觀點，在健康的概念中涵蓋了生態完整性與人類福利，認為健康的河流生態系統不但要維持生態系統的結構與功能，且應包括其人類與社會價值。

我國嚴峻的水問題使得我國專家學者對河流健康領域更為關注。李國英指出黃河健康生命是在基本保障人類社會安全和經濟發展的同時，其河川徑流條件基本滿足河流生態系統健康需要時的生命狀態；孫治仁等認為健康的江河應具備良好的恢復能力和自我維持能力，同時能滿足原生生態系統基本的水需求并具有不突變的相對穩定性等三個基本特征；文伏波認為河流在人類開發利用和自身對干擾所具有抵抗力和恢復力的共同作用下，能保持合理的自然結構狀態，實現正常的水、物質及能量的循環及健全的功能，滿足人類社會的可持續發展需求，最終形成人類對河流的開發與保護平衡的良性循環；劉昌明等認為河流健康反映的是人類對河流功能發揮的認可程度；高永勝認為河流生態健康是指人類干擾下河流生態系統不僅能保持化學、物理及生物完整性，還能維持其對人類社會提供的各種服務功能；龐治國等指出健康河流生態系統應該具有合理的組織結構和良好的運轉功能，其內涵在不同時間尺度和不同空間尺度具有不同涵義；張可剛等從河流水文學、物理構造特征、河岸帶狀況、水體污染狀況以及水生生物等五個方面，提出了河岸抗沖性、河岸人口密度、國民經濟取水率、娛樂項目、航運等十四個河流健康評價指標，認為健康河流生態系統表現為河流生態系統的能量流動和物質循環沒有受到損害，并對自然干擾的長期效應具有抵抗力和恢復能力，且具有較強的社會服務功能；董哲仁指出河流健康是一種河流管理的評價工具，其作用是建立相對基準點和評價準則體系，對于在自然力與人類活動雙重作用下的河流生態系統狀況進行動態監測與評價未來發展趨勢，通過適當管理措施促進河流向良性發展；吳阿娜選擇河流水文、河流形態、河岸帶狀況、理化指標、河流生物五類指標對上海市城市河流健康進行了評價研究；趙彥偉等針對黃河多泥沙問題，提出健康黃河要有一定的自我維持與更新能力，具有相對的生態完整性，關鍵生態組分，如河漫灘、生物棲息地得以保存；吳道喜開展了健康長江指標體系研究并就水生態保護構建了系列評價指標體系；王琳等基于河流水文學、形態特征、河岸帶狀況、水質及水生生物五個方面，建立了涵蓋環境、水文、水利、生態、物理結構和社會功能等多方面的綜合指標體系，尤其創新性增加了公眾態度、河流管理、防洪安全等社會指標；吳春華等提出了面向河流生態系統健康的生態特征、水資源狀況、河流基本狀況、功能整合性、社會政治環境指標、社會經濟等共計四十五個具體指標。

河流健康基準狀態的選擇，是河流健康作為管理工具的關鍵問題之一，它取決于社會所追求的最優價值。學術界的普遍觀點是：自然系統優于人工系統，人類活動干擾前的自然狀態優于干擾后的狀況；劉曉燕認為河流健康的標準即是相應時期或河段的人類利益和其他生物利益的平衡或妥協，河流健康只能是相對意義上的健康，不同背景下的河流健康標準實際上是一種社會選擇；張洪波等結合黃河生態水文特點，構建了可表征黃河河流生態水文情勢的五十個指標，構建了黃河生態水文評估指標體系，并將該指標體系應用于黃河干流蘭州斷面的生態水文評估；趙彥偉等對城市河流生態系統健康提出了包含物理結構與河岸帶等五大要素的指標體系及“很健康、健康、亞健康、不健康、病態”五級評價標準，明確各河流生態系統的健康狀況及限制因子，為其保護與修復提供了決策依據。

綜上，我國河流健康研究更注重人水關系的探討，重點在平衡利益沖突、滿足人類社會需求等方面。水環境惡化問題日益加劇，目前，對河流健康的評價主要是借助化學分析手段和少量生物監測評價的水質狀況，較少從系統健康的角度來判斷河流健康，缺乏對流域和水系案例研究且多是以研究單條河流或湖泊為主。河流健康評價理論研究成果豐碩，而作為有效手段用于指導并完善河流管理的研究仍處于探索階段。因此，選擇不同典型自然地理區域，具體情況具體分析，構建體現地域特色和管理要求的河流健康理論與方法，廣泛開展健康評價實踐，是我國河流管理研究的重要方向之一。

水生態修復方面，隨著人們對河流健康不斷重視，生態水系修復新策略和新技術不斷涌現。瑞士、德國和日本等國于20世紀80年代末提出了全新的“親近自然河流”概念和“自然型護岸”技術，這些科學理念及和諧生態修復技術被廣泛應用于阿勒河、塞納河、多瑙河、萊茵河等水系生態修復。國內，20世紀90年代，隨著太湖流域水污染問題的持續加劇，為改善太湖湖水水質，太湖流域管理局先后2次開展了“引江濟太”調度工程；20世紀末到21世紀初，為緩解三峽水庫下游用水緊張，恢復長江和沿江湖泊的連通性，通過三峽水庫在枯水期擇機加大下泄流量，以及沿江天鵝洲長江故道、武漢漲渡湖、洪湖等阻隔湖泊試行了季節性的開閘通江等措施，調節區水生態修復成效顯著。進入21世紀，河流健康理念深入人心，世界各國推行的河流保護戰略，在重視污染源控制的同時重視河流整體結構和生態功能的恢復，水系生態修復工程更是如雨后春筍。我國生態水系治理是從城市河流生態環境修復建設開始的，成都市集防洪、排水、交通、綠化、生態、文化于一體完成了對府南河的整治；蘇州市對城市水系進行了生態化治理，保持了“三縱三橫+一環”的河網水系及小橋流水的水城特色；北京市、武漢市和桂林市等歷時約10年時間以“水清、流暢、岸綠、通航”為目標建設現代城市水系，對城市水系進行了大規模的生態整治；鄭州市按照“水通水清、健康安全、生態環保、人水和諧”的理念，以市區及周邊地區范圍內的河、庫、湖濕地為對象，構建了“六縱六橫河渠、七中五小水庫、三湖泊兩濕地”的生態水系格局。總體來看，城市化對城市水系的影響、水系生態修復和河流健康領域的研究成果豐富，為研究城市化影響下城市水系健康管理奠定了堅實基礎。